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EMIEMC設計PCB被動組件的隱藏特性

2019/11/09 来源:宜宾信息港

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EMI/EMC设计PCB被动组件的隐藏特性解析传统上,EMC一直被视为「黑色魔术(black magic)」其实,EMC是可以藉由数学公

EMI/EMC设计PCB被动组件的隐藏特性解析

传统上,EMC一直被视为「黑色魔术(black magic)」其实,EMC是可以藉由数学公式来理解的不过,纵使有数学分析方法可以利用,但那些数学方程式对实际的EMC电路设计而言,仍然太过复杂了幸运的是,在大多数的实务工作中,工程师并不需要完全理解那些复杂的数学公式和存在于EMC规范中的学理依据,只要藉由简单的数学模型,就能够明白要如何达到EMC的要求 本文藉由简单的数学公式和电磁理论,来说明在印刷电路板(PCB)上被动组件(passive component)的隐藏行为和特性,这些都是工程师想让所设计的电子产品通过EMC标准时,事先所必须具备的基本知识 导线和PCB走线 导线(wire)、走线(trace)、固定架……等看似不起眼的组件,却经常成为射频能量的发射器(亦即,EMI的来源)每一种组件都具有电感,这包含硅芯片的焊线(bond wire)、以及电阻、电容、电感的接脚每根导线或走线都包含有隐藏的寄生电容和电感这些寄生性组件会影响导线的阻抗大小,而且对频率很敏感依据LC的值(决定自共振频率)和PCB走线的长度,在某组件和PCB走线之间,可以产生自共振(self-resonance),因此,形成一根有效率的辐射天线 在低频时,导线大致上只具有电阻的特性但在高频时,导线就具有电感的特性因为变成高频后,会造成阻抗大小的变化,进而改变导线或PCB走线与接地之间的EMC设计,这时必需使用接地面(ground plane)和接地格(ground grid) 导线和PCB走线的主要差别只在于,导线是圆形的,走线是长方形的导线或走线的阻抗包含电阻R和感抗XL = 2πfL,在高频时,此阻抗定义为Z = R + j XL j2πfL,没有容抗Xc = 1/2πfC存在频率高于100 kHz以上时,感抗大于电阻,此时导线或走线不再是低电阻的连接线,而是电感一般而言,在音频以上工作的导线或走线应该视为电感,不能再看成电阻,而且可以是射频天线 大多数天线的长度是等于某一特定频率的1/4或1/2波长(λ)因此在EMC的规范中,不容许导线或走线在某一特定频率的λ/20以下工作,因为这会使它突然地变成一根高效能的天线电感和电容会造成电路的谐振,此现象是不会在它们的规格书中记载的 例如:假设有一根10公分的走线,R = 57 mΩ,8 nH/cm,所以电感值总共是80 nH在100 kHz时,可以得到感抗50 mΩ当频率超过100 kHz以上时,此走线将变成电感,它的电阻值可以忽略不计因此,此10公分的走线将在频率超过150 MHz时,将形成一根有效率的辐射天线因为在150 MHz时,其波长λ= 2公尺,所以λ/20 = 10公分 = 走线的长度;若频率大于150 MHz,其波长λ将变小,其1/4λ或1/2λ值将接近于走线的长度(10公分),于是逐渐形成一根完美的天线 电阻 电阻是在PCB上常见到的组件电阻的材质(碳合成、碳膜、云母、绕线型…等)限制了频率响应的作用和EMC的效果绕线型电阻并不适合于高频应用,因为在导线内存在着过多的电感碳膜电阻虽然包含有电感,但有时适合于高频应用,因为它的接脚之电感值并不大 一般人常忽略的是,电阻的封装大小和寄生电容寄生电容存在于电阻的两个终端之间,它们在极高频时,会对正常的电路特性造成破坏,尤其是频率达到GHz时不过,对大多数的应用电路而言,在电阻接脚之间的寄生电容不会比接脚电感来得重要 当电阻承受超高电压极限(overvoltage stress)考验时,必须注意电阻的变化如果在电阻上发生了「静电释放(ESD)」现象,则会发生有趣的事如果电阻是表面黏着(surface mount)组件,此电阻很可能会被电弧打穿如果电阻具有接脚,ESD会发现此电阻的高电阻(和高电感)路径,并避免进入被此电阻所保护的电路其实,真正的保护者是此电阻所隐藏的电感和电容特性 电容 电容一般是应用在电源总线(power bus),提供去耦合(decouple)、旁路(bypass)、和维持固定的直流电压和电流(bulk)之功能真正单纯的电容会维持它的电容值,直到达到自共振频率超过此自共振频率,电容特性会变成像电感一样这可以由公式:Xc=1/2πfC来说明,Xc是容抗(单位是Ω)例如:10μf的电解电容,在10 kHz时,容抗是1.6Ω;在100 MHz时,降到160μΩ因此在100 MHz时,存在着短路(short circuit)效应,这对EMC而言是很理想的但是,电解电容的电气参数:等效串联电感(equivalent series inductance;ESL)和等效串联电阻(equivalent series resistance;ESR),将会限制此电容只能在频率1 MHz以下工作 电容的使用也和接脚电感与体积结构有关,这些因素决定了寄生电感的数目和大小寄生电感存在于电容的焊线之间,它们使电容在超过自共振频率以上时,产生和电感一样的行为,电容因此失去了原先设定的功能 电感 电感是用来控制PCB内的EMI对电感而言,它的感抗是和频率成正比的这可以由公式:XL = 2πfL来说明,XL是感抗(单位是Ω)例如:一个理想的10 mH电感,在10 kHz时,感抗是628Ω;在100 MHz时,增加到6.2 MΩ因此在100 MHz时,此电感可以视为开路(open circuit)在100 MHz时,若让一个讯号通过此电感,将会造成此讯号质量的下降(这是从时域来观察)和电容一样,此电感的电气参数(线圈之间的寄生电容)限制了此电感只能在频率1 MHz以下工作 问题是,在高频时,若不能使用电感,那要使用什么呢答案是,应该使用「铁粉珠(ferrite bead)」铁粉材料是铁镁或铁镍合金,这些材料具有高的导磁系数(permeability),在高频和高阻抗下,电感内线圈之间的电容值会小铁粉珠通常只适用于高频电路,因为在低频时,它们基本上是保有电感的完整特性(包含有电阻和抗性分量),因此会造成线路上的些微损失在高频时,它基本上只具有抗性分量(jωL),并且抗性分量会随着频率上升而增加,如附图一所示实际上,铁粉珠是射频能量的高频衰减器 其实,可以将铁粉珠视为一个电阻并联一个电感在低频时,电阻被电感「短路」,电流流往电感;在高频时,电感的高感抗迫使电流流向电阻 本质上,铁粉珠是一种「耗散装置(dissipative device)」,它会将高频能量转换成热能因此,在效能上,它只能被当成电阻来解释,而不是电感 图:铁粉材料的特性

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