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EMI/EMC設計PCB被動組件的隱藏特性解析

  傳統上,EMC一直被視為「黑色魔術(blackmagic)」。其實,EMC是可以藉由數學公式來理解的。不過,縱使有數學分析方法可以利用,但那些數學方程式對實際的EMC電路設計而言,仍然太過復雜了。幸運的是,在大多數的實務工作中,工程師并不需要完全理解那些復雜的數學公式和存在于EMC規范中的學理依據,只要藉由簡單的數學模型,就能夠明白要如何達到EMC的要求。

  本文藉由簡單的數學公式和電磁理論,來說明在印刷電路板(PCB)上被動組件(passivecomponent)的隱藏行為和特性,這些都是工程師想讓所設計的電子產品通過EMC標準時,事先所必須具備的基本知識。

  導線和PCB走線

  導線(wire)、走線(trace)、固定架……等看似不起眼的組件,卻經常成為射頻能量的最佳發射器(亦即,EMI的來源)。每一種組件都具有電感,這包含硅芯片的焊線(bondwire)、以及電阻、電容、電感的接腳。每根導線或走線都包含有隱藏的寄生電容和電感。這些寄生性組件會影響導線的阻抗大小,而且對頻率很敏感。依據LC的值(決定自共振頻率)和PCB走線的長度,在某組件和PCB走線之間,可以產生自共振(self-resonance),因此,形成一根有效率的輻射天線。

  在低頻時,導線大致上只具有電阻的特性。但在高頻時,導線就具有電感的特性。因為變成高頻后,會造成阻抗大小的變化,進而改變導線或PCB走線與接地之間的EMC設計,這時必需使用接地面(groundplane)和接地網格(groundgrid)。

  導線和PCB走線的最主要差別只在于,導線是圓形的,走線是長方形的。導線或走線的阻抗包含電阻R和感抗XL=2πfL,在高頻時,此阻抗定義為Z=R+jXLj2πfL,沒有容抗Xc=1/2πfC存在。頻率高于100kHz以上時,感抗大于電阻,此時導線或走線不再是低電阻的連接線,而是電感。一般而言,在音頻以上工作的導線或走線應該視為電感,不能再看成電阻,而且可以是射頻天線。

  大多數天線的長度是等于某一特定頻率的1/4或1/2波長(λ)。因此在EMC的規范中,不容許導線或走線在某一特定頻率的λ/20以下工作,因為這會使它突然地變成一根高效能的天線。電感和電容會造成電路的諧振,此現象是不會在它們的規格書中記載的。

  例如:假設有一根10公分的走線,R=57mΩ,8nH/cm,所以電感值總共是80nH。在100kHz時,可以得到感抗50mΩ。當頻率超過100kHz以上時,此走線將變成電感,它的電阻值可以忽略不計。因此,此10公分的走線將在頻率超過150MHz時,將形成一根有效率的輻射天線。因為在150MHz時,其波長λ=2公尺,所以λ/20=10公分=走線的長度;若頻率大于150MHz,其波長λ將變小,其1/4λ或1/2λ值將接近于走線的長度(10公分),于是逐漸形成一根完美的天線。

  電阻

  電阻是在PCB上最常見到的組件。電阻的材質(碳合成、碳膜、云母、繞線型…等)限制了頻率響應的作用和EMC的效果。繞線型電阻并不適合于高頻應用,因為在導線內存在著過多的電感。碳膜電阻雖然包含有電感,但有時適合于高頻應用,因為它的接腳之電感值并不大。

  一般人常忽略的是,電阻的封裝大小和寄生電容。寄生電容存在于電阻的兩個終端之間,它們在極高頻時,會對正常的電路特性造成破壞,尤其是頻率達到GHz時。不過,對大多數的應用電路而言,在電阻接腳之間的寄生電容不會比接腳電感來得重要。

  當電阻承受超高電壓極限(overvoltagestress)考驗時,必須注意電阻的變化。如果在電阻上發生了「靜電釋放(ESD)」現象,則會發生有趣的事。如果電阻是表面黏著(surfacemount)組件,此電阻很可能會被電弧打穿。如果電阻具有接腳,ESD會發現此電阻的高電阻(和高電感)路徑,并避免進入被此電阻所保護的電路。其實,真正的保護者是此電阻所隱藏的電感和電容特性。

  電容

  電容一般是應用在電源總線(powerbus),提供去耦合(decouple)、旁路(bypass)、和維持固定的直流電壓和電流(bulk)之功能。真正單純的電容會維持它的電容值,直到達到自共振頻率。超過此自共振頻率,電容特性會變成像電感一樣。這可以由公式:Xc=1/2πfC來說明,Xc是容抗(單位是Ω)。例如:10μf的電解電容,在10kHz時,容抗是1.6Ω;在100MHz時,降到160μΩ。因此在100MHz時,存在著短路(shortcircuit)效應,這對EMC而言是很理想的。但是,電解電容的電氣參數:等效串聯電感(equivalentseriesinductance;ESL)和等效串聯電阻(equivalentseriesresistance;ESR),將會限制此電容只能在頻率1MHz以下工作。

  電容的使用也和接腳電感與體積結構有關,這些因素決定了寄生電感的數目和大小。寄生電感存在于電容的焊線之間,它們使電容在超過自共振頻率以上時,產生和電感一樣的行為,電容因此失去了原先設定的功能。

  電感

  電感是用來控制PCB內的EMI。對電感而言,它的感抗是和頻率成正比的。這可以由公式:XL=2πfL來說明,XL是感抗(單位是Ω)。例如:一個理想的10mH電感,在10kHz時,感抗是628Ω;在100MHz時,增加到6.2MΩ。因此在100MHz時,此電感可以視為開路(opencircuit)。在100MHz時,若讓一個訊號通過此電感,將會造成此訊號質量的下降(這是從時域來觀察)。和電容一樣,此電感的電氣參數(線圈之間的寄生電容)限制了此電感只能在頻率1MHz以下工作。

  問題是,在高頻時,若不能使用電感,那要使用什么呢?答案是,應該使用「鐵粉珠(ferritebead)」。鐵粉材料是鐵鎂或鐵鎳合金,這些材料具有高的導磁系數(permeability),在高頻和高阻抗下,電感內線圈之間的電容值會最小。鐵粉珠通常只適用于高頻電路,因為在低頻時,它們基本上是保有電感的完整特性(包含有電阻和抗性分量),因此會造成線路上的些微損失。在高頻時,它基本上只具有抗性分量(jωL),并且抗性分量會隨著頻率上升而增加,如附圖一所示。實際上,鐵粉珠是射頻能量的高頻衰減器。

PT老虎机   其實,可以將鐵粉珠視為一個電阻并聯一個電感。在低頻時,電阻被電感「短路」,電流流往電感;在高頻時,電感的高感抗迫使電流流向電阻。

  本質上,鐵粉珠是一種「耗散裝置(dissipativedevice)」,它會將高頻能量轉換成熱能。因此,在效能上,它只能被當成電阻來解釋,而不是電感。

  變壓器

  變壓器通常存在于電源供應器中,此外,它可以用來對數據訊號、I/O連結、供電接口做絕緣。根據變壓器種類和應用的不同,在一次側(primary)和二次側(secondary)線圈之間,可能有屏蔽物(shield)存在。此屏蔽物連接到一個接地的參考源,是用來防止此兩組線圈之間的電容耦合。

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