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EMI / EMC设计讲座(一)PCB被动元件隐藏特性解析
EMI / EMC設計講座(一)PCB被動元件的隱藏特性解析EMC一直被視為「黑色魔術(black magic)」。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,仍然太過複雜了。幸運的是,在大多數的實務工作中,工程師並不需要完全理解那些複雜的數學公式和存在於EMC規範中的學理依據,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)上被動元件(passive component)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……等看似不起眼的元件,卻經常成為射頻能量的最佳發射器(亦即,EMI的來源)。每一種元件都具有電感,這包含矽晶片的銲線(bond wire)、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。這些寄生性元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,在某元件和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。因為變成高頻後,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(ground plane)和接地網格(ground grid)。導線和PCB走線的最主要差別只在於,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 + j XL j2πfL,沒有容抗Xc = 1/2πfC存在。頻率高於100 kHz以上時,感抗大於電阻,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於某一特定頻率的1/4或1/2波長(λ)。因此在EMC的規範中,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 = 57 mΩ,8 nH/cm,所以電感值總共是80 nH。在100 kHz時,可以得到感抗50 mΩ。當頻率超過100 kHz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150 MHz時,將形成一根有效率的輻射天線。因為在150 MHz時,其波長λ= 2公尺,所以λ/20 = 10公分 = 走線的長度;若頻率大於150 MHz,其波長λ將變小,其1/4λ或1/2λ值將接近於走線的長度(10公分),於是逐漸形成一根完美的天線。
電阻電阻是在PCB上最常見到的元件。電阻的材質(碳合成、碳膜、雲母、繞線型…等)限制了頻率響應的作用和EMC的效果。繞線型電阻並不適合於高頻應用,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,但有時適合於高頻應用,因為它的接腳之電感值並不大。一般人常忽略的是,電阻的封裝大小和寄生電容。寄生電容存在於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(overvoltage stress)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(surface mount)元件,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,並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匯流排(power bus),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10 kHz時,容抗是1.6Ω;在100 MHz時,降到160μΩ。因此在100 MHz時,存在著短路(short circuit)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(equivalent series inductance;ESL)和等效串聯電阻
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