EMIEMC设计讲座（一）.PDF

EMI/EMC 设计讲座（一） PCB 被动组件的隐藏特性解析 Wang 1jin 收集. 个人博客: /blog/wang 1jin/ 个人博客有不少资料,希望对大家有用也感谢大家支持… 推荐网站: 推荐网站: 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 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最佳 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 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 ）和接地网格 （ground grid ）。 导线和PCB 走线的最主 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 = 2 πfL，在高频时，此阻抗定义为Z = R + j XL j2 πfL，没有容抗 Xc = 1/2 πfC 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 m Ω，8 nH/cm，所以电感值总共是80 nH 。在100 kHz 时，可以得到感抗50 m Ω。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1/4 λ或1/2 λ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 上最常见到的组件。电阻的材质 （碳合成、碳 、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 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 。 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 （po