导线和PCB走线-硬件和射频工程师交流社区.PDF

EMI / EMC 设计（一）被动元件的隐藏特性解析 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。 导线和 PCB走线 导线（wire）、走线（trace）、固定架……等看似不起眼的元件，却经常成为射频能量的 最佳发射器（亦即，EMI 的来源）。每一种元件都具有电感，这包含硅晶片的焊线（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 性元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，在某元件和 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 上最常见到的元件。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）元件，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汇流排（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 EM