EMIEMC设计讲座1PCB被动组件的隐藏特性解析.pdfVIP

电子发烧友 电子技术论坛 EMI/EMC 设计讲座--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。 电子发烧友 电子技术论坛 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（