印刷电路板PCB被动组件的隐藏特性分析
0 2022-09-28

传统上,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()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,这包含硅芯片的焊线(bond wire)、以及、、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、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)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(decouple)、旁路(bypass)、和维持固定的直流电压和(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EMC而言是很理想的。但是,电解电容的电气参数:等效串联电感(equivalent series inductance;ESL)和等效串联电阻(equivalent series resistance;ESR),将会限制此电容只能在频率1 MHz以下工作。

电容的使用也和接脚电感与体积结构有关,这些因素决定了寄生电感的数目和大小。寄生电感存在于电容的焊线之间,它们使电容在超过自共振频率以上时,产生和电感一样的行为,电容因此失去了原先设定的功能。

电感

电感是用来控制PCB内的EMI。对电感而言,它的感抗是和频率成正比的。这可以由公式:XL = 2πfL来说明,XL是感抗(单位是Ω)。例如:一个理想的10 mH电感,在10 kHz时,感抗是628Ω;在100 MHz时,增加到6.2 MΩ。因此在100 MHz时,此电感可以视为开路(open circuit)。在100 MHz时,若让一个讯号通过此电感,将会造成此讯号质量的下降(这是从时域来观察)。和电容一样,此电感的电气参数(线圈之间的寄生电容)限制了此电感只能在频率1 MHz以下工作。

问题是,在高频时,若不能使用电感,那要使用什么呢?答案是,应该使用「铁粉珠(ferri bead)」。铁粉材料是铁镁或铁镍合金,这些材料具有高的导磁系数(permeability),在高频和高阻抗下,电感内线圈之间的电容值会最小。铁粉珠通常只适用于高频电路,因为在低频时,它们基本上是保有电感的完整特性(包含有电阻和抗性分量),因此会造成线路上的些微损失。在高频时,它基本上只具有抗性分量(jωL),并且抗性分量会随着频率上升而增加,如附图一所示。实际上,铁粉珠是射频能量的高频衰减器。

其实,可以将铁粉珠视为一个电阻并联一个电感。在低频时,电阻被电感「短路」,电流流往电感;在高频时,电感的高感抗迫使电流流向电阻。

本质上,铁粉珠是一种「耗散装置(dissipave device)」,它会将高频能量转换成热能。因此,在效能上,它只能被当成电阻来解释,而不是电感。

印刷电路板PCB被动组件的隐藏特性分析

图:铁粉材料的特性

变压器通常存在于电源供应器中,此外,它可以用来对数据讯号、I/O连结、供电接口做绝缘。根据变压器种类和应用的不同,在一次侧(primary)和二次侧(secondary)线圈之间,可能有屏蔽物(shield)存在。此屏蔽物连接到一个接地的参考源,是用来防止此两组线圈之间的电容耦合。

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