EMI/EMC設(shè)計(jì)PCB被動(dòng)組件的隱藏行為和特性解析

傳統(tǒng)上，EMC一直被視為“黑色魔術(shù)(black magic)”。其實(shí)，EMC是可以藉由數(shù)學(xué)公式來(lái)理解的。不過(guò)，縱使有數(shù)學(xué)分析方法可以利用，但那些數(shù)學(xué)方程式對(duì)實(shí)際的EMC電路設(shè)計(jì)而言，仍然太過(guò)復(fù) 雜了。幸運(yùn)的是，在大多數(shù)的實(shí)務(wù)工作中，工程師并不需要完全理解那些復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式和存在于EMC規(guī)范中的學(xué)理依據(jù)，只要藉由簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型，就能夠明白 要如何達(dá)到EMC的要求。

本文藉由簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式和電磁理論，來(lái)說(shuō)明在印刷電路板(PCB)上被動(dòng)組件(passive component)的隱藏行為和特性，這些都是工程師想讓所設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品通過(guò)EMC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，事先所必須具備的基本知識(shí)。

導(dǎo)線和PCB走線

導(dǎo)線(wire)、走線(trace)、固定架……等看似不起眼的組件，卻經(jīng)常成為射頻能量的最佳發(fā)射器(亦即，EMI的來(lái)源)。每一種組件都 具有電感，這包含硅芯片的焊線(bond wire)、以及電阻、電容、電感的接腳。每根導(dǎo)線或走線都包含有隱藏的寄生電容和電感。這些寄生性組件會(huì)影響導(dǎo)線的阻抗大小，而且對(duì)頻率很敏感。依據(jù) LC的值(決定自共振頻率)和PCB走線的長(zhǎng)度，在某組件和PCB走線之間，可以產(chǎn)生自共振(self-resonance)，因此，形成一根有效率的輻 射天線。

在低頻時(shí)，導(dǎo)線大致上只具有電阻的特性。但在高頻時(shí)，導(dǎo)線就具有電感的特性。因?yàn)樽兂筛哳l后，會(huì)造成阻抗大小的變化，進(jìn)而改變導(dǎo)線或PCB走線與接地之間的EMC設(shè)計(jì)，這時(shí)必需使用接地面(ground plane)和接地網(wǎng)格(ground grid)。

導(dǎo)線和PCB走線的最主要差別只在于，導(dǎo)線是圓形的，走線是長(zhǎng)方形的。導(dǎo)線或走線的阻抗包含電阻R和感抗XL = 2πfL，在高頻時(shí)，此阻抗定義為Z = R + j XL j2πfL，沒有容抗Xc = 1/2πfC存在。頻率高于100 kHz以上時(shí)，感抗大于電阻，此時(shí)導(dǎo)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(dǎo)線或走線應(yīng)該視為電感，不能再看成電阻，而且 可以是射頻天線。

大多數(shù)天線的長(zhǎng)度是等于某一特定頻率的1/4或1/2波長(zhǎng)(λ)。因此在EMC的規(guī)范中，不容許導(dǎo)線或走線在某一特定頻率的λ/20以下工作，因?yàn)檫@會(huì)使它突然地變成一根高效能的天線。電感和電容會(huì)造成電路的諧振，此現(xiàn)象是不會(huì)在它們的規(guī)格書中記載的。

例如：假設(shè)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(shí)，可以得到感抗50 mΩ。當(dāng)頻率超過(guò)100 kHz以上時(shí)，此走線將變成電感，它的電阻值可以忽略不計(jì)。因此，此10公分的走線將在頻率超過(guò)150 MHz時(shí)，將形成一根有效率的輻射天線。因?yàn)樵?50 MHz時(shí)，其波長(zhǎng)λ= 2公尺，所以λ/20 = 10公分 = 走線的長(zhǎng)度;若頻率大于150 MHz，其波長(zhǎng)λ將變小，其1/4λ或1/2λ值將接近于走線的長(zhǎng)度(10公分)，于是逐漸形成一根完美的天線。

電阻

電阻是在PCB上最常見到的組件。電阻的材質(zhì)(碳合成、碳膜、云母、繞線型…等)限制了頻率響應(yīng)的作用和EMC的效果。繞線型電阻并不適合于高頻應(yīng)用，因?yàn)樵趯?dǎo)線內(nèi)存在著過(guò)多的電感。碳膜電阻雖然包含有電感，但有時(shí)適合于高頻應(yīng)用，因?yàn)樗慕幽_之電感值并不大。

一般人常忽略的是，電阻的封裝大小和寄生電容。寄生電容存在于電阻的兩個(gè)終端之間，它們?cè)跇O高頻時(shí)，會(huì)對(duì)正常的電路特性造成破壞，尤其是頻率達(dá)到GHz時(shí)。不過(guò)，對(duì)大多數(shù)的應(yīng)用電路而言，在電阻接腳之間的寄生電容不會(huì)比接腳電感來(lái)得重要。

當(dāng)電阻承受超高電壓極限(overvoltage stress)考驗(yàn)時(shí)，必須注意電阻的變化。如果在電阻上發(fā)生了“靜電釋放(ESD)”現(xiàn)象，則會(huì)發(fā)生有趣的事。如果電阻是表面黏著(surface mount)組件，此電阻很可能會(huì)被電弧打穿。如果電阻具有接腳，ESD會(huì)發(fā)現(xiàn)此電阻的高電阻(和高電感)路徑，并避免進(jìn)入被此電阻所保護(hù)的電路。其實(shí)， 真正的保護(hù)者是此電阻所隱藏的電感和電容特性。

固定的直流電壓和電流(bulk)之功能。真正單純的電容會(huì)維持它的電容值，直 到達(dá)到自共振頻率。超過(guò)此自共振頻率，電容特性會(huì)變成像電感一樣。這可以由公式：Xc=1/2πfC來(lái)說(shuō)明，Xc是容抗(單位是Ω)。例如：10μf的電 解電容，在10 kHz時(shí)，容抗是1.6Ω;在100 MHz時(shí)，降到160μΩ。因此在100MHz時(shí)，存在著短路(short circuit)效應(yīng)，這對(duì)EMC而言是很理想的。但是，電解電容的電氣參數(shù)：等效串聯(lián)電感(equivalent series inductance;ESL)和等效串聯(lián)電阻(equivalent series resistance;ESR)，將會(huì)限制此電容只能在頻率1MHz以下工作。

電容的使用也和接腳電感與體積結(jié)構(gòu)有關(guān)，這些因素決定了寄生電感的數(shù)目和大小。寄生電感存在于電容的焊線之間，它們使電容在超過(guò)自共振頻率以上時(shí)，產(chǎn)生和電感一樣的行為，電容因此失去了原先設(shè)定的功能。

電感

電感是用來(lái)控制PCB內(nèi)的EMI。對(duì)電感而言，它的感抗是和頻率成正比的。這可以由公式：XL = 2πfL來(lái)說(shuō)明，XL是感抗(單位是Ω)。例如：一個(gè)理想的10 mH電感，在10 kHz時(shí)，感抗是628Ω;在100 MHz時(shí)，增加到6.2MΩ。因此在100 MHz時(shí)，此電感可以視為開路(open circuit)。在100MHz時(shí)，若讓一個(gè)訊號(hào)通過(guò)此電感，將會(huì)造成此訊號(hào)質(zhì)量的下降(這是從時(shí)域來(lái)觀察)。和電容一樣，此電感的電氣參數(shù)(線圈之間 的寄生電容)限制了此電感只能在頻率1 MHz以下工作。

問(wèn)題是，在高頻時(shí)，若不能使用電感，那要使用什么呢?答案是，應(yīng)該使用“鐵粉珠(ferrite bead)”。鐵粉材料是鐵鎂或鐵鎳合金，這些材料具有高的導(dǎo)磁系數(shù)(permeability)，在高頻和高阻抗下，電感內(nèi)線圈之間的電容值會(huì)最小。鐵 粉珠通常只適用于高頻電路，因?yàn)樵诘皖l時(shí)，它們基本上是保有電感的完整特性(包含有電阻和抗性分量)，因此會(huì)造成線路上的些微損失。在高頻時(shí)，它基本上只 具有抗性分量(jωL)，并且抗性分量會(huì)隨著頻率上升而增加，如附圖一所示。實(shí)際上，鐵粉珠是射頻能量的高頻衰減器。

其實(shí)，可以將鐵粉珠視為一個(gè)電阻并聯(lián)一個(gè)電感。在低頻時(shí)，電阻被電感“短路”，電流流往電感;在高頻時(shí)，電感的高感抗迫使電流流向電阻。

本質(zhì)上，鐵粉珠是一種“耗散裝置(dissipative device)”，它會(huì)將高頻能量轉(zhuǎn)換成熱能。因此，在效能上，它只能被當(dāng)成電阻來(lái)解釋，而不是電感。

圖：鐵粉材料的特性

變壓器

變壓器通常存在于電源供應(yīng)器中，此外，它可以用來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)訊號(hào)、I/O連結(jié)、供電接口做絕緣。根據(jù)變壓器種類和應(yīng)用的不同，在一次側(cè) (primary)和二次側(cè)(secondary)線圈之間，可能有屏蔽物(shield)存在。此屏蔽物連接到一個(gè)接地的參考源，是用來(lái)防止此兩組線圈 之間的電容耦合。