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1、EMI/EMC设计讲座(一)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
2、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
3、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 = 2fL,在高频时,此阻抗定义为Z = R + j XL j2fL,没有容抗Xc = 1/2fC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()。
4、因此在EMC的规范中,不容许导线或走线在某一特定频率的/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,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。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= 2公尺,所以/20 = 10公分 = 走线的长度;若频率大于150 MHz,其波长将变小,其1/4或
5、1/2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。 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 st
6、ress)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(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=1/2
7、fC来说明,Xc是容抗(单位是)。例如:10f的电解电容,在10 kHz时,容抗是1.6;在100 MHz时,降到160。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;ES L)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
8、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 = 2fL来说明,XL是感抗(单位是)。例如:一个理想的10 mH电感,在10 kHz时,感抗是628;在100 MHz时,增加到6.2 M。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,
9、应该使用铁粉珠(ferrite 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(jL),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(dissipa
10、tive 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。 图一:铁粉材料的特性 变压器 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。 变压器也广泛地用来提供共模(common mode;CM)绝缘。这些装置根据通过其输入端的差模(differential mode;DM)讯号,来将一次侧线圈和二次侧线圈产生磁性连
11、结,以传递能量。其结果是,通过一次侧线圈的CM电压会被排拒,因此达到共模绝缘的目的。不过,在制造变压器时,在一次侧和二次侧线圈之间,会有讯号源电容存在。当电路频率增加时,电容耦合能力也会增强,因此破坏了电路的绝缘效果。若有足够的寄生电容存在的话,高频的射频能量(来自快速瞬变、ESD、雷击等)可能会通过变压器,导致在绝缘层另一端的电路,也会接收到此瞬间变化的高电压或高电流。 上面已经针对各种被动组件的隐藏特性做了详尽的说明,底下将解释为何这些隐藏特性会在PCB中造成EMI。 浅谈电磁理论 上述的被动组件具有隐藏特性,而且会在PCB中产生射频能量,但为何会如此呢?为了了解其原由,必须明白Maxwe
12、ll方程式。Maxwell的四个方程式说明了电场和磁场之间的关系,而且它们是从Ampere定律、Faraday定律、和Gauss定律推论而来的。这些方程式描述了在一个闭回路环境中,电磁场强度和电流密度的特性,而且需要使用高等微积分来计算。因为Maxwell方程式非常的复杂,在此仅做简要的说明。其实,PCB布线工程师并不需要完全了解Maxwell方程式的详细知识,只要了解其中的重点,就能完成EMC设计。完整的Maxwell方程式条列如下: 第一定律:电通量(electric flux)(来自Gauss定律) 第二定律:磁通量(magnetic flux)(来自Gauss定律) 第三定律:电位(e
13、lectric potential)(来自Faraday定律) 第四定律:电流(electric current)(来自Ampere定律) 在上述的方程式中,J、E、B、H是向量。此外,与Maxwell方程式相关的基本物理观念有: Maxwell方程式说明了电荷、电流、磁场和电场之间的交互作用。 可用Lorentz力来形容电场和磁场施加在带电粒子上的物理作用力。 所有物质对其它物质都具有一种组成关系。这包含: 1. 导电率(conductivity):电流与电场的关系(物质的奥姆定律):J=E。 2. 导磁系数:磁通量和磁场的关系:B=H。 3. 介电常数( dielectric consta
14、nt):电荷储存和一个电场的关系:D=E。 J = 传导电流密度,A/m2 = 物质的导电率 E = 电场强度,V/m D = 电通量密度,coulombs/ m2 = 真空电容率(permittivity),8.85 pF/m B = 磁通量密度,Weber/ m2或Tesla H = 磁场,A/m = 媒材的导磁系数,H/m 依据Gauss定律,Maxwell的第一方程式也称作分离定理(divergence theorem)。它可以用来说明由于电荷的累积,所产生的静电场(electrostatic field)E。这种现象,最好在两个边界之间做观察:导电的和不导电的。根据Gauss定律,在
15、边界条件下的行为,会产生导电的围笼(也称作Faraday cage),充当成一个静电的屏蔽。在一个被Faraday箱包围的封闭区域,其外部四周的电磁波是无法进入此区域的。若在Faraday箱内有一个电场存在,则在其边界处,此电场所产生的电荷是集中在边界内侧的。在边界外侧的电荷会被内部电场排拒在外。 Maxwell的第二方程式表示,在自然界没有磁荷(mag netic charge)存在,只有电荷存在,也就是说没有单一磁极(magnetic monopole)存在。虽然,目前的统一场理论(Grand Unified Theory)预测有很少的磁荷存在,但迄今都无法从实验中证明。这些电荷是带正电的或负电的。磁场是透过电流和电场的作用产生的。由于电流和电场的发射,使它们成为辐射能量的来源点。磁场在电流四周形成一个封闭的循环,而磁场是由电流产生的。 Maxwell的第三方程式也称作感应的Faraday定律,说明当磁场环绕着一个封闭的电路时,此磁场会使此封闭电路产生电流。第三方程式和第四方程式是相伴的。第三方程式表示变动的磁场会产生电场。磁场通常存在于变压器或线圈,例如:马达、发电机等。