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PCB被动组件的隐藏特性

来源:芯片解密-龙芯世纪   时间:2009-09-18   阅读:1522

  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。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EMC电路设计而言,仍然太过复杂了。幸运是,在大多数实务工作中,工程师并不需要完全理解那些复杂数学公式和存在于EMC规范中学理依据,只要藉由简单数学模型,就能够明白要如何达到EMC要求。
  本文藉由简单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)隐藏行为和特性,这些都是工程师想让所设计电子产品通过EMC标准时,事先所必须具备基本知识。
  导线和PCB走线
  导线(wire)、走线(trace)、固定架……等看似不起眼组件,却经常成为射频能量最佳发射器(亦即,EMI来源)。每一种组件都具有电感,这包含硅芯片焊线(bond wire)、以及电阻、电容、电感接脚。每根导线或走线都包含有隐藏寄生电容和电感。这些寄生性组件会影响导线阻抗大小,而且对频率很敏感。依据LC值(决定自共振频率)和PCB 走线长度,在某组件和PCB 走线之间,可以产生自共振(self-resonance),因此,形成一根有效率辐射天线。
  在低频时,导线大致上只具有电阻特性。但在高频时,导线就具有电感特性。因为变成高频后,会造成阻抗大小变化,进而改变导线或PCB走线与接地之间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走线最主要差别只在于,导线是圆形,走线是长方形。导线或走线阻抗包含电阻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连接线,而是电感。一般而言,在音频以上工作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。
  大多数天线长度是等于某一特定频率1/4或1/2波长(λ)。因此在EMC规范中,不容许导线或走线在某一特定频率λ/20以下工作,因为这会使它突然地变成一根高效能天线。电感和电容会造成电路谐振,此现象是不会在它们规格书中记载。
  例如:假设有一根10公分走线,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,它电阻值可以忽略不计。因此,此10公分走线将在频率超过150 MHz时,将形成一根有效率辐射天线。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值将接近于走线长度(10公分),于是逐渐形成一根完美天线。
  电阻
  电阻是在PCB 上最常见到组件。电阻材质(碳合成、碳膜、云母、绕线型…等)限制了频率响应作用和EMC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,因为它接脚之电感值并不大。
  一般人常忽略是,电阻封装大小和寄生电容。寄生电容存在于电阻两个终端之间,它们在极高频时,会对正常电路特性造成破坏,尤其是频率达到GHz时。不过,对大多数应用电路而言,在电阻接脚之间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,必须注意电阻变化。如果在电阻上发生了「静电释放(ESD)」现象,则会发生有趣事。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会发现此电阻高电阻(和高电感)路径,并避免进入被此电阻所保护电路。其实,真正保护者是此电阻所隐藏电感和电容特性。
  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)、和维持固定直流电压和电流(bulk)之功能。真正单纯电容会维持它电容值,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。但是,电解电容电气参数: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数目和大小。寄生电感存在于电容焊线之间,它们使电容在超过自共振频率以上时,产生和电感一样行为,电容因此失去了原先设定功能。
  电感
  电感是用来控制PCB内EMI <http://www.pcbfans.cn/article/Category67/>。对电感而言,它感抗是和频率成正比。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下降(这是从时域来观察)。和电容一样,此电感电气参数(线圈之间寄生电容)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(ferrite bead)」。铁粉材料是铁镁或铁镍合金,这些材料具有高导磁系数(permeability),在高频和高阻抗下,电感内线圈之间电容值会最小。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完整特性(包含有电阻和抗性分量),因此会造成线路上些微损失。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,电感高感抗迫使电流流向电阻。
  本质上,铁粉珠是一种「耗散装置(dissipative 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。
  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参考源,是用来防止此两组线圈之间电容耦合。
  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结,以传递能量。其结果是,通过一次侧线圈CM电压会被排拒,因此达到共模绝缘目。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,因此破坏了电路绝缘效果。若有足够寄生电容存在话,高频射频能量(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电路,也会接收到此瞬间变化高电压或高电流。
  上面已经针对各种被动组件隐藏特性做了详尽说明,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Maxwell方程式。Maxwell四个方程式说明了电场和磁场之间关系,而且它们是从Ampere定律、Faraday定律、和Gauss定律推论而来。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特性,而且需要使用高等微积分来计算。因为Maxwell方程式非常复杂,在此仅做简要说明。其实,PCB布线工程师并不需要完全了解Maxwell方程式详细知识,只要了解其中重点,就能完成EMC设计。
  此外,与Maxwell方程式相关基本物理观念有:
  ●Maxwell方程式说明了电荷、电流、磁场和电场之间交互作用。
  ●可用「Lorentz力」来形容电场和磁场施加在带电粒子上物理作用力。
  ●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):电流与电场关系(物质奥姆定律):J=σE。
  2. 导磁系数:磁通量和磁场关系:B=μH。
  3. 介电常数(dielectric constant):电荷储存和一个电场关系:D=εE。
  J = 传导电流密度,A/m2
  σ= 物质导电率
  E = 电场强度,V/m
  D = 电通量密度,coulombs/ m2
  ε= 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
  μ= 媒材导磁系数,H/m
  依据Gauss定律,Maxwell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累积,所产生静电场(electrostatic field)E。这种现象,最好在两个边界之间做观察:导电和不导电。根据Gauss定律,在边界条件下行为,会产生导电围笼(也称作Faraday cage),充当成一个静电屏蔽。在一个被Faraday箱包围封闭区域,其外部四周电磁波是无法进入此区域。若在Faraday箱内有一个电场存在,则在其边界处,此电场所产生电荷是集中在边界内侧。在边界外侧电荷会被内部电场排拒在外。
  Maxwell第二方程式表示,在自然界没有磁荷(magnetic 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,目前统一场理论(Grand Unified Theory)预测有很少磁荷存在,但迄今都无法从实验中证明。这些电荷是带正电或负电。磁场是透过电流和电场作用产生。由于电流和电场发射,使它们成为辐射能量来源点。磁场在电流四周形成一个封闭循环,而磁场是由电流产生。
  Maxwell第三方程式也称作「感应Faraday定律」,说明当磁场环绕着一个封闭电路时,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。第三方程式表示变动磁场会产生电场。磁场通常存在于变压器或线圈,例如:马达、发电机…等。第三和第四方程式交互作用,正是EMC主要焦点。两者一起来说,它们说明了耦合电场和磁场是如何以光速辐射或传播。这个方程式也说明了「集肤效应(skin effect)」概念,它可以预测「磁屏蔽(magnetic shielding)」有效性。此外,它也说明了电感特性,而电感允许天线能合理地存在。
  Maxwell第四方程式也称作Ampere定律。此方程式说明了产生磁场两个来源。第一个来源是,电流以传输电荷形式在流动。第二个来源是,当变动电场环绕着一个封闭电路时,会产生磁场。这些电和磁来源,说明了电感和电磁作用。在此方程式中,J就代表以电流产生磁场分量;就是以电场产生磁场分量。
  综合而言,Maxwell方程式可以说明在PCB中,EMI 是如何产生。PCB是一个会随时间改变电流大小环境,而这些微积分方程式正是要对发生EMI 根源做解析。静电荷分布会产生静电场,而不是磁场。固定电流会同时产生静磁场和静电场。时变(time-varying)电流会同时产生电场和磁场。
  静电场会储存能量,这是电容基本功能:累积和保有电荷。固定电流源是电感基本功能和概念。
  电和磁来源
  前面已经提到,变动中电流会产生磁场,静电荷分布会产生电场,下面将进一步讨论电流和辐射电场之间关系。我们必须检视电流源结构,并观察它是如何影响辐射讯号。此外,我们也必须要注意,当距离电流源越远时,讯号强度会越低。
  时变电流存在于两种结构中:1.磁来源(是封闭回路),2.电来源(是双极天线)。首先探讨磁来源。
  一个电路包含有一个频率源(振荡器)和一个负载。我们可以看到有一个回传电流(return current),在此电路沿着封闭回路流动着。这个封闭回路是由PCB走线和射频电流回传路径组成。我们可以利用仿真软件,来建立此讯号走线模型,并评估此模型所产生辐射电场。此回路所产生电场是下面四个变量函数。
  1.回路中电流振幅:电场大小和存在于讯号走线电流大小成正比。
  2.回路极性和测量装置关系:如果测量装置天线也是呈回路状(loop),回路电流极性必须和测量装置天线之极性相同,如此才能测量到正确回路电流。例如:如果测量装置是使用双极(dipole)天线,则回路电流3.回路大小:如果回路非常小(比回路讯号或工作频率波长小很多),则电磁场强度将和回路面积成正比。如果回路越大,在天线端所测量到频率就越低。对特定回路面积而言,此天线会在特定频率下共振。
  4.距离:电磁场强度下降比率,是决定于来源端和天线之间距离。此外,此距离也决定所产生是电场或者是磁场。当距离比较短时,磁场强度和距离平方成反比。当距离比较长时,会出现一个电磁平面波(plane wave)。此平面波强度和距离成正比。在平面波上,电场向量和磁场向量相交点位置,大约在1/6波长地方(也可使用λ/2π来表示,波长(λ)= 300/f)。1/6波长和EMI 点源(point source)」相关,「点源」是指电磁波发射起源。接收端天线越大,1/6波长值可以越大。
  EMC设计和大多数电子工程设计一样,是需要细心思虑的。读者应该参照平时所执行EMC实务工作,如此就可能会发现许多过去未曾注意到地方,而这些地方往往就是EMI 最容易发生错误的地方。
  使用良好EMI 模拟工具虽然可以协助我们快速地达成任务;但若过度依赖这些工具,恐怕会在一些非常特殊情况或环境下,无法举一反三。所以,拥有深厚理论基础,将可以弥补常态实务工作之不足。