资料介绍
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。
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