Leiterplatte Blog - Analyse von versteckten Eigenschaften von passiven Komponenten der Leiterplatte

Dieser Artikel verwendet einfache mathematische Formeln und elektromagnetische Theorie, um das verborgene Verhalten und die Eigenschaften von passiven Komponenten auf Leiterplatte. Dies sind die Grundkenntnisse, die Ingenieure im Vorfeld bei der Entwicklung elektronischer Produkte haben müssen, um die EMV-Norm zu erfüllen. . Traditionell, EMV gilt als schwarze Magie. In der Tat, EMV kann durch mathematische Formeln verstanden werden. Allerdings, auch wenn mathematische Analysemethoden verwendet werden können, Diese mathematischen Formeln sind immer noch zu viel für das eigentliche EMV-Schaltungsdesign. Zu kompliziert. Glücklicherweise, in den meisten praktischen Arbeiten, Ingenieure müssen die komplexen mathematischen Formeln und die theoretischen Grundlagen der EMV-Spezifikation nicht vollständig verstehen, solange einfache mathematische Modelle verwendet werden, Sie können verstehen, wie man EMV-Anforderungen erfüllt.

1. Draht und Leiterplatte Spuren

Scheinbar unauffällige Bauteile wie Drähte, Leiterbahnen, Vorrichtungen usw. werden oft zu Sendern von HF-Energie (dh EMI). Jede Komponente hat einen Induktor, der die Bonddrähte des Siliziumchips und die Pins der Widerstände, Kondensatoren und Induktoren umfasst. Jeder Draht oder jede Spur enthält versteckte parasitäre Kapazität und Induktivität. Diese parasitären Komponenten beeinflussen die Impedanz des Drahtes und sind empfindlich auf Frequenz. Abhängig vom LC-Wert (der die Selbstresonanzfrequenz bestimmt) und der Länge der Leiterplattenstrecke kann zwischen einer Komponente und der Leiterplattenstrecke Selbstresonanz auftreten und so eine effiziente Strahlungsantenne bilden. Bei niedrigen Frequenzen ist der Draht in etwa nur widerstandsfähig. Aber bei hohen Frequenzen hat der Draht die Eigenschaften der Induktivität. Denn nachdem es Hochfrequenz geworden ist, verursacht es die Änderung der Impedanz und ändert dann das EMV-Design zwischen der Draht- oder Leiterplattenführung und der Masse. Zu diesem Zeitpunkt müssen die Bodenebene und das Bodengitter verwendet werden. Der Hauptunterschied zwischen Drähten und Leiterplattenspuren besteht darin, dass die Drähte rund und die Leiterbahnen rechteckig sind. Die Impedanz eines Drahtes oder Leiters besteht aus Widerstand R und induktivem Reaktanz XL.2πfL, bei hohen Frequenzen ist diese Impedanz als Z.R,j XL j2πfL definiert, und es existiert kein kapazitiver Reaktanz Xc,1/2πfC. Wenn die Frequenz höher als 100 kHz ist, ist der induktive Reaktanz größer als der Widerstand. Zu diesem Zeitpunkt ist der Draht oder die Leiterbahn kein niederohmiger Verbindungsdraht mehr, sondern eine Induktivität. Im Allgemeinen sollten Drähte oder Leiterbahnen, die über Audio arbeiten, als induktiv betrachtet werden und können nicht mehr als Widerstand betrachtet werden und können eine HF-Antenne sein. Die Länge der meisten Antennen ist gleich 1/4 oder 1/2 Wellenlänge (Î) einer bestimmten Frequenz. Daher dürfen in EMV-Spezifikationen Drähte oder Leiterbahnen nicht unter Î"/20 einer bestimmten Frequenz arbeiten, da sie dadurch plötzlich zu einer Hochleistungsantenne werden würden. Induktivität und Kapazität verursachen Schaltungsresonanz, die in ihren Spezifikationen nicht dokumentiert ist. Beispiel: Nehmen wir eine 10-cm-Spur an, R.57 mΩ, 8 NH/cm, also ist die Gesamtinduktivität 80 NH. Bei 100 kHz wird eine induktive Reaktanz von 50 mΩ erhalten. Bei Frequenzen über 100 kHz wird diese Spur induktiv und ihr Widerstandswert ist vernachlässigbar. Daher bildet diese 10-cm-Spur eine effiziente Strahlungsantenne bei Frequenzen über 150 MHz. Weil bei 150 MHz seine Wellenlänge Î" = 2 Meter, also Î"/20,10 cm die Länge der Spur entspricht; Wenn die Frequenz größer als 150 MHz ist, wird ihre Wellenlänge Î" kleiner, und es ist 1/4Î" oder 1/2Î" Wert wird nah an der Länge der Spur (10 cm), so dass eine perfekte Antenne allmählich gebildet wird.

2. Widerstand

Widerstände sind gängige Komponenten auf Leiterplatten. Das Material des Widerstands (Kohlenstoffverbund, Kohlenstofffilm, Glimmer, Drahtgewickelt usw.) begrenzt die Wirkung des Frequenzgangs und die Wirkung der EMV. Drahtwiderstände sind nicht für Hochfrequenzanwendungen geeignet, da zu viel Induktivität im Draht vorhanden ist. Obwohl der Kohlenstofffilmwiderstand Induktivität enthält, ist er manchmal für Hochfrequenzanwendungen geeignet, da der Induktivitätswert seiner Stifte nicht groß ist. Was die meisten Menschen oft übersehen, ist die Gehäusegröße und parasitäre Kapazität des Widerstands. Zwischen den beiden Anschlüssen eines Widerstands existieren parasitische Kapazitäten, die normale Schaltungseigenschaften bei sehr hohen Frequenzen, insbesondere bis zu GHz, stören können. Bei den meisten Anwendungsschaltungen ist die parasitäre Kapazität zwischen den Widerstandsstiften jedoch nicht wichtiger als die Pin-Induktivität. Wenn der Widerstand der Prüfung der Höchstspannungsgrenze unterzogen wird, muss auf die Änderung des Widerstands geachtet werden. Interessante Dinge können passieren, wenn eine elektrostatische Entladung auf einem Widerstand auftritt. Wenn der Widerstand eine oberflächenmontierte Komponente ist, wird der Widerstand wahrscheinlich durch Lichtbögen durchbrochen. Wenn der Widerstand Pins hat, findet der ESD einen Pfad mit hohem Widerstand (und hoher Induktivität) für den Widerstand und vermeidet das Eindringen in die durch den Widerstand geschützte Schaltung. Tatsächlich ist der eigentliche Schutz die versteckten induktiven und kapazitiven Eigenschaften dieses Widerstands.

3. Kondensator

Kondensatoren werden im Allgemeinen auf den Strombus angewendet, um Entkopplung, Umgehung und Aufrechterhaltung einer konstanten Gleichspannung und Strom zu gewährleisten. Ein wirklich reiner Kondensator behält seinen Kapazitätswert bei, bis die Eigenresonanzfrequenz erreicht ist. Jenseits dieser selbstresonanten Frequenz wird das kapazitive Verhalten wie ein Induktor. Dies kann durch die Formel Xc=1/2πfC veranschaulicht werden, wobei Xc die kapazitive Reaktanz ist (in Ω). Zum Beispiel: für einen 10μf Elektrolytkondensator bei 10 kHz beträgt der kapazitive Reaktanz 1,6Ω; Bei 100 MHz fällt es auf 160ÎΩ. So kommt es bei 100 MHz zu einem Kurzschlusseffekt, der ideal für EMV ist. Die elektrischen Parameter von Elektrolytkondensatoren: äquivalente Serieninduktivität und äquivalenter Serienwiderstand begrenzen diesen Kondensator jedoch nur unter 1 MHz zu arbeiten. Die Verwendung von Kondensatoren hängt auch mit der Pin-Induktivität und der Volumenstruktur zusammen, die die Anzahl und Größe parasitärer Induktivitäten bestimmen. Zwischen den Bonddrähten des Kondensators existiert parasitische Induktivität, und sie bewirken, dass sich der Kondensator wie der Induktor verhält, wenn er die Selbstresonanzfrequenz überschreitet, und der Kondensator verliert seine ursprüngliche Funktion.

4. Induktivität

Induktoren werden verwendet, um EMI innerhalb der Leiterplatte zu steuern. Bei einem Induktor ist seine induktive Reaktanz proportional zur Frequenz. Dies kann durch die Formel veranschaulicht werden: XL.2πfL, wobei XL die induktive Reaktanz (in Ω) ist. Zum Beispiel eine ideale 10-mH-Induktivität, bei 10 kHz, die Induktivität ist 628Ω; Bei 100 MHz steigt er auf 6,2 MΩ. Bei 100 MHz kann dieser Induktor also als offener Stromkreis betrachtet werden. Bei 100 MHz führt das Durchleiten eines Signals durch diesen Induktor zu einer Verschlechterung der Signalqualität (dies wird im Zeitbereich beobachtet). Wie der Kondensator begrenzen die elektrischen Parameter dieses Induktors (parasitäre Kapazität zwischen den Spulen) den Betrieb dieses Induktors auf Frequenzen unter 1 MHz. Die Frage ist, bei hohen Frequenzen, wenn Sie keine Induktivität verwenden können, was sollten Sie verwenden? Die Antwort ist, dass Eisenpulverperlen verwendet werden sollten. Eisenpulvermaterialien sind Eisen-Magnesium- oder Eisen-Nickel-Legierungen, diese Materialien haben eine hohe magnetische Permeabilität, und bei hoher Frequenz und hoher Impedanz wird der Kapazitätswert zwischen den Spulen im Induktor reduziert. Eisenpulverperlen sind in der Regel nur für Hochfrequenzschaltungen geeignet, da sie bei niedrigen Frequenzen im Grunde die vollständigen Eigenschaften der Induktivität behalten (einschließlich widerstandsfähiger und reaktiver Komponenten), so dass sie einige Verluste auf der Leitung verursachen. Bei hohen Frequenzen hat es im Grunde nur eine resistive Komponente (jÏ­L), und die resistive Komponente nimmt mit der Frequenz zu. In der Tat sind Eisenpulverperlen Hochfrequenzschwächer für HF-Energie. Tatsächlich kann die Eisenpulver-Kugel als Widerstand betrachtet werden, der parallel mit einer Induktivität verbunden ist. Bei niedrigen Frequenzen wird der Widerstand induziert (kurzgeschlossen) und Strom fließt zum Induktor; Bei hohen Frequenzen zwingt der hohe induktive Reaktanz des Induktors Strom durch den Widerstand zu fließen. Im Wesentlichen ist die Eisenperle ein dissipatives Gerät, das hochfrequente Energie in Wärme umwandelt. In Bezug auf die Effizienz kann es daher nur als Widerstand und nicht als Induktivität interpretiert werden.

5. Transformator

Transformatoren sind normalerweise in Stromversorgungen zu finden. Darüber hinaus können sie zur Isolierung von Datensignalen, I/O-Verbindungen und Leistungsschnittstellen verwendet werden. Je nach Transformatortyp und -anwendung kann es zu einer Abschirmung zwischen Primär- und Sekundärwicklung kommen. Der Schirm ist mit einem Erdungsbezug verbunden und wird verwendet, um eine kapazitive Kopplung zwischen den beiden Spulensätzen zu verhindern. Transformatoren sind auch weit verbreitet, um Gleichtaktisolierung bereitzustellen. Diese Geräte übertragen Energie, indem sie die Seiten- und Sekundärspulen magnetisch verbinden, basierend auf Differenzmodensignalen, die durch ihre Eingänge gehen. Infolgedessen wird die CM-Spannung, die durch die Seitenspule fließt, zurückgewiesen und so den Zweck der Gleichtaktisolierung erreicht. Bei der Herstellung von Transformatoren gibt es jedoch eine Signalquellenkapazität zwischen der Primär- und Sekundärwicklung. Wenn die Frequenz der Schaltung zunimmt, erhöht sich auch die kapazitive Kopplungsfähigkeit, wodurch die isolierende Wirkung der Schaltung zerstört wird. Wenn genügend parasitäre Kapazität vorhanden ist, kann Hochfrequenz-HF-Energie (von schnellen Transienten, ESD, Blitzeinschlägen usw.) durch den Transformator gehen, wodurch die Schaltung auf der anderen Seite der Isolierung auch diese momentane Hochspannung oder hohen Strom empfängt. Die versteckten Eigenschaften verschiedener passiver Komponenten wurden oben ausführlich erklärt, und im Folgenden wird erklärt, warum diese versteckten Eigenschaften EMI in der Leiterplatte verursachen können.

6. Über elektromagnetische Theorie sprechen

Alle Stoffe haben eine kompositorische Beziehung zu anderen Substanzen. Diese enthält:

1) Leitfähigkeit: Die Beziehung zwischen Strom und elektrischem Feld (Ohms Gesetz der Materie): J=σE.

2) Permeabilitätskoeffizient: die Beziehung zwischen Magnetfluss und Magnetfeld: B=μH.

3) Dielektrische Konstante: die Beziehung zwischen Ladungsspeicher und einem elektrischen Feld: D=εE.

J­Leitstromdichte, A/m2

σ= Leitfähigkeit des Stoffes

E elektrische Feldstärke, V/m

D elektrische Flussdichte, Coulomb/m2

ε= Vakuumpermittivität, 8,85 pF/m

B­Magnetische Flussdichte, Weber/m2 oder Tesla

H­Magnetfeld, A/m

μ= Durchlässigkeit des Mediums, H/m

Nach Gauss's Gesetz, Maxwells Gleichung ist auch als Trennungssatz bekannt. Es kann verwendet werden, um das elektrostatische Feld E, das durch die Akkumulation von Ladungen erzeugt wird, zu erklären. Dieses Phänomen wird zwischen zwei Grenzen beobachtet: leitfähig und nicht leitfähig. Nach Gauss's Gesetz, behavior under boundary conditions produces a conductive cage (also called a Faraday cage) that acts as an electrostatic shield. In einem geschlossenen Bereich umgeben von einer Faraday Box, elektromagnetische Wellen von außen, die ihn umgeben, können diesen Bereich nicht betreten. Wenn sich ein elektrisches Feld in der Faraday Box befindet, an seiner Grenze, Die elektrische Ladung, die durch dieses elektrische Feld erzeugt wird, ist innerhalb der Grenze konzentriert. Ladungen außerhalb der Grenze werden durch das interne elektrische Feld auf Leiterplatte.