Leiterplattentechnisch - Analyse versteckter Eigenschaften von Leiterplatten-passiven Komponenten im EMI/EMV Design

Traditionell gilt EMV als "schwarze Magie". Tatsächlich kann EMV durch mathematische Formeln verstanden werden. Doch selbst wenn es mathematische Analysemethoden gibt, sind diese mathematischen Gleichungen für die eigentliche EMV-Schaltung immer noch zu kompliziert. Glücklicherweise müssen Ingenieure in den meisten praktischen Arbeiten diese komplexen mathematischen Formeln und die theoretischen Grundlagen der EMV-Spezifikationen nicht vollständig verstehen. Solange einfache mathematische Modelle verwendet werden, können sie verstehen, wie EMV-Anforderungen erfüllt werden.

Dieser Artikel verwendet einfache mathematische Formeln und elektromagnetische Theorie, um das verborgene Verhalten und die Eigenschaften von passiven Komponenten auf Leiterplatten (Leiterplatten) zu veranschaulichen. Das sind die Anforderungen, die Ingenieure im Vorfeld entwerfen müssen, wenn sie ihre elektronischen Produkte EMV-Normen erfüllen lassen wollen. Muss Grundkenntnisse haben.

Leiterbahnen und Leiterplatten

Die scheinbar unauffälligen Komponenten wie Drähte, Leiterbahnen, Befestigungsrahmen usw. werden oft zu den besten Sendern von Hochfrequenzenergie (also zur Quelle von EMI). Jede Komponente hat eine Induktivität, die die Bonddrähte des Siliziumchips und die Pins von Widerständen, 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 sehr empfindlich auf Frequenz. Entsprechend dem Wert von LC (der die Selbstresonanzfrequenz bestimmt) und der Länge der Leiterplattenstrecke kann zwischen einer Komponente und der Leiterplattenstrecke Selbstresonanz (Selbstresonanz) erzeugt werden, wodurch eine effiziente Strahlungsantenne gebildet wird.

Bei niedrigen Frequenzen hat der Draht im Allgemeinen nur die Eigenschaften des Widerstands. Aber bei hohen Frequenzen hat der Draht die Eigenschaften der Induktivität. Da es zur Hochfrequenz wird, verursacht es die Änderung der Impedanz und ändert dann das EMV-Design zwischen dem Draht oder PCB-Spur und der Masse. Zu diesem Zeitpunkt müssen die Bodenebene und das Bodengitter verwendet werden.

Der Hauptunterschied zwischen Drähten und Leiterplatten-Leiterbahnen besteht darin, dass die Drähte rund und die Leiterbahnen rechteckig sind. Die Impedanz eines Drahtes oder einer Leiterbahn umfasst den Widerstand R und die induktive Reaktanz XL.2πfL. Bei hohen Frequenzen ist diese Impedanz als Z-R-j XL j2πfL definiert, und es gibt keinen kapazitiven Reaktanz Xc bis 1/2πfC. Wenn die Frequenz höher als 100 kHz ist, ist die Induktivität 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 der Audiofrequenz arbeiten, als Induktivität angesehen werden und können nicht mehr als Widerstand angesehen werden und können eine Hochfrequenzantenne sein.

Die Länge der meisten Antennen ist gleich 1/4 oder 1/2 Wellenlänge (Î) einer bestimmten Frequenz. Daher dürfen in der EMV-Spezifikation Drähte oder Leiterbahnen unter Î"/20 einer bestimmten Frequenz nicht arbeiten, da sie dadurch plötzlich zu einer Hochleistungsantenne werden. Induktivität und Kapazität verursachen die Resonanz der Schaltung, dieses Phänomen wird nicht in ihren Spezifikationen aufgezeichnet.

Zum Beispiel: Angenommen es gibt eine 10-cm-Spur, R.57 mΩ, 8 nH/cm, also ist der Gesamtinduktivitätswert 80 nH. Bei 100 kHz kann eine Induktivität von 50 mΩ erreicht werden. Wenn die Frequenz 100 kHz überschreitet, wird diese Spur zu einer Induktivität, und ihr Widerstandswert kann ignoriert werden. Daher bildet diese 10-cm-Spur eine effiziente Strahlungsantenne, wenn die Frequenz 150 MHz überschreitet. 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 seine Wellenlänge Î" kleiner sein, und sein 1/4Î" oder 1/2Î" Wert wird sein. Es ist nah an der Länge der Spur (10 cm), so dass eine perfekte Antenne allmählich gebildet wird.

Widerstand

Widerstände sind die häufigsten Komponenten auf Leiterplatten. Das Material des Widerstands (Kohlenstoffsynthese, Kohlenstofffilm, Glimmer, Wicklungstyp... etc.) begrenzt die Wirkung des Frequenzgangs und die Wirkung der EMV. Drahtgewickelte Widerstände sind nicht für Hochfrequenzanwendungen geeignet, da zu viel Induktivität in den Drähten vorhanden ist. Obwohl Kohlenstofffilmwiderstände Induktivität enthalten, sind sie manchmal für Hochfrequenzanwendungen geeignet, da die Induktivität ihrer Stifte nicht groß ist.

Was Menschen oft übersehen, ist die Gehäusegröße und parasitäre Kapazität des Widerstands. Zwischen den beiden Anschlüssen des Widerstands besteht parasitische Kapazität. Sie können die normalen Schaltungseigenschaften bei extrem hohen Frequenzen beschädigen, insbesondere wenn die Frequenz GHz erreicht. Bei den meisten Anwendungsschaltungen ist jedoch die parasitäre Kapazität zwischen den Widerstandsstiften nicht wichtiger als die Pin-Induktivität.

Wenn der Widerstand einem Überspannungsspannungstest (Überspannungsspannungstest) unterzogen wird, müssen Sie auf die Änderung des Widerstands achten. Wenn am Widerstand ein Phänomen "elektrostatische Entladung (ESD)" auftritt, wird etwas Interessantes passieren. Wenn der Widerstand eine oberflächenmontierte Komponente ist, wird der Widerstand wahrscheinlich von dem Lichtbogen durchdrungen. Wenn der Widerstand Stifte hat, wird ESD den Weg mit hohem Widerstand (und hoher Induktivität) dieses Widerstands finden und vermeiden, in den durch diesen Widerstand geschützten Schaltkreis zu gelangen. Tatsächlich ist der eigentliche Schutz die Induktivitäts- und Kapazitätseigenschaften, die durch diesen Widerstand verborgen sind.

Kapazität

Kondensatoren werden im Allgemeinen im Strombus verwendet, um Entkopplung, Umgehung und Aufrechterhaltung einer festen Gleichspannung und Strom (Bulk) Funktionen bereitzustellen. Ein wirklich reiner Kondensator behält seinen Kapazitätswert bei, bis er die selbstresonante Frequenz erreicht. Über diese Eigenresonanzfrequenz hinaus werden die Kapazitätseigenschaften wie eine Induktivität. Dies lässt sich durch die Formel erklären: Xc=1/2πfC, Xc ist kapazitiver Reaktanz (Einheit ist Ω). Zum Beispiel: ein 10μf Elektrolytkondensator, bei 10 kHz, der kapazitive Reaktanz ist 1.6Ω; Bei 100 MHz fällt es auf 160ÎΩ. Daher gibt es bei 100 MHz einen Kurzschlusseffekt, der ideal für EMV ist. Die elektrischen Parameter von Elektrolytkondensatoren: äquivalente Serieninduktivität (ESL) und äquivalenter Serienwiderstand (ESR), begrenzen diesen Kondensator jedoch auf Frequenzen unter 1 MHz.

Die Verwendung von Kondensatoren hängt auch mit der Pin-Induktivität und Volumenstruktur zusammen. Diese Faktoren bestimmen die Anzahl und Größe parasitärer Induktivitäten. Zwischen den Schweißdrähten des Kondensators besteht parasitische Induktivität. Sie bewirken, dass sich der Kondensator wie eine Induktivität verhält, wenn er die Eigenresonanzfrequenz überschreitet. Dadurch verliert der Kondensator seine ursprüngliche Funktion.

Induktivität

Induktivität wird verwendet, um EMI in der Leiterplatte zu steuern. Bei einem Induktor ist seine induktive Reaktanz proportional zur Frequenz. Dies lässt sich durch die Formel erklären: XL.2πfL, XL ist die induktive Reaktanz (Einheit ist Ω). Zum Beispiel: eine ideale 10-mH-Induktivität, bei 10 kHz, die Induktivität ist 628Ω; Bei 100 MHz steigt er auf 6,2 MΩ. Daher kann diese Induktivität bei 100 MHz als offener Stromkreis betrachtet werden. Bei 100 MHz, wenn ein Signal diese Induktivität durchläuft, nimmt die Qualität des Signals ab (dies wird aus dem Zeitbereich beobachtet). Wie der Kondensator begrenzen die elektrischen Parameter dieses Induktors (parasitäre Kapazität zwischen den Spulen) diesen Induktor nur auf Frequenzen unter 1 MHz.

Die Frage ist, wenn Induktivität nicht bei hohen Frequenzen verwendet werden kann, was sollte dann verwendet werden? Die Antwort ist, "Ferrit Bead" sollte verwendet werden. Das Eisenpulvermaterial ist Eisen-Magnesium oder Eisen-Nickel-Legierung, diese Materialien haben eine hohe Permeabilität (Permeabilität), unter Hochfrequenz und hoher Impedanz ist der Kapazitätswert zwischen den Spulen in der Induktion der kleinste. Eisenpulverperlen sind in der Regel nur für Hochfrequenzschaltungen geeignet, da sie bei niedrigen Frequenzen grundsätzlich die vollständigen Eigenschaften der Induktivität (einschließlich Widerstand- und Widerstandskomponenten) behalten, so dass sie leichte Verluste auf der Leitung verursachen. Bei hohen Frequenzen hat es im Grunde nur eine Widerstandskomponente (jÏ­L), und die Widerstandskomponente wird mit steigender Frequenz zunehmen, wie in Abbildung 1 gezeigt. Tatsächlich sind Eisenpulverperlen Hochfrequenzschwächer für HF-Energie.

Tatsächlich können Eisenpulverperlen als Widerstand und Induktor parallel betrachtet werden. Bei niedrigen Frequenzen wird der Widerstand durch die Induktivität "kurzgeschlossen", und Strom fließt zur Induktivität; Bei hohen Frequenzen zwingt die hohe Induktivität der Induktivität den Strom zum Widerstand zu fließen.

Im Wesentlichen sind Eisenpulverperlen ein "dissipatives Gerät", das hochfrequente Energie in Wärme umwandelt. Daher kann es in Bezug auf die Leistung nur als Widerstand erklärt werden, nicht als Induktivität.

Abbildung: Eigenschaften von Eisenpulverwerkstoffen

Transformator

Transformatoren existieren normalerweise in Stromversorgungen. Darüber hinaus können sie zur Isolierung von Datensignalen, I/O-Verbindungen und Stromversorgungsschnittstellen verwendet werden. Je nach Typ und Anwendung des Transformators kann es zwischen der Primär- und Sekundärspule eine Abschirmung geben. Der Schirm ist mit einer geerdeten Referenzquelle verbunden, um eine kapazitive Kopplung zwischen den beiden Spulensätzen zu verhindern.