Blog de PCB - Análisis de las características ocultas de los componentes pasivos de la placa de PCB

Este trabajo utiliza fórmulas matemáticas simples y teoría electromagnética para explicar el comportamiento oculto y las características de los componentes pasivos en la placa de pcb. Estos son los conocimientos básicos que los ingenieros deben dominar con antelación al diseñar productos electrónicos para pasar los estándares emc. Tradicionalmente, EMC siempre ha sido considerado como magia negra. De hecho, EMC puede entenderlo a través de fórmulas matemáticas. Sin embargo, incluso si se pueden utilizar métodos de análisis matemático, estas fórmulas matemáticas siguen siendo demasiado para el diseño real de circuitos emc. Es demasiado complicado. Afortunadamente, en la mayoría de los trabajos prácticos, los ingenieros no necesitan entender completamente las complejas fórmulas matemáticas y las bases teóricas que existen en las especificaciones de emc, siempre que utilicen modelos matemáticos simples, pueden entender cómo cumplir con los requisitos de emc.

1. trazas de cables eléctricos y placas de PCB

Los componentes aparentemente discretos, como cables eléctricos, trazas, dispositivos de fijación, etc., a menudo se convierten en emisores de energía de radiofrecuencia (es decir, emi). Cada componente cuenta con un inductor que incluye los cables de Unión de las pastillas de silicio, así como los pines de las resistencias, condensadores e inductores. Cada cable o rastro contiene condensadores parasitarios ocultos e inductores. Estos elementos parasitarios afectan la resistencia del cable y son sensibles a la frecuencia. De acuerdo con el valor de LC (que determina la frecuencia de resonancia automática) y la longitud del rastro de pcb, la resonancia automática puede ocurrir en los componentes y el rastro de pcb, formando así una antena de radiación eficiente. A baja frecuencia, el cable es aproximadamente solo resistencia. Pero a alta frecuencia, el cable tiene las características de la inducción. Porque después de convertirse en alta frecuencia, causará cambios en la resistencia, lo que a su vez cambiará el diseño EMC entre el cable o el rastro de la placa de PCB y el suelo. En este momento, se deben utilizar planos de tierra y redes de tierra. La principal diferencia entre los cables eléctricos y los rastros de la placa de PCB es que los cables eléctricos son circulares y los rastros son rectangulares. La resistencia de un cable o traza está compuesta por una resistencia R y una resistencia inductiva XL = 2 Ífl, que a alta frecuencia se define como z = R + J XL j2 ࠂvr, y no existe una resistencia capacitiva xc = 1 / 2 \ 2050fc. Cuando la frecuencia es superior a 100 khz, la resistencia del inductor es mayor que la resistencia. En este momento, el cable o el rastro ya no es un cable de conexión de baja resistencia, sino un inductor. En general, los cables o rastros que trabajan sobre el audio deben considerarse inductores, ya no resistencias, pueden ser antenas de radiofrecuencia. La longitud de la mayoría de las antenas es igual a 1 / 4 o 1 / 2 de la longitud de onda de una frecuencia específica. Por lo tanto, en las especificaciones emc, los cables o trazas no permiten trabajar por debajo de la isla / 20 de una determinada frecuencia, ya que esto lo convierte repentinamente en una antena eficiente. Los inductores y condensadores pueden causar resonancia en el circuito, que no está registrada en sus especificaciones. Ejemplo: suponiendo un rastro de 10 cm, R = 57 m, 8 NH / cm, la inducción total es de 80 nh. A 100 khz, se puede obtener una reactancia inductiva de 50 metros. A una frecuencia superior a 100 khz, el rastro se convierte en un rastro de inducción, y su resistencia es insignificante. Por lo tanto, el rastro de 10 cm formará una antena de radiación efectiva a una frecuencia superior a 150 mhz. Debido a que a 150 mhz, su longitud de onda es de 2 metros, por lo que es de 10 cm = longitud de rastro; Si la frecuencia es superior a 150 mhz, su longitud de onda, isla, se reducirá, y sus valores de 1 / 4 isla o 1 / 2 isla se acercarán a la longitud de la trayectoria (10 cm), por lo que gradualmente se formará una antena perfecta.

2. resistencia

Las resistencias son componentes comunes en las placas de pcb. El material de la resistencia (compuesto de carbono, película de carbono, mica, bobinado, etc.) limita el impacto de la respuesta de frecuencia y el impacto de emc. Las resistencias de devanado no son adecuadas para aplicaciones de alta frecuencia porque la inducción en el cable es demasiado grande. Aunque las resistencias de película de carbono contienen inductores, a veces son adecuadas para aplicaciones de alta frecuencia debido a que el valor de inducción de sus Pines no es grande. Lo que la mayoría de la gente suele ignorar es el tamaño del paquete y los condensadores parasitarios de las resistencias. Los condensadores parasitarios están presentes entre dos terminales de la resistencia y pueden destruir las características normales del circuito a frecuencias muy altas, especialmente hasta ghz. Sin embargo, para la mayoría de los circuitos de aplicación, los condensadores parasitarios entre los pines de la resistencia no serán más importantes que los inductores de los pines. Cuando la resistencia se somete a una prueba límite de uhv, se debe prestar atención a los cambios en la resistencia. Si se produce una descarga estática en la resistencia, puede pasar algo interesante. Si la resistencia es un componente de montaje de superficie, es probable que la resistencia se rompa por arco. Si la resistencia tiene un pin, el ESM encontrará una ruta de alta resistencia (e inducción alta) para la resistencia y evitará entrar en el circuito protegido por la resistencia. De hecho, el verdadero protector son las características inductoras y capacitivas ocultas de esta resistencia.

3. condensadores

Los condensadores se suelen aplicar a los autobuses de alimentación para proporcionar desacoplamiento, derivación y mantener un voltaje y corriente continua constantes. Los condensadores verdaderamente puros mantendrán su valor capacitivo hasta que se alcance la frecuencia de resonancia automática. Más allá de esta frecuencia de resonancia automática, el comportamiento del capacitor se vuelve como un inductor. Esto se puede ilustrar con una fórmula: xc = 1 / 2 Ífc, donde XC es la resistencia capacitiva (en unidades). Por ejemplo: para condensadores electroliticos de 10 ° f, a 10 khz, la resistencia capacitiva es de 1,6 °; A 100 mhz, bajó a 160 islas. Por lo tanto, a 100 mhz, existe un efecto de cortocircuito, que es ideal para emc. Sin embargo, los parámetros eléctricos del condensadores electroliticos: inductores de serie equivalentes y resistencias de serie equivalentes limitarán el funcionamiento del condensadores solo por debajo de 1 mhz. El uso de condensadores también está relacionado con la inducción de pin y la estructura de volumen, lo que determina el número y el tamaño de la inducción parasitaria. La bobina de inducción parasitaria está presente entre las líneas de Unión de los condensadores. cuando los condensadores superan la frecuencia de resonancia automática, la bobina de inducción parasitaria hace que los condensadores se comporten como inductores y los condensadores pierdan su función original.

4. inductores

Los inductores se utilizan para controlar el EMI dentro del pcb. Para los inductores, su reactancia inductiva es proporcional a la frecuencia. Esto se puede ilustrar con una fórmula: XL = 2 Ífl, en la que XL es una reactancia inductiva (en unidades). Por ejemplo, el inductor ideal de 10 mh, a 10 khz, tiene una inducción de 628; A 100 mhz, se eleva a la isla de 6,2 m. Por lo tanto, a 100 mhz, este sensor puede considerarse un circuito abierto. A 100 mhz, hacer pasar la señal por este inductor provocará una disminución de la calidad de la señal (esto se observa en el dominio del tiempo). Al igual que los condensadores, los parámetros eléctricos del inductor (condensadores parasitarios entre bobinas) limitan el funcionamiento del inductor a una frecuencia inferior a 1 mhz. ¿La pregunta es, a alta frecuencia, si no puedes usar inductores, ¿ qué debes usar? La respuesta es que se deben usar bolas de hierro en polvo. Los materiales de polvo de hierro son ferromagnesio o Ferroaleaciones de níquel, que tienen una alta conductividad magnética y, a alta frecuencia y alta resistencia, los valores de capacitividad entre las bobinas en la bobina de inducción se reducirán. Las cuentas de polvo de hierro suelen ser adecuadas solo para circuitos de alta frecuencia, ya que a baja frecuencia básicamente conservan las características completas de los inductores (incluidos los componentes de resistencia y reactancia), por lo que causan algunas pérdidas en el circuito en línea. A alta frecuencia, básicamente solo tiene un componente de Resistencia (jÍl), y el componente de resistencia aumenta con el aumento de la frecuencia. De hecho, las cuentas de polvo de hierro son atenuadores de alta frecuencia de la energía de radiofrecuencia. De hecho, la bola de polvo de hierro puede considerarse como una resistencia paralela al inductor. A baja frecuencia, la resistencia se induce (cortocircuito) y la corriente fluye hacia el inductor; A alta frecuencia, la Alta reactancia de inducción del inductor obliga a la corriente a fluir a través de la resistencia. En esencia, las bolas de hierro son un dispositivo disipador que convierte energía de alta frecuencia en calor. Por lo tanto, en términos de eficiencia, solo se puede interpretar como resistencia, no como inducción.

5. transformadores

Los transformadores suelen estar presentes en la fuente de alimentación. Además, se pueden utilizar para aislar señales de datos, conexiones de E / S e interfaces de alimentación. Dependiendo del tipo y la aplicación del transformador, puede haber un blindaje entre el devanado primario y el devanado secundario. El blindaje está conectado a la referencia de tierra para evitar el acoplamiento capacitivo entre dos grupos de bobinas. Los transformadores también se utilizan ampliamente para proporcionar aislamiento de modo común. Estos dispositivos transmiten energía conectando magnéticamente las bobinas laterales y secundarias basadas en señales de modo diferencial que ingresan a través de ellas. Por lo tanto, el voltaje cm a través de la bobina lateral será rechazado, logrando así el propósito de aislamiento de modo común. Sin embargo, en la fabricación de transformadores, hay condensadores de fuente de señal entre el devanado primario y el devanado secundario. Cuando la frecuencia del circuito aumenta, la capacidad de acoplamiento capacitivo también aumenta, lo que destruye el efecto de aislamiento del circuito. Si hay suficientes condensadores parasitarios, la energía de radiofrecuencia de alta frecuencia (de transiciones rápidas, des, rayos, etc.) puede pasar por el transformador, lo que hace que el circuito del otro lado del aislamiento también reciba el alto voltaje instantáneo o la Alta corriente. Las características ocultas de varios componentes pasivos se han explicado en detalle arriba, y a continuación se explicará por qué estas características ocultas conducen al EMI en el tablero de pcb.

6. sobre la teoría electromagnética

Todas las sustancias están relacionadas con la composición de otras sustancias. Estos incluyen:

1) conductividad eléctrica: relación entre la corriente y el campo eléctrico (ley de la materia de ohm): j = Íe.

2) conductividad magnética: relación entre el flujo magnético y el campo magnético: b = 188h.

3) constante dieléctrica: relación entre el almacenamiento de carga y el campo eléctrico: d =.

J = densidad de corriente conducida, A / m2

Í = conductividad eléctrica de la materia

E = intensidad del campo eléctrico, V / M

D = densidad de flujo eléctrico, Coulomb / m2

Isla = constante dieléctrica de vacío, 8,85 PF / M

B = densidad de flujo magnético, Weber / m2 o Tesla

H = campo magnético, A / M

Isla 188 = penetración del medio, H / M

Según la Ley de gauss, la ecuación de Maxwell también se llama Teorema de separación. Se puede utilizar para explicar el campo electrostático e generado por la acumulación de carga eléctrica. Este fenómeno se observa entre dos fronteras: conductoras y no conductoras. Según la Ley de gauss, el comportamiento en condiciones límite produce una jaula conductora (también conocida como jaula faraday), que actúa como blindaje electrostático. En una zona cerrada rodeada de cajas de faraday, las ondas electromagnéticas del exterior de su entorno no pueden entrar en la Zona. Si hay un campo eléctrico en la Caja faraday, en su límite, la carga generada por el campo eléctrico se concentra dentro del límite. La carga fuera del límite es rechazada por un campo eléctrico interno en la placa de pcb.