Blogue PCB - Analyse des caractéristiques cachées des composants passifs de la carte PCB

Cet article explique le comportement caché et les caractéristiques des éléments passifs sur une carte PCB en utilisant des formules mathématiques simples et la théorie électromagnétique. Ce sont les connaissances de base que les ingénieurs doivent maîtriser à l'avance lorsqu'ils conçoivent des produits électroniques pour passer les normes EMC. Traditionnellement, EMC a toujours été considéré comme de la magie noire. En fait, EMC peut être compris par des formules mathématiques. Cependant, même si des méthodes d'analyse mathématique peuvent être utilisées, ces formules mathématiques sont encore trop nombreuses pour la conception de circuits CEM réels. C'est trop compliqué. Heureusement, dans la plupart des travaux pratiques, les ingénieurs n'ont pas besoin de comprendre pleinement les formules mathématiques complexes et les fondements théoriques qui existent dans les spécifications EMC, et ils peuvent comprendre comment répondre aux exigences EMC simplement en utilisant des modèles mathématiques simples.

1. Fils et traces de carte PCB

Les composants apparemment anodins, tels que les fils électriques, les traces, les fixations, etc., ont tendance à devenir des émetteurs d'énergie RF (i.e. EMI). Chaque composant possède une inductance comprenant les lignes de jonction des tranches de silicium et les broches des résistances, des condensateurs et des inductances. Chaque fil ou trace contient une capacité parasite cachée et une inductance. Ces éléments parasites affectent l'impédance du fil et sont sensibles à la fréquence. En fonction de la valeur du LC (qui détermine la fréquence d'auto - résonance) et de la longueur de la trace PCB, l'auto - résonance peut se produire sur le composant et la trace PCB, formant ainsi une antenne rayonnante efficace. À basse fréquence, le fil n'a à peu près que de la résistance. Mais à haute fréquence, le fil a les propriétés d'une inductance. Parce que le passage à haute fréquence provoque des changements d'impédance qui modifient la conception CEM entre les fils ou les traces de carte PCB et le sol. À ce stade, le plan de terre et le réseau de terre doivent être utilisés. La principale différence entre les fils et les traces de carte PCB est que les fils sont ronds et les traces sont rectangulaires. L'impédance d'un fil ou d'une trace est constituée d'une résistance R et d'une impédance x L = 2 i f l qui, aux hautes fréquences, est définie par Z = r + J x L J 2 I F R et en l'absence de résistance X c = 1 / 2 i f C. Lorsque la fréquence est supérieure à 100 kHz, la résistance inductive est supérieure à la résistance. A ce stade, le fil ou trace n'est plus un fil de connexion de faible résistance, mais une inductance. En général, un fil ou une trace qui fonctionne au - dessus de l'audio doit être considéré comme une inductance, ne peut plus être considéré comme une résistance et peut être une antenne RF. La plupart des antennes ont une longueur égale à 1 / 4 ou 1 / 2 de la longueur d'onde d'une fréquence spécifique. Ainsi, dans la spécification EMC, un fil ou une trace ne permet pas de travailler en dessous d'un îlot / 20 à une certaine fréquence, car cela le transforme soudainement en une antenne efficace. L'inductance et la capacité provoquent la résonance du circuit, ce qui n'est pas indiqué dans ses spécifications. Exemple: supposons une trace de 10 cm, r = 57 m, 8 NH / CM, l'inductance totale est de 80 NH. A 100 kHz, on obtient une réactance inductive de 50 M. Aux fréquences supérieures à 100 kHz, cette trace devient une trace inductive dont la valeur de résistance est négligeable. Cette trace de 10 cm formera ainsi une antenne rayonnante efficace à des fréquences supérieures à 150 MHz. Parce qu'à 150 MHz, sa longueur d'onde est de 2 mètres, donc 10 cm = longueur de trace; Si la fréquence est supérieure à 150 MHz, sa longueur d'onde Isla sera réduite et sa valeur de 1 / 4 Isla ou 1 / 2 Isla sera proche de la longueur de la trajectoire (10 cm), formant ainsi progressivement une antenne parfaite.

2. Résistance

Les résistances sont des composants courants sur les cartes PCB. Le matériau de la résistance (composite de carbone, film de carbone, mica, bobinage, etc.) limite l'influence de la réponse en fréquence et l'influence de la CEM. Les résistances bobinées ne conviennent pas aux applications à haute fréquence car l'inductance dans le fil est trop importante. Les résistances à film de carbone, bien qu'elles contiennent une inductance, sont parfois adaptées aux applications à haute fréquence en raison de la faible valeur de l'inductance de leurs broches. Ce que la plupart des gens négligent souvent, c'est la taille d'encapsulation et la capacité parasite de la résistance. Des capacités parasites existent entre les deux bornes de la résistance et peuvent perturber les caractéristiques normales du circuit à très haute fréquence, notamment jusqu'à GHz. Cependant, pour la plupart des circuits d'application, la capacité parasite entre les broches de la résistance ne sera pas plus importante que l'inductance des broches. Lorsque la résistance est soumise à un test de limite ultra - haute tension, il est important de prêter attention à la variation de la résistance. Si une décharge électrostatique se produit sur une résistance, quelque chose d'intéressant peut se produire. Si la résistance est un composant monté en surface, il est probable qu'elle soit frappée par un arc électrique. Si une résistance a des broches, ESD trouve un chemin de haute résistance (et haute inductance) pour la résistance et évite d'entrer dans un circuit protégé par une résistance. En fait, le vrai protecteur est les propriétés inductives et capacitives cachées par de telles résistances.

3. Condensateur

Des condensateurs sont généralement appliqués sur le bus d'alimentation pour assurer le découplage, le contournement et le maintien d'une tension et d'un courant continus constants. Un condensateur vraiment pur conservera sa valeur Capacitive jusqu'à ce que la fréquence d'auto - résonance soit atteinte. Au - delà de cette fréquence d'auto - résonance, la capacité se comporte comme une inductance. Cela peut être illustré par la formule: Xc = 1 / 2 Ífc, où XC est la tolérance (en unités). Par example: résistance de 1,6° à 10 kHz pour un condensateur électrolytique à 10°f; À 100 MHz, il descend à 160 îles. Ainsi, à 100 MHz, il y a un effet de court - circuit, idéal pour la CEM. Cependant, les paramètres électriques du condensateur électrolytique: Inductance série équivalente et résistance série équivalente limiteront le fonctionnement de ce condensateur uniquement en dessous de 1 MHz. L'utilisation de condensateurs est également liée à l'inductance des broches et à la structure volumique, ce qui détermine le nombre et la taille des inductances parasites. Une inductance parasite existe entre les lignes de jonction des condensateurs et, lorsque les condensateurs dépassent la fréquence d'auto - résonance, l'inductance parasite fait fonctionner les condensateurs comme des inductances qui perdent leur fonction d'origine.

4. Inductance

L'inducteur est utilisé pour contrôler l'EMI à l'intérieur du PCB. Pour un inducteur, sa réactance inductive est directement proportionnelle à la fréquence. Cela peut être illustré par la formule: XL = 2Ífl, où XL est la réactance inductive (en). Par example, une inductance idéale de 10 MH avec une inductance de 628 à 10 kHz; À 100 MHz, il passe à 6,2 m Island. Ainsi, à 100 MHz, cette inductance peut être considérée comme un circuit ouvert. A 100 MHz, le passage du signal à travers cette inductance provoquera une dégradation de la qualité du signal (observée dans le domaine temporel). Comme pour un condensateur, les paramètres électriques de cette inductance (capacité parasite entre les bobines) limitent le fonctionnement de cette Inductance à une fréquence inférieure à 1 MHz. La question est, à haute fréquence, que devriez - vous utiliser si vous ne pouvez pas utiliser un inducteur? La réponse est que des perles de poudre de fer doivent être utilisées. Les matériaux en poudre de fer sont des alliages de fer - magnésium ou de fer - nickel, ces matériaux ont une Perméabilité magnétique élevée et, à haute fréquence et Haute impédance, la valeur de la capacité entre les bobines dans l'inductance diminuera. Les billes de poudre de fer ne conviennent généralement qu'aux circuits haute fréquence, car à basse fréquence, elles conservent essentiellement les propriétés complètes de l'inductance (y compris les éléments résistifs et réactifs), ce qui entraîne une certaine perte pour la ligne. Aux hautes fréquences, il n'a essentiellement qu'une seule composante résistive (jÍl) et la composante résistive augmente avec la fréquence. En effet, la boule de poudre de fer est un atténuateur haute fréquence de l'énergie RF. En effet, la boule de poudre de fer peut être considérée comme une résistance en parallèle avec l'inducteur. Aux basses fréquences, la résistance est induite (court - circuit) et le courant circule vers l'inducteur; Aux hautes fréquences, la haute réactance inductive de l'inductance force le courant à traverser la résistance. Essentiellement, une perle de fer est un dispositif dissipateur qui convertit l'énergie à haute fréquence en chaleur. Par conséquent, en termes d'efficacité, il ne peut être interprété que comme une résistance et non comme une inductance.

5. Transformateur

Les transformateurs sont généralement présents dans l'alimentation. En outre, ils peuvent être utilisés pour isoler les signaux de données, les connexions E / s et les interfaces d'alimentation. Selon le type de transformateur et l'application, il peut y avoir un blindage entre l'enroulement primaire et secondaire. Le blindage est relié à une référence de masse pour empêcher le couplage capacitif entre les deux groupes de bobines. Les transformateurs sont également largement utilisés pour fournir une isolation de mode commun. Ces dispositifs délivrent de l'énergie en reliant magnétiquement les bobines latérales et secondaires à partir du signal de mode différentiel qui les traverse. En conséquence, la tension cm traversant les bobines latérales sera rejetée, ce qui permettra d'atteindre le but de l'isolation de mode commun. Cependant, dans la fabrication d'un transformateur, il existe une capacité de source de signal entre l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire. Lorsque la fréquence du circuit augmente, la capacité de couplage capacitif augmente également, ce qui perturbe l'effet isolant du circuit. S'il existe une capacité parasite suffisante, l'énergie RF haute fréquence (provenant des transitoires rapides, ESD, foudre, etc.) peut traverser le transformateur, ce qui fait que le circuit de l'autre côté de l'isolation reçoit également cette haute tension instantanée ou ce courant élevé. Les propriétés cachées des différents éléments passifs ont été expliquées en détail ci - dessus et nous expliquerons ci - dessous pourquoi ces propriétés cachées provoquent des EMI dans la carte PCB.

6. Théorie électromagnétique

Toutes les substances ont des relations constitutives avec d'autres substances. Ceux - ci incluent:

1) conductivité: relation entre le courant et le champ électrique (loi de la matière ohmique): j = Íe.

2) Perméabilité magnétique: relation entre le flux magnétique et le champ magnétique: B = ¼ H.

3) constante diélectrique: relation entre le stockage de charge et le champ électrique: D = εe.

J = densité du courant de conduction, A / m2

Í = conductivité de la matière

E = intensité du champ électrique, V / M

D = densité du flux, Coulomb / m2

îlot = constante diélectrique du vide, 8,85 PF / M

B = densité de flux magnétique, Weber / m2 ou Tesla

H = champ magnétique, A / M

Isla¼ = perméabilité du milieu, H / M

Selon la loi de Gauss, les équations de Maxwell sont également appelées Théorèmes de séparation. Il peut être utilisé pour expliquer le champ électrostatique e résultant de l'accumulation de charges électriques. Ce phénomène est observé entre deux frontières: conductrice et non conductrice. Selon la loi de Gauss, le comportement dans des conditions limites crée une cage conductrice (également appelée cage de Faraday) qui agit comme un bouclier électrostatique. Dans la zone fermée entourée par la boîte de Faraday, les ondes électromagnétiques provenant de l'extérieur autour de celle - ci ne peuvent pas entrer dans cette zone. S'il y a un champ électrique dans la boîte de Faraday, à sa frontière, les charges générées par ce champ sont concentrées à l'intérieur de la frontière. Les charges en dehors des limites sont repoussées par le champ électrique interne sur la carte PCB.