Technologie PCB - Analyse des caractéristiques cachées des composants passifs de PCB dans la conception EMI / EMC

Traditionnellement, EMC est considéré comme « magie noire». En fait, EMC peut être compris par des formules mathématiques. Cependant, même avec les méthodes d'analyse mathématique disponibles, ces équations mathématiques sont encore trop complexes pour la conception de circuits CEM réels. 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. En utilisant simplement un modèle mathématique simple, ils peuvent comprendre comment répondre aux exigences de la CEM.

Cet article utilise des formules mathématiques simples et la théorie électromagnétique pour illustrer le comportement caché et les caractéristiques des composants passifs sur une carte de circuit imprimé. Lorsque les ingénieurs veulent faire passer leurs produits électroniques aux normes EMC, ils doivent concevoir ces exigences au préalable. Il faut avoir des connaissances de base.

Fils et traces PCB

Les composants apparemment insignifiants, tels que les fils, les traces, les cadres fixes, etc., deviennent souvent les meilleurs émetteurs d'énergie RF (c'est - à - dire les sources d'EMI). Chaque élément a une inductance, y compris 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 vont influencer l'impédance du fil et sont très sensibles à la fréquence. En fonction de la valeur du LC (qui détermine la fréquence d'auto - résonance) et de la longueur de la piste PCB, il est possible de créer une auto - résonance (autorésonance) sur l'élément et la piste PCB, formant ainsi une antenne rayonnante efficace.

A basse fréquence, les fils n'ont généralement que des propriétés résistives. Mais à haute fréquence, le fil a les propriétés d'une inductance. Parce qu'il passe à haute fréquence, il provoque un changement d'impédance, puis modifie la conception EMC entre le fil ou la trace de PCB et la terre. À ce stade, le plan de terre et le réseau de terre doivent être utilisés.

La principale différence entre un fil et une piste PCB est que le fil est rond et la piste rectangulaire. L'impédance du fil ou trace comprend une résistance R et une inductance XL = 2F L. Aux hautes fréquences, cette impédance est définie comme Z = r + j XL j2Ífl et il n'y a pas de tolérance Xc = 1 / 2Ífc. Lorsque la fréquence est supérieure à 100 kHz, l'inductance 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 d'une fréquence audio doit être considéré comme une inductance, et non plus 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 certaine fréquence. Ainsi, dans la spécification EMC, les fils ou les traces ne sont pas autorisés à fonctionner en dessous d'un îlot / 20 à une certaine fréquence, car cela les transforme soudainement en antennes hautes performances. L'inductance et la capacité provoquent une résonance du circuit, phénomène qui n'est pas enregistré dans leurs spécifications.

Par exemple: supposons qu'il y ait une trace de 10 cm, r = 57 m, 8 NH / CM, alors la valeur totale de l'inductance est de 80 NH. A 100 kHz, une inductance de 50 m peut être obtenue. Lorsque la fréquence dépasse 100 kHz, cette trace devient une inductance dont la valeur de résistance peut être ignorée. Ainsi, lorsque la fréquence dépasse 150 MHz, cette trace de 10 cm formera une antenne rayonnante efficace. Parce qu'à 150 MHz, sa longueur d'onde est de 2 mètres, donc 20 cm = 10 cm = longueur de trace; Si la fréquence est supérieure à 150 MHz, sa longueur d'onde Isla sera plus petite 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.

Opposition

Les résistances sont les composants les plus courants sur les PCB. Le matériau de la résistance (synthèse de carbone, film de carbone, mica, type d'enroulement, 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 il y a trop d'inductance dans le fil. Bien que les résistances à film de carbone contiennent une inductance, elles sont parfois adaptées aux applications à haute fréquence en raison de la faible inductance de leurs broches.

Ce que l'on néglige souvent, ce sont les dimensions d'encapsulation des résistances et les capacités parasites. Une capacité parasite est présente entre les deux bornes de la résistance. Ils peuvent perturber les caractéristiques normales du circuit à des fréquences extrêmement élevées, en particulier lorsque les fréquences atteignent le gigahertz. Cependant, pour la plupart des circuits d'application, la capacité parasite entre les broches de la résistance n'est pas plus importante que l'inductance des broches.

Lorsque la résistance est testée sous tension (surtension), il est important de prêter attention à la variation de la résistance. Si le phénomène de « Décharge électrostatique (ESD) » apparaît sur la résistance, quelque chose d’intéressant se produit. Si la résistance est un composant monté en surface, il est probable qu'elle soit traversée par un arc électrique. Si la résistance est pincée, l'ESD trouvera le chemin haute résistance (et haute inductance) de cette résistance et évitera d'entrer dans le circuit protégé par cette résistance. En fait, le vrai protecteur est les propriétés inductives et capacitives cachées par cette résistance.

Capacité

Les condensateurs sont généralement utilisés dans les bus d'alimentation pour assurer des fonctions de découplage, de dérivation et de maintien de la tension continue et du courant (grande capacité) fixes. 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, les propriétés capacitives deviendront comme des inductances. Cela peut être expliqué par la formule: Xc = 1 / 2 Ífc, XC est la tolérance (en îlots). Par example: un condensateur électrolytique à 10°f avec une résistance de 1,6° à 10 kHz; 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 (ESL) et résistance série équivalente (ESR) limiteront le fonctionnement de ce condensateur uniquement à des fréquences inférieures à 1 MHz.

L'utilisation de condensateurs est également liée à l'inductance des broches et à la structure volumique. Ces facteurs déterminent le nombre et la taille des inductances parasites. Il existe une inductance parasite entre les fils de soudure du condensateur. Lorsque les condensateurs dépassent la fréquence d'auto - résonance, ils les font se comporter comme une inductance. Le condensateur perd ainsi sa fonction d'origine.

Inductance

L'inductance est utilisée pour contrôler l'EMI dans le PCB. Pour un inducteur, sa réactance inductive est directement proportionnelle à la fréquence. Ceci peut être expliqué par la formule suivante: XL = 2Ífl, XL est la réactance inductive (en îlots). Par exemple: 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, si le signal traverse cette inductance, la qualité du signal diminue (ce qui est observé 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 uniquement à des fréquences inférieures à 1 MHz.

La question est, si l'inductance ne peut pas être utilisée à haute fréquence, que faut - il utiliser? La réponse est que les "billes magnétiques de ferrite" 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 (Perméabilité magnétique) et, à haute fréquence et Haute impédance, la valeur de la capacité entre les bobines dans l'inductance est minimale. Les billes de poudre de fer ne conviennent généralement qu'aux circuits haute fréquence, car à basse fréquence, elles conservent essentiellement les caractéristiques complètes de l'inductance (y compris les résistances et les éléments résistifs) et causent donc une légère perte de ligne. Aux hautes fréquences, il n'a sensiblement qu'une seule composante résistive (jÍl) et la composante résistive augmente avec la fréquence, comme le montre la figure 1. En fait, les perles de poudre de fer sont des atténuateurs haute fréquence de l'énergie RF.

En effet, les billes de poudre de fer peuvent être considérées comme des résistances et des inductances en parallèle. A basse fréquence, la résistance est "court - circuitée" par l'inductance et le courant circule vers l'inductance; Aux hautes fréquences, l'inductance élevée de l'inductance force le courant à circuler vers la résistance.

Essentiellement, une perle de poudre de fer est un « dispositif dissipateur» qui convertit l'énergie à haute fréquence en chaleur. Ainsi, en termes de performances, il ne peut être interprété que comme une résistance, pas comme une inductance.

Figure: caractéristiques du matériau en poudre de fer

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 et l'application du transformateur, il peut y avoir un blindage entre la bobine primaire et la bobine secondaire. Le blindage est relié à une source de référence reliée à la masse pour éviter un couplage capacitif entre les deux groupes de bobines.