Dati PCB - Spiegare il comportamento nascosto e le caratteristiche dei componenti passivi su PCB

Questo articolo utilizza semplici formule matematiche e teoria elettromagnetica per spiegare il comportamento nascosto e le caratteristiche dei componenti passivi sulla scheda PCB. Queste sono le conoscenze di base che gli ingegneri devono avere in anticipo quando progettano prodotti elettronici per superare lo standard EMC. Tradizionalmente, EMC è stato considerato come magia nera. Infatti, EMC può essere compreso da formule matematiche. Tuttavia, anche se è possibile utilizzare metodi di analisi matematica, queste formule matematiche sono ancora troppo per la progettazione effettiva del circuito EMC. Troppo complicato. Fortunatamente, nella maggior parte dei lavori pratici, gli ingegneri non hanno bisogno di comprendere appieno le complesse formule matematiche e le basi teoriche che esistono nella specifica EMC, fintanto che vengono utilizzati semplici modelli matematici, possono capire come soddisfare i requisiti EMC.

1. Tracce del cavo e del PCB

Componenti apparentemente poco appariscenti come fili, tracce, dispositivi, ecc., spesso diventano trasmettitori di energia RF (cioè EMI). Ogni componente ha un induttore, che include i fili di legame del chip di silicio, e i pin delle resistenze, condensatori e induttori. Ogni filo o traccia contiene capacità parassitarie nascoste e induttanza. Questi componenti parassitari influenzano l'impedenza del filo e sono sensibili alla frequenza. A seconda del valore di LC (che determina la frequenza autoresonante) e della lunghezza della traccia PCB, l'autoresonanza può verificarsi tra un componente e la traccia PCB, formando così un'efficiente antenna radiante. Alle basse frequenze, il filo è approssimativamente solo resistivo. Ma alle alte frequenze, il filo ha le caratteristiche di induttanza. Perché dopo essere diventato ad alta frequenza, causerà il cambiamento di impedenza e quindi cambierà il design EMC tra la traccia del cavo o della scheda PCB e la terra. In questo momento, il piano di terra e la griglia di terra devono essere utilizzati. La differenza principale tra fili e tracce della scheda PCB è che i fili sono rotondi e le tracce sono rettangolari. L'impedenza di un filo o traccia è costituita dalla resistenza R e dalla reattività induttiva XL = 2πfL, alle alte frequenze questa impedenza è definita come Z = R + j XL j2πfL, e non esiste alcuna reattività capacitiva Xc = 1/2πfC. Quando la frequenza è superiore a 100 kHz, la reattività induttiva è maggiore della resistenza. In questo momento, il filo o la traccia non è più un cavo di connessione a bassa resistenza, ma un'induttanza. In generale, i fili o le tracce che funzionano sopra l'audio dovrebbero essere considerati induttivi e non possono più essere considerati resistenza, e possono essere un'antenna RF. La lunghezza della maggior parte delle antenne è uguale a 1/4 o 1/2 lunghezza d'onda (Î") di una particolare frequenza. Pertanto, nelle specifiche EMC, fili o tracce non possono funzionare al di sotto di Î"/20 di una certa frequenza, perché ciò trasformerebbe improvvisamente in un'antenna ad alta efficienza. Induttanza e capacità causano risonanza del circuito, che non è documentata nelle loro specifiche. Esempio: Assumendo una traccia di 10 cm, R = 57 mΩ, 8 NH/cm, quindi l'induttanza totale è 80 NH. A 100 kHz si ottiene una reattività induttiva di 50 mΩ . A frequenze superiori a 100 kHz, questa traccia diventa induttiva e il suo valore di resistenza è trascurabile. Pertanto, questa traccia di 10 cm formerà un'efficiente antenna radiante a frequenze superiori a 150 MHz. Perché a 150 MHz, la sua lunghezza d'onda Î" = 2 metri, quindi Î"/20 = 10 cm = la lunghezza della traccia; Se la frequenza è maggiore di 150 MHz, la sua lunghezza d'onda Î" diventerà più piccola e il valore di 1/4Î" o 1/2Î" sarà prossimo alla lunghezza della traccia (10 cm), quindi si forma gradualmente un'antenna perfetta.

2. Resistenza

Le resistenze sono componenti comuni che si trovano sulle schede PCB. Il materiale della resistenza (carbonio composito, film di carbonio, mica, filo avvolto... ecc.) limita l'effetto della risposta in frequenza e l'effetto di EMC. Le resistenze a filo metallico non sono adatte per applicazioni ad alta frequenza perché c'è troppa induttanza nel filo. Sebbene la resistenza del film di carbonio contenga induttanza, a volte è adatta per applicazioni ad alta frequenza perché il valore di induttanza dei suoi perni non è grande. Ciò che la maggior parte delle persone spesso trascura è la dimensione del pacchetto e la capacità parassitaria della resistenza. Le capacità parassite esistono tra i due terminali di una resistenza, e possono interrompere le normali caratteristiche del circuito a frequenze molto alte, specialmente fino a GHz. Tuttavia, per la maggior parte dei circuiti di applicazione, la capacità parassitaria tra i pin della resistenza non sarà più importante dell'induttanza del pin. Quando la resistenza è sottoposta alla prova del limite di tensione ultra-alta, attenzione deve essere prestata al cambiamento di resistenza. Cose interessanti possono accadere se si verifica una scarica elettrostatica su una resistenza. Se la resistenza è un componente di montaggio superficiale, è probabile che la resistenza venga perforata da arco. Se la resistenza ha pin, l'ESD trova un percorso ad alta resistenza (e alta induttanza) per la resistenza ed evita di entrare nel circuito protetto dalla resistenza. Infatti, il vero protettore sono le caratteristiche induttive e capacitive nascoste di questa resistenza.

3. Condensatore

I condensatori sono generalmente applicati al bus di alimentazione per fornire disaccoppiamento, bypass e mantenimento di una tensione e corrente continua costanti. Un condensatore veramente puro manterrà il suo valore di capacità fino al raggiungimento della frequenza autoresonante. Al di là di questa frequenza autoresonante, il comportamento capacitivo diventa come un induttore. Questo può essere illustrato dalla formula: Xc=1/2πfC, dove Xc è la reattività capacitiva (in Ω). Ad esempio: per un condensatore elettrolitico 10μf, a 10 kHz, la reattività capacitiva è 1.6Ω; A 100 MHz, scende a 160μΩ. Quindi a 100 MHz, c'è un effetto di cortocircuito, che è ideale per EMC. Tuttavia, i parametri elettrici dei condensatori elettrolitici: induttanza di serie equivalente e resistenza di serie equivalente, limiteranno questo condensatore a funzionare solo sotto 1 MHz. L'uso dei condensatori è anche correlato all'induttanza del perno e alla struttura del volume, che determinano il numero e la dimensione delle induttanze parassitarie. L'induttanza parassitica esiste tra i fili di legame del condensatore e causano il condensatore a comportarsi come l'induttore quando supera la frequenza autoresonante e il condensatore perde la sua funzione originale.

4. Induttanza

Gli induttori sono utilizzati per controllare EMI all'interno del PCB. Per un induttore, la sua reattanza induttiva è proporzionale alla frequenza. Questo può essere illustrato dalla formula: XL = 2πfL, dove XL è la reattività induttiva (in Ω). Ad esempio un induttore ideale da 10 mH, a 10 kHz, l'induttanza è 628Ω; a 100 MHz, aumenta a 6,2 MΩ. Quindi a 100 MHz, questo induttore può essere considerato un circuito aperto. A 100 MHz, passare un segnale attraverso questo induttore causerà il degrado della qualità del segnale (questo è osservato nel dominio temporale). Come il condensatore, i parametri elettrici di questo induttore (capacità parassitaria tra le bobine) limitano il funzionamento di questo induttore a frequenze inferiori a 1 MHz. La domanda è, alle alte frequenze, se non è possibile utilizzare un induttore, cosa si dovrebbe usare? La risposta è che le perle di polvere di ferro dovrebbero essere utilizzate. I materiali in polvere di ferro sono leghe di ferro-magnesio o ferro-nichel, questi materiali hanno alta permeabilità magnetica e ad alta frequenza e ad alta impedenza, il valore di capacità tra le bobine nell'induttore sarà ridotto. Le sfere in polvere di ferro sono solitamente adatte solo per circuiti ad alta frequenza, perché, alle basse frequenze, conservano fondamentalmente le caratteristiche complete dell'induttanza (compresi componenti resistivi e reattivi), quindi causeranno alcune perdite sulla linea. Alle alte frequenze, ha fondamentalmente solo una componente resistiva (jÏL), e la componente resistiva aumenta con la frequenza. In effetti, le perle della polvere di ferro sono attenuatori ad alta frequenza per l'energia RF. Infatti, la sfera di polvere di ferro può essere considerata come una resistenza collegata in parallelo ad un induttore. Alle basse frequenze, il resistore è indutto (corto) e la corrente scorre all'induttore; alle alte frequenze, l'alta reattività induttiva dell'induttore costringe la corrente a fluire attraverso la resistenza. Essenzialmente, la perla di ferro è un dispositivo dissipativo che converte l'energia ad alta frequenza in calore. Pertanto, in termini di efficienza, può essere interpretata solo come una resistenza, non come un'induttanza.

5. Transformer

I trasformatori si trovano solitamente negli alimentatori. Inoltre, possono essere utilizzati per isolare segnali dati, connessioni I/O e interfacce di alimentazione. A seconda del tipo di trasformatore e dell'applicazione, potrebbe esserci schermatura tra gli avvolgimenti primari e secondari. Lo scudo è collegato ad un riferimento a terra ed è utilizzato per impedire l'accoppiamento capacitivo tra i due insiemi di bobine. I trasformatori sono anche ampiamente utilizzati per fornire isolamento in modalità comune. Questi dispositivi trasferiscono l'energia collegando magneticamente le bobine laterali e secondarie in base ai segnali differenziali che passano attraverso i loro ingressi. Di conseguenza, la tensione CM che passa attraverso la bobina laterale sarà respinta, raggiungendo così lo scopo di isolamento in modalità comune. Tuttavia, nella produzione di trasformatori, c'è una capacità di sorgente di segnale tra gli avvolgimenti primari e secondari. Quando la frequenza del circuito aumenta, aumenta anche la capacità di accoppiamento capacitivo, distruggendo così l'effetto isolante del circuito. Se esiste una capacità parassitaria sufficiente, l'energia RF ad alta frequenza (da transienti veloci, ESD, fulmini, ecc.) può passare attraverso il trasformatore, facendo sì che il circuito dall'altro lato dell'isolamento riceva anche questa alta tensione istantanea o alta corrente. Le caratteristiche nascoste di vari componenti passivi sono state spiegate in dettaglio sopra e quanto segue spiegherà perché queste caratteristiche nascoste possono causare EMI nella scheda PCB.

6. Parlando di teoria elettromagnetica

Tutte le sostanze hanno una relazione compositiva con altre sostanze. Contiene:

1) Conduttività: Il rapporto tra corrente e campo elettrico (legge della materia di Ohm): J=σE.

2) Coefficiente di permeabilità: la relazione tra flusso magnetico e campo magnetico: B=μH.

3) Costante dielettrica: il rapporto tra accumulo di carica e campo elettrico: D=εE.

J = densità della corrente di conduzione, A/m2

σ= conducibilità della sostanza

E = forza del campo elettrico, V/m

D = densità di flusso elettrico, coulombi/m2

ε= permittività del vuoto, 8,85 pF/m

B = densità di flusso magnetico, Weber/m2 o Tesla

H = Campo magnetico, A/m

μ= permeabilità del mezzo, H/m

Secondo la legge di Gauss, l'equazione di Maxwell è conosciuta anche come teorema della separazione. Può essere utilizzato per tenere conto del campo elettrostatico E generato dall'accumulo di cariche. Questo fenomeno è osservato tra due confini: conduttivo e non conduttivo. Secondo la legge di Gauss, il comportamento in condizioni di confine produce una gabbia conduttiva (chiamata anche gabbia Faraday) che funge da scudo elettrostatico. In un'area chiusa circondata da una scatola Faraday, le onde elettromagnetiche provenienti dall'esterno che la circondano non possono entrare in quest'area. Se c'è un campo elettrico nella scatola di Faraday, al suo limite, la carica elettrica generata da questo campo elettrico è concentrata all'interno del confine. Le cariche al di fuori del confine sono rifiutate dal campo elettrico interno sulla scheda PCB.