PCB Tecnico - Analisi delle caratteristiche nascoste dei componenti passivi PCB nella progettazione EMI/EMC

Tradizionalmente, EMC è stato considerato come "magia nera". Infatti, EMC può essere compreso da formule matematiche. Tuttavia, anche se ci sono metodi di analisi matematica disponibili, queste equazioni matematiche sono ancora troppo complicate per la progettazione effettiva del circuito EMC. Fortunatamente, nella maggior parte dei lavori pratici, gli ingegneri non hanno bisogno di comprendere appieno quelle complesse formule matematiche e le basi teoriche esistenti nelle specifiche EMC. Finché vengono utilizzati semplici modelli matematici, possono capire come soddisfare i requisiti EMC. .

Questo articolo utilizza semplici formule matematiche e teoria elettromagnetica per illustrare i comportamenti nascosti e le caratteristiche dei componenti passivi sui circuiti stampati (PCB). Questi sono i requisiti che gli ingegneri devono progettare in anticipo quando vogliono far sì che i loro prodotti elettronici superino gli standard EMC. Deve avere conoscenze di base.

Traccia di filo e PCB

I componenti apparentemente poco appariscenti come fili, tracce, cornici di fissaggio, ecc. spesso diventano i migliori trasmettitori di energia a radiofrequenza (cioè la fonte di EMI). Ogni componente ha un'induttanza, che comprende i fili di legame del chip di silicio e i perni di resistenze, condensatori e induttori. Ogni filo o traccia contiene capacità parassitarie nascoste e induttanza. Questi componenti parassitari influenzano l'impedenza del filo e sono molto sensibili alla frequenza. Secondo il valore di LC (che determina la frequenza di auto-risonanza) e la lunghezza della traccia PCB, l'auto-risonanza (auto-risonanza) può essere generata tra un componente e la traccia PCB, formando così un'efficiente antenna radiante.

Alle basse frequenze, il filo generalmente ha solo le caratteristiche di resistenza. Ma alle alte frequenze, il filo ha le caratteristiche di induttanza. Poiché diventa alta frequenza, causerà il cambiamento di impedenza e quindi cambierà il design EMC tra il cavo o la traccia 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 PCB è che i fili sono rotondi e le tracce sono rettangolari. L'impedenza di un filo o traccia comprende la resistenza R e la reattività induttiva XL = 2πfL. Alle alte frequenze, questa impedenza è definita come Z = R + j XL j2πfL, e non c'è reazione capacitiva Xc = 1/2πfC. Quando la frequenza è superiore a 100 kHz, l'induttanza è maggiore della resistenza. In questo momento, il filo o la traccia non è più un cavo di collegamento a bassa resistenza, ma un'induttanza. In generale, i fili o le tracce che funzionano al di sopra della frequenza audio dovrebbero essere considerati come induttanza, e non possono più essere considerati come resistenza, e possono essere un'antenna a radiofrequenza.

La lunghezza della maggior parte delle antenne è pari a 1/4 o 1/2 lunghezza d'onda (Î") di una certa frequenza. Pertanto, nella specifica EMC, fili o tracce non sono autorizzati a lavorare sotto Î"/20 di una certa frequenza, perché questo trasformerà improvvisamente in un'antenna ad alte prestazioni. Induttanza e capacità causeranno la risonanza del circuito, questo fenomeno non sarà registrato nelle loro specifiche.

Ad esempio: Supponiamo che ci sia una traccia di 10 cm, R = 57 mΩ, 8 nH/cm, quindi il valore totale di induttanza è 80 nH. A 100 kHz è possibile ottenere un'induttanza di 50 mΩ . Quando la frequenza supera i 100 kHz, questa traccia diventerà un'induttanza e il suo valore di resistenza può essere ignorato. Pertanto, questa traccia di 10 cm formerà un'efficiente antenna radiante quando la frequenza supera i 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" sarà più piccola, e il suo valore 1/4Î" o 1/2Î" sarà prossimo alla lunghezza della traccia (10 cm), quindi si forma gradualmente un'antenna perfetta.

resistenza

La resistenza è il componente più comune trovato sul PCB. Il materiale della resistenza (sintesi del carbonio, film di carbonio, mica, tipo di avvolgimento... ecc.) limita l'effetto della risposta in frequenza e l'effetto di EMC. Le resistenze a filo non sono adatte per applicazioni ad alta frequenza perché c'è troppa induttanza nei fili. Sebbene le resistenze a film di carbonio contengano induttanza, a volte sono adatte per applicazioni ad alta frequenza perché l'induttanza dei suoi perni non è grande.

Ciò che la gente spesso trascura è la dimensione del pacchetto e la capacità parassitaria della resistenza. La capacità parassita esiste tra i due terminali della resistenza. Possono danneggiare le normali caratteristiche del circuito a frequenze estremamente elevate, specialmente quando la frequenza raggiunge GHz. Tuttavia, per la maggior parte dei circuiti di applicazione, la capacità parassitaria tra i pin della resistenza non è più importante dell'induttanza del pin.

Quando la resistenza è sottoposta alla prova di stress di sovratensione (stress di sovratensione), è necessario prestare attenzione al cambiamento di resistenza. Se si verifica un fenomeno di "scarica elettrostatica (ESD)" sulla resistenza, accadrà qualcosa di interessante. Se la resistenza è un componente di montaggio superficiale, è probabile che la resistenza sia penetrata dall'arco. Se la resistenza ha pin, ESD troverà il percorso di alta resistenza (e alta induttanza) di questa resistenza ed eviterà di entrare nel circuito protetto da questa resistenza. Infatti, il vero protettore sono le caratteristiche di induttanza e capacità nascoste da questa resistenza.

capacità

I condensatori sono generalmente utilizzati nel bus di alimentazione per fornire disaccoppiamento, bypass e mantenere una tensione continua fissa e funzioni di corrente (bulk). Un condensatore veramente puro manterrà il suo valore di capacità fino a raggiungere la frequenza autoresonante. Oltre questa frequenza di auto-risonanza, le caratteristiche di capacità diventeranno come un'induttanza. Questo può essere spiegato con la formula: Xc=1/2πfC, Xc è la reattività capacitiva (l'unità è Ω). Ad esempio: un condensatore elettrolitico 10μf, a 10 kHz, la reattività capacitiva è 1.6Ω; A 100 MHz, scende a 160μΩ. Pertanto, 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 (ESL) e resistenza di serie equivalente (ESR), limiteranno questo condensatore a funzionare solo a frequenze inferiori a 1 MHz.

L'uso dei condensatori è anche legato all'induttanza del perno e alla struttura del volume. Questi fattori determinano il numero e la dimensione delle induttanze parassitarie. L'induttanza parassita esiste tra i fili di saldatura del condensatore. Fanno sì che il condensatore si comporti come un'induttanza quando supera la frequenza di auto-risonanza. Pertanto, il condensatore perde la sua funzione originale.

induttanza

L'induttanza viene utilizzata per controllare l'EMI nel PCB. Per un induttore, la sua reattanza induttiva è proporzionale alla frequenza. Questo può essere spiegato con la formula: XL = 2πfL, XL è la reattività induttiva (l'unità è Ω). Ad esempio: un induttore ideale da 10 mH, a 10 kHz, l'induttanza è 628Ω; a 100 MHz, aumenta a 6,2 MΩ. Pertanto, a 100 MHz, questa induttanza può essere considerata un circuito aperto. A 100 MHz, se un segnale passa attraverso questa induttanza, la qualità del segnale diminuisce (questo viene osservato dal dominio temporale). Come il condensatore, i parametri elettrici di questo induttore (capacità parassitaria tra le bobine) limitano questo induttore a funzionare solo a frequenze inferiori a 1 MHz.

La domanda è: se l'induttanza non può essere utilizzata alle alte frequenze, cosa dovrebbe essere utilizzato? La risposta e' "perlina di ferrite" dovrebbe essere usata. Il materiale della polvere di ferro è ferro-magnesio o lega di ferro-nichel, questi materiali hanno alta permeabilità (permeabilità), sotto alta frequenza e alta impedenza, il valore di capacità tra le bobine nell'induttore sarà il più piccolo. Le perle di polvere di ferro sono solitamente adatte solo per circuiti ad alta frequenza, perché alle basse frequenze, fondamentalmente mantengono le caratteristiche complete di induttanza (compresi i componenti di resistenza e resistenza), quindi causeranno lievi perdite sulla linea. Alle alte frequenze, ha fondamentalmente solo una componente di resistenza (jÏ\L), e la componente di resistenza aumenterà man mano che la frequenza aumenta, come mostrato nella Figura 1. Infatti, le perle di polvere di ferro sono attenuatori ad alta frequenza per l'energia RF.

Infatti, le perle di polvere di ferro possono essere considerate come un resistore e un induttore in parallelo. Alle basse frequenze, la resistenza è "cortocircuitata" dall'induttore e la corrente scorre all'induttore; alle alte frequenze, l'alta induttanza dell'induttore costringe la corrente a fluire verso la resistenza.

In sostanza, le perle di polvere di ferro sono un "dispositivo dissipativo" che converte l'energia ad alta frequenza in calore. Pertanto, in termini di prestazioni, può essere spiegato solo come una resistenza, non un'induttanza.

Figura: Caratteristiche dei materiali in polvere di ferro

Trasformatore

I trasformatori di solito esistono negli alimentatori. Inoltre, possono essere utilizzati per isolare segnali dati, connessioni I/O e interfacce di alimentazione. A seconda del tipo e dell'applicazione del trasformatore, potrebbe esserci uno scudo tra le bobine primarie e secondarie. Lo scudo è collegato a una sorgente di riferimento messa a terra per impedire l'accoppiamento capacitivo tra i due insiemi di bobine.