PCBブログ - プリント基板の電子部品について

本文は簡単な数学式と電磁理論を用いてプリント基板（PCB board）上の受動素子の隠れた挙動と特性を説明します。これらは、エンジニアがEMC規格を通過するために電子製品を設計する際に必要な基本的な知識です。伝統的に、EMCはブラックマジックとして扱われてきました。実際、電磁互換性は数式で理解できます。しかし、数学的解析方法を使用することができても、これらの数式は実際のEMC回路設計には多すぎ、複雑すぎます。幸いなことに、多くの実際の作業では、エンジニアは電磁互換性規範に存在する複雑な数学式と理論的基礎を完全に理解する必要はありません。簡単な数学モデルを使用すれば、電磁互換性の要求をどのように満たすかを理解することができます。

1、配線とPCBボード

ワイヤ、痕跡、固定装置など、目立たないように見える部品は、通常、無線周波数エネルギー（すなわちEMI）の送信機になります。各素子には、シリコンチップのボンディングワイヤと、抵抗器、コンデンサ、インダクタのピンとを含むインダクタがあります。各ワイヤまたはトラックには、隠れた寄生容量とインダクタンスが含まれています。これらの寄生要素は、ワイヤのインピーダンスに影響を与え、周波数に敏感になります。LCの値（自己共振周波数を決定する）とPCB軌跡の長さに応じて、素子とPCB軌跡の間に自己共振が発生し、有効な放射アンテナを形成する可能性があります。低周波では、ワイヤは基本的に抵抗しかありません。しかし、高周波では、ワイヤはインダクタンス特性を持っています。高周波になるとインピーダンスが変化し、配線やPCBボードの軌跡と地面の間のEMC設計が変化するためです。この場合、地表面と接地網を使用する必要があります。導線とPCB板のトレースとの主な違いは、導線が円形で、トレースが矩形であることです。導線または軌跡のインピーダンスは抵抗Rと感性リアクタンスXL=2僣fLからなり、高周波では、このインピーダンスはZ=R+j XL j 2僣fLと定義され、容量リアクタンスXc=1/2僣fCは存在しません。周波数が100 kHzより高い場合、誘導リアクタンスは抵抗より大きいです。このとき、ワイヤまたはトラックはもはや低抵抗接続ワイヤではなく、インダクタンスです。一般に、オーディオの上で動作する導線または軌跡は誘導性とみなされ、もはや抵抗とみなされず、無線周波数アンテナであってもよいです。ほとんどのアンテナの長さは、特定の周波数の1/4または1/2波長（»）に等しいです。したがって、EMC仕様では、ワイヤまたはトレースは、高効率アンテナに突然変化するため、ある周波数未満の»/20で動作することはできません。インダクタンスと容量は回路共振を引き起こし、これはその仕様には記録されていません。例：軌跡が10 cm、R=57 mÎ）、8 NH/cmであると仮定すると、総インダクタンスは80 NHです。100 kHzで、50m　Agを取得する誘導リアクタンスです。100 kHzを超える周波数では、この軌跡は誘導性があり、その抵抗値は無視できます。そのため、この10センチの軌跡は150メガヘルツ以上の周波数に有効な放射アンテナを形成します。150 MHzでは、その波長φφ＝2メートルであるため、φφ／20＝10 cm＝軌跡の長さ、周波数が150 MHzを超えると、その波長が小さくなり、その1/4»または1/2»の値が軌跡の長さ（10 cm）に近づくため、徐々に完璧なアンテナが形成されます。

2、抵抗

抵抗器はPCB基板上で一般的な素子です。抵抗器の材料（炭素複合材料、炭素膜、マイカ、巻線など）は周波数応答の影響とEMCの影響を制限しています。ワイヤ巻線抵抗器は、ワイヤ内のインダクタンスが大きすぎるため、高周波用途には適していません。カーボン膜抵抗器はインダクタンスを含むが、ピンのインダクタンス値が大きくないため、高周波用途に適していることがあります。ほとんどの人がよく無視するのは、抵抗器のパッケージサイズと寄生容量です。寄生容量は抵抗器の2つの端子間に存在し、非常に高い周波数で正常な回路特性、特にGHzまでの周波数を破壊することができます。しかし、ほとんどの応用回路では、抵抗ピン間の寄生容量はピンインダクタンスよりも重要ではありません。抵抗が超高圧限界試験を行う場合は、抵抗の変化に注意しなければなりません。抵抗器に静電気放電が発生すると、面白いことが起こります。抵抗器が表面実装部品である場合、抵抗器はアークによって破壊される可能性が高いです。抵抗器にピンがある場合、ESDは抵抗器のために高抵抗（と高インダクタンス）経路を見つけ、抵抗器に保護された回路に入らないようにします。実際、本当のプロテクタはこの抵抗に隠されたインダクタンスと容量特性です。

3、コンデンサ

コンデンサは通常、電源バスに適用され、デカップリング、バイパス、および一定の直流電圧と電流を維持します。真の純粋なキャパシタは、自己共振周波数に達するまでキャパシタ値を維持します。この自己共振周波数を超えると、容量挙動はインダクタのようになります。これは下記公式のようになります。Xc=1/2ÏÌfC、ここでXcは容量リアクタンス（inÎ）。例：10Åの場合¼f電解コンデンサ、10 kHzでは、コンデンサリアクタンスは1.6Å）、100 MHzで160Åに低下しました¼Î）。そのため、100 MHzでは短絡効果が発生し、EMCにとって理想的です。しかし、電解コンデンサの電気パラメータ：等価直列インダクタンスと等価直列抵抗はコンデンサが1 MHz以下でしか動作しないことを制限します。コンデンサの使用はまたピンインダクタンスと体積構造と関係があり、これは寄生インダクタンスの数と大きさを決定します。コンデンサのボンディングライン間に寄生インダクタンスが存在し、キャパシタが自己共振周波数を超えると、寄生インダクタンスはキャパシタの挙動がインダクタンスに類似し、コンデンサはその本来の機能を失います。

4、インダクタンス

インダクタはPCB内の電磁干渉を制御するために使用されます。インダクタの場合、その誘導リアクタンスは周波数に比例します。これは、XL=2πfL、ここでXLは誘導リアクタンスです。例えば、理想的な10 mHインダクタンス、10 kHzでは、インダクタンスは628Å）、100 MHzでは6.2 MÎ）に増加しました。したがって、100 MHzでは、このインダクタはオープンとみなされます。100 MHzでは、インダクタを通過した信号は信号品質の低下（時間領域で観察）を引き起こします。コンデンサと同様に、このインダクタの電気パラメータ（コイル間の寄生容量）は、このインダクタの動作周波数を1 MHz以下に制限します。問題は、高周波でインダクタを使用できない場合は、何を使用すべきですか。答えは鉄粉ビーズを使うべきです。鉄粉材料は鉄マグネシウムまたは鉄ニッケル合金であり、これらの材料は高透磁率を有し、高周波と高インピーダンスの下で、インダクタ中のコイル間の容量値が低下します。鉄粉ビーズは通常、低周波ではインダクタの完全な特性（抵抗成分や無効成分を含む）を実質的に保持しているため、回路に損失をもたらす高周波回路にのみ適用されます。高周波では、基本的に抵抗成分（j‰L）、周波数とともに抵抗成分が増加します。実際、鉄粉微小ビーズは無線周波数エネルギーの高周波減衰器です。実際、鉄粉球はインダクタと並列に接続された抵抗器と見なすことができます。低周波では、抵抗が誘導（短絡）され、電流がインダクタに流れます。高周波では、インダクタの高誘導リアクタンスが抵抗器に電流を強制的に流します。本質的には、鉄ビーズは高周波エネルギーを熱に変換する散逸装置です。したがって、効率的には、インダクタンスではなく抵抗としか解釈できません。

5、変圧器

変圧器は通常、電源に存在します。また、データ信号、入出力接続、電源インタフェースを分離するためにも使用できます。変圧器のタイプと用途に応じて、一次巻線と二次巻線の間に遮蔽が存在する可能性があります。シールドは接地基準に接続され、2組のコイル間の容量結合を防止するために使用されます。トランスはコモンモード絶縁を提供するためにも広く使用されています。これらの装置は、その入力された差動モード信号に基づいて、側面と二次コイルを磁気的に接続することによってエネルギーを伝達します。したがって、サイドコイルを通過するコモンモード電圧は拒否され、コモンモード絶縁の目的を達成します。しかし、変圧器の製造過程では、一次巻線と二次巻線の間に信号源容量が存在します。回路の周波数が増加すると、容量結合能力も増加し、回路の絶縁効果を破壊します。十分な寄生容量が存在すると、高周波無線周波エネルギー（急速瞬間変化、静電放電、落雷などから）がトランスを通過し、絶縁された反対側の回路も瞬時高圧または高電流を受信する可能性があります。以上、各種受動素子の隠蔽特性について詳細に説明したが、これらの隠蔽特性がPCBボードにおける電磁干渉を引き起こす理由を以下のように説明致します。

6、電磁気学について

すべての物質は他の物質との組成関係を有します。

1)電気伝導率：電流と電場（オームの法則）の関係: J=σE.のようになります。

2)透過係数：磁束と磁場の関係: B=μH.のようになります。

3) 誘電率電荷蓄積と電場の関係: D=εE.のようになります。

J = 伝導電流密度（A/m2）

σ=物質の導電率

E = 電界強度（V/m）

D = 磁束密度（coulombs/m2）

ε= 真空誘電率（8.85 pF/m）

B = 磁束密度（Weber/m2 or Tesla）

H = 磁場（A/m）

μ= 媒体の浸透性（H/m）

ガウスの法則によれば、マクスウェル方程式は分離定理とも呼ばれます。電荷蓄積による静電場Eを説明するために使用することができます。この現象は導電性と非導電性の2つの境界の間で観察されています。ガウスの法則によると、境界条件下での挙動は、静電遮蔽として使用される導電ケージ（ファラデーケージとも呼ばれる）を生成します。ファラデーボックスで囲まれた閉鎖領域では、周囲の外部からの電磁波がこの領域に入ることができません。ファラデーボックス内に電界がある場合、その境界では、その電界で発生した電荷が境界内に集中します。境界外の電荷はPCB基板上の内部電界によって拒否されました。

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