PCB技術 - EMI/EMC設計におけるPCB受動素子の隠れた特性解析

従来、EMCは「ブラックマジック」として扱われてきました。実際、EMCは数式で理解できます。しかし、使用可能な数学的解析方法があっても、これらの数学的方程式は実際のEMC回路設計にとって複雑すぎる。幸いなことに、実際の作業のほとんどでは、エンジニアはEMC仕様に存在する複雑な数式や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るだけで、EMCの要件を満たす方法を理解できます。

本文は簡単な数学式と電磁理論を用いてプリント基板上の受動素子の隠れた挙動と特性を説明する。エンジニアがEMC規格を通過させるためには、事前にこれらの要件を設計する必要があります。基本的な知識が必要です。

配線とPCBトレース

一見目立たない部品、例えば電線、トレース、固定フレームなどは、無線周波数エネルギーの最適な送信機（すなわちEMIの源）になることが多い。各素子には、シリコンウェハのボンディングワイヤ、抵抗器、コンデンサ、インダクタのピンなどのインダクタンスがあります。各ワイヤまたはトレースには、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、周波数に非常に敏感になります。LC（自己共振周波数を決定する）の値とPCBトレースの長さに基づいて、素子とPCBトレースに自己共振（自己共振）を発生させ、効率的な放射アンテナを形成することができる。

低周波数では、ワイヤは通常、抵抗特性のみを有する。しかし、高周波では、ワイヤはインダクタンスの特性を持っている。高周波になるとインピーダンスが変化し、配線またはPCBトレースと接地間のEMC設計が変更されるためです。この場合、接地面と接地網を使用する必要があります。

導線とPCBトレースの主な違いは、導線が円形で、トレースが矩形であることです。導線またはトレースのインピーダンスには、抵抗RとインピーダンスXL＝2λfLが含まれる。高周波では、インピーダンスはZ＝R＋j XL j 2λfLと定義され、インピーダンスXc＝1／2λfCは存在しない。周波数が100 kHzより高い場合、インダクタンスは抵抗より大きい。このとき、ワイヤまたはトレースはもはや低抵抗接続ワイヤではなく、インダクタンスである。一般に、オーディオ周波数以上で動作する電線またはトレースは、もはや抵抗とみなすことなく、インダクタンスとみなされるべきであり、無線周波数アンテナであってもよい。

ほとんどのアンテナの長さは、ある周波数の1/4または1/2波長に等しい。したがって、EMC仕様では、突然高性能アンテナになるため、ワイヤまたはトレースは、ある周波数の島/20以下では動作できません。インダクタンスと容量は回路の共振を引き起こし、この現象はそれらの規格に記録されない。

たとえば、R=57 m、8 nH/cmの10 cmのトレースがあると仮定すると、総インダクタンス値は80 nHになります。100 kHzでは、50 mのインダクタンスが得られる。周波数が100 kHzを超えると、このトレースはインダクタンスになり、その抵抗値は無視できる。したがって、周波数が150 MHzを超えると、この10 cmトレースは有効な放射アンテナを形成する。150 MHzでは波長が2メートルであるため、10センチ=トレース長、周波数が150 MHzを超えると、その波長Islaは小さくなり、その1/4 Islaまたは1/2 Islaの値はトレースの長さ（10 cm）に近づくので、徐々に完璧なアンテナが形成されます。

に反対

抵抗器はPCB上で最も一般的な部品である。抵抗器の材料（炭素合成、炭素膜、マイカ、巻線タイプなど）は周波数応答の影響とEMCの影響を制限している。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。炭素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が大きくないため、高周波用途に適していることがある。

よく見落とされるのは、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つの端子の間に存在する。それらは非常に高い周波数で正常な回路特性を破壊し、特に周波数がGHzに達すると。しかし、ほとんどの応用回路にとって、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ない。

抵抗が過電圧応力（過電圧応力）テストを受ける場合、抵抗の変化に注意しなければならない。抵抗器に「静電放電（ESD）」現象が起きると、面白いことが起こります。抵抗器が表面実装アセンブリである場合、抵抗器はアークによって貫通される可能性が高い。抵抗器にピンがある場合、ESDは抵抗器の高抵抗（と高インダクタンス）経路を見つけ、抵抗器が保護する回路に入らないようにする。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ある。

キャパシタンス

キャパシタは通常、電源バスに使用され、デカップリング、バイパス、固定直流電圧と電流（大容量）を維持する機能を提供する。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、容量特性がインダクタンスのようになる。これは式で説明することができます：Xc=1/2λfC、Xcはインピーダンス（単位は島）です。例えば、10°fの電解コンデンサで、10 kHzでは、リアクタンスは1.6°である、100 MHzでは160島に下がった。したがって、100 MHzでは短絡効果があり、これは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（ESL）と等価直列抵抗（ESR）は、コンデンサが1 MHz未満の周波数でしか動作できないことを制限する。

コンデンサの使用もピンインダクタンスと体積構造と関係がある。これらの要因は寄生インダクタンスの数と大きさを決定する。コンデンサのワイヤ間に寄生インダクタンスが存在する。キャパシタが自己共振周波数を超えると、キャパシタはインダクタンスのように表現されます。そのため、コンデンサは本来の機能を失ってしまった。

インダクタンス

インダクタンスはPCB中のEMIを制御するために用いられる。インダクタにとって、そのインダクタンスリアクタンスは周波数に比例する。これは、XL=2λfL、XLはインダクタンスリアクタンス（単位は）である式によって説明することができる。例えば：理想的な10 mHインダクタ、10 kHzではインダクタは628、100 MHzでは6.2 M島に増加しました。したがって、100 MHzでは、このインダクタンスはオープンとみなすことができる。100 MHzでは、信号がインダクタンスを通過すると、信号の品質が低下する（これは時間領域から観察される）。コンデンサと同様に、インダクタの電気パラメータ（コイル間の寄生容量）は、インダクタが1 MHz未満の周波数でしか動作しないことを制限する。

問題は、インダクタンスが高周波で使用できない場合、何を使用すればいいのでしょうか。答えは、「フェライトビーズ」を使うべきだ。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（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は最小になる。鉄粉ビーズは一般的に高周波回路にのみ適用されます。低周波では、抵抗や抵抗素子を含むインダクタンスの完全な特性が基本的に保持されているため、線路にわずかな損失を与えることがあります。高周波では、基本的に1つの抵抗成分（jλL）しかなく、図1に示すように、周波数が高くなるにつれて抵抗成分が増加します。実際、鉄粉ビーズは無線周波数エネルギーの高周波減衰器である。

実際、鉄粉ビーズは並列抵抗器とインダクタと見なすことができる。低周波では、抵抗器はインダクタによって「短絡」され、電流はインダクタに流れる、高周波では、インダクタの高インダクタンスが抵抗器に電流を流すように強制している。

本質的には、鉄粉ビーズは高周波エネルギーを熱に変換する「散逸装置」である。したがって、性能については、インダクタンスではなく抵抗としか解釈できません。

図：鉄粉材料の特性

へんあつき

トランスは通常、電源に存在します。また、データ信号、I/O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。変圧器の種類や用途によっては、1次コイルと2次コイルの間に遮蔽がある可能性があります。2組のコイル間の容量結合を防止するために、アースに接続された基準ソースを遮蔽する。