Data PCB - Analisi Karakteristik Tersembunyi Komponen Pasif Papan PCB

Artikel ini menggunakan formula matematik sederhana dan teori elektromagnetik untuk menjelaskan perilaku tersembunyi dan ciri-ciri komponen pasif pada Papan PCB. Saya...ni adalah pengetahuan asas yang jurutera mesti mempunyai di hadapan ketika merancang produk elektronik untuk melepasi piawai EMC. . Tradisional, EMC telah dianggap sebagai sihir hitam. Sebenarnya, EMC boleh dipahami dengan formula matematik. Namun, walaupun kaedah analisis matematik boleh digunakan, formula matematik itu masih terlalu banyak untuk desain sirkuit EMC sebenar. Terlalu rumit. Untungnya, dalam kerja yang paling praktik, jurutera tidak perlu memahami sepenuhnya formula matematik kompleks dan asas teori yang wujud dalam spesifikasi EMC, selama model matematik sederhana digunakan, mereka boleh faham bagaimana memenuhi keperluan EMC.

1. Kabel dan Papan PCB jejak

Nampaknya komponen yang tidak jelas seperti wayar, jejak, pemasangan, dll., sering menjadi penghantar tenaga RF (ie, EMI). Setiap komponen mempunyai induktor, yang termasuk wayar ikatan cip silikon, dan pins resistor, kondensator, dan induktor. Setiap wayar atau jejak mengandungi kapasitas parasit tersembunyi dan induktan. Komponen parasit ini mempengaruhi pengendalian wayar dan sensitif kepada frekuensi. Bergantung pada nilai LC (yang menentukan frekuensi resonan diri) dan panjang jejak PCB, resonansi diri boleh berlaku antara komponen dan jejak PCB, sehingga membentuk antena radiasi efisien. Pada frekuensi rendah, wayar hanya berlawan. Tetapi pada frekuensi tinggi, wayar mempunyai ciri-ciri induksi. Kerana selepas menjadi frekuensi tinggi, ia akan menyebabkan perubahan impedance, dan kemudian mengubah rancangan EMC antara jejak wayar atau papan PCB dan tanah. Pada masa ini, pesawat tanah dan grid tanah mesti digunakan. Perbezaan utama antara wayar dan jejak papan PCB adalah bahawa wayar bulat dan jejak segiempat. Impedasi wayar atau jejak terdiri dari resistensi R dan reaksi induktif XL = 2Ï-fL, pada frekuensi tinggi impedance ini ditakrif sebagai Z = R + j XL j2 Ï-fL, dan tiada reaksi kapasitif Xc = 1/2Ï-fC wujud. Apabila frekuensi lebih tinggi daripada 100 kHz, reaksi induktif lebih tinggi daripada resistensi. Pada masa ini, wayar atau jejak bukan lagi wayar sambungan yang bertentangan rendah, tetapi induksi. Secara umum, wayar atau jejak yang berfungsi di atas audio patut dianggap induktif dan tidak lagi dianggap resisten, dan boleh menjadi antena RF. Panjang kebanyakan antena sama dengan 1/4 atau 1/2 panjang gelombang (λ) frekuensi tertentu. Oleh itu, dalam spesifikasi EMC, wayar atau jejak tidak dibenarkan untuk beroperasi di bawah λ/20 frekuensi tertentu, kerana ini akan tiba-tiba mengubahnya menjadi antena efisiensi tinggi. Induktian dan kapasitasi menyebabkan resonansi sirkuit, yang tidak didokumentasikan dalam spesifikasi mereka. Contoh: Menganggap jejak 10 unit description in lists, R = 57 m Ω, 8 NH/cm, jadi total induktan adalah 80 NH. Pada 100 kHz, reaksi induktif 50 m Ω diperoleh. Pada frekuensi di atas 100 kHz, jejak ini menjadi induktif dan nilai resistensinya adalah tidak tertentu. Oleh itu, jejak 10 cm ini akan membentuk antena radiasi efisien pada frekuensi di atas 150 MHz. Kerana pada 150 MHz, panjang gelombang λ = 2 meter, jadi λ/20 = 10 cm = panjang jejak; jika frekuensi lebih besar dari 150 MHz, panjang gelombang λ akan menjadi lebih kecil, dan nilai 1/4λ atau 1/2λ akan dekat dengan panjang jejak (10 cm), jadi antena sempurna akan membentuk secara perlahan-lahan.

2. Resistance

Resistor adalah komponen umum ditemui pada Papan PCBs. Material penentang (komposit karbon, filem karbon, mika, luka wayar, dll.) menghapuskan kesan balas frekuensi dan kesan EMC. Penegang suara wayar tidak sesuai untuk aplikasi frekuensi tinggi kerana terdapat terlalu banyak induktan dalam wayar. Walaupun resistor filem karbon mengandungi induktan, kadang-kadang ia sesuai untuk aplikasi frekuensi tinggi kerana nilai induktan pins tidak besar. Kebanyakan orang sering mengabaikan saiz pakej dan kapasitas parasit resistor. Kapensiensi parasitik wujud diantara dua terminal penentang, dan mereka boleh mengganggu karakteristik sirkuit normal pada frekuensi yang sangat tinggi, terutama hingga GHz. Bagaimanapun, untuk kebanyakan sirkuit aplikasi, kapasitas parasit antara pin resistor tidak akan lebih penting daripada pin inductance. Apabila penentangan ditakdirkan ujian terhadap had tegangan ultra-tinggi, perhatian mesti diberikan kepada perubahan penentangan. Hal-hal yang menarik boleh berlaku jika pembuangan elektrostatik berlaku pada resistor. Jika penentang adalah komponen lekap permukaan, penentang mungkin akan ditembak dengan lengkung. Jika penentang mempunyai pin, ESD mendapati laluan penentang tinggi (dan induktan tinggi) untuk penentang dan menghindari memasuki sirkuit yang dilindungi oleh penentang. Sebenarnya, pelindung sebenar adalah ciri-ciri induktif dan kapasitif yang tersembunyi dari penentang ini.

3. Capacitor

Kapasitor secara umum dilaksanakan pada bas kuasa untuk menyediakan pemisahan, mengelak, dan mengekalkan tekanan DC konstan dan semasa. A truly pure capacitor will maintain its capacitance value until the self-resonant frequency is reached. Selain frekuensi resonan diri ini, perilaku kapasitif menjadi seperti induktor. Ini boleh digambarkan dengan formula: Xc=1/2Ï-fC, di mana Xc adalah reaksi kapasitatif (dalam Ω). Contohnya: untuk kondensator elektrolitik 10μf, pada 10 kHz, reaksi kondensatif adalah 1.6Ω; pada 100 MHz, ia jatuh ke 160μΩ. Jadi pada 100 MHz, terdapat kesan sirkuit pendek, yang ideal untuk EMC. Namun, parameter elektrik kondensator elektrolitik: induktan siri yang sama dan resisten siri yang sama, akan hadapi kondensator ini untuk bekerja hanya di bawah 1 MHz. Penggunaan kondensator juga berkaitan dengan induksi pin dan struktur volum, yang menentukan bilangan dan saiz induksi parasit. Induktan parasitik wujud diantara wayar ikatan kondensator, dan ia menyebabkan kondensator bertindak seperti induktor apabila ia melebihi frekuensi resonan diri, dan kondensator kehilangan fungsi asalnya.

4. Indukti

Induktor digunakan untuk mengawal EMI dalam PCB. Untuk induktor, reaksi induktifnya adalah proporsional dengan frekuensi. Ini boleh digambarkan dengan formula: XL = 2Ï-fL, di mana XL adalah reaksi induktif (dalam Ω). Contohnya induktor ideal 10 mH, pada 10 kHz, induksi adalah 628Ω; pada 100 MHz, ia meningkat ke 6,2 M Ω. Jadi pada 100 MHz, induktor ini boleh dianggap sirkuit terbuka. Pada 100 MHz, melewati isyarat melalui induktor ini akan menyebabkan kualiti isyarat rosak (ini diperhatikan dalam domain masa). Seperti kondensator, parameter elektrik induktor ini (kondensasi parasitik diantara kolis) mengatasi operasi induktor ini kepada frekuensi di bawah 1 MHz. The question is, at high frequencies, if you can't use an inductor, what should you use? Jawabannya adalah bahawa bulu besi patut digunakan. Bahan bubuk besi adalah logan besi-magnesium atau logan besi-nikel, bahan-bahan ini mempunyai permeabiliti magnetik tinggi, dan pada frekuensi tinggi dan impedance tinggi, nilai kapasitasi antara kola dalam induktor akan dikurangkan. Kacang bubuk besi biasanya hanya sesuai untuk sirkuit frekuensi tinggi, kerana, pada frekuensi rendah, mereka pada dasarnya menyimpan ciri-ciri lengkap induktan (termasuk komponen resisten dan reaktif), sehingga mereka akan menyebabkan beberapa kerugian pada garis. Pada frekuensi tinggi, ia pada dasarnya hanya mempunyai komponen resisten (j Ï·L), dan komponen resisten meningkat dengan frekuensi. Dalam kesan, kacang bubuk besi adalah pengurang frekuensi tinggi untuk tenaga RF. Sebenarnya, bola bubuk besi boleh dianggap sebagai penentang yang terhubung secara paralel dengan induktor. Pada frekuensi rendah, penentang disebabkan (pendek) dan aliran semasa ke induktor; pada frekuensi tinggi, reaksi induktif tinggi kuasa induktor semasa mengalir melalui resistor. Pada dasarnya, kacang besi adalah peranti yang mengubah tenaga frekuensi tinggi menjadi panas. Oleh itu, dalam terma efisiensi, ia hanya boleh ditafsirkan sebagai perlawanan, bukan induksi.

5. Transformer

Penukar biasanya ditemui dalam bekalan kuasa. Selain itu, mereka boleh digunakan untuk mengisolasi isyarat data, sambungan I/O, dan antaramuka kuasa. Bergantung pada jenis dan aplikasi pengubah, mungkin ada perlindungan antara angin utama dan sekunder. Perisai disambung ke rujukan tanah dan digunakan untuk mencegah sambungan kapasitif diantara dua set koli. Penukar juga digunakan secara luas untuk menyediakan pengisihan mod umum. Peranti ini memindahkan tenaga dengan menghubungkan secara magnetik ikol sisi dan sekunder berdasarkan isyarat mod berbeza melalui masukan mereka. Sebagai hasilnya, tekanan CM yang melewati kolam sisi akan ditolak, dengan itu mencapai tujuan pengisihan mod umum. Namun, dalam pembuatan pengubah, terdapat kapasitas sumber isyarat antara angin utama dan sekunder. Apabila frekuensi sirkuit meningkat, kemampuan sambungan kapasitatif juga meningkat, sehingga menghancurkan kesan pengisihan sirkuit. Jika kapasitas parasit yang cukup wujud, tenaga RF frekuensi tinggi (dari transient cepat, ESD, serangan kilat, dll.) boleh melewati pengubah, menyebabkan sirkuit di sisi lain insulasi juga menerima tegangan tinggi seketika atau arus tinggi ini. Karakteristik tersembunyi bagi pelbagai komponen pasif telah dijelaskan secara terperinci di atas, dan berikut akan menjelaskan mengapa karakteristik tersembunyi ini boleh menyebabkan EMI dalam papan PCB.

6. Bercakap tentang Teori Elektromagnetik

Semua bahan mempunyai hubungan komposisi dengan bahan lain. Ini mengandungi:

1) Keselamatan: Hubungan antara medan semasa dan elektrik (hukum materi Ohm): J=Ï[UNK]E.

2) Koeficien kemampuan: hubungan antara aliran magnetik dan medan magnetik: B=μH.

3) konstan dielektrik: hubungan antara penyimpanan muatan dan medan elektrik: D=εE.

J = ketepatan semasa kondukti, A/m2

σ= konduktiviti bahan

E = electric field strength, V/m

D = densiti aliran elektrik, coulombs/m2

ε= kebenaran vakum, 8.85 pF/m

B = Kepadatan aliran magnetik, Weber/m2 atau Tesla

H = Medan Magnetik, A/m

μ= permeabiliti medium, H/m

Menurut undang-undang Gauss, Persamaan Maxwell juga dikenali sebagai teorem pemisahan. It can be used to account for the electrostatic field E generated due to the accumulation of charges. Fenomen ini diperhatikan diantara dua sempadan: konduktif dan bukan konduktif. Menurut undang-undang Gauss, behavior under boundary conditions produces a conductive cage (also called a Faraday cage) that acts as an electrostatic shield. Dalam kawasan tertutup dikelilingi oleh kotak Faraday, gelombang elektromagnetik dari luar mengelilinginya tidak boleh masuk kawasan ini. Jika ada medan elektrik dalam kotak Faraday, di sempadannya, muatan elektrik yang dijana oleh medan elektrik ini berkonsentrasi di dalam sempadan. Hadiah diluar sempadan ditolak oleh medan elektrik dalaman pada Papan PCB.