Teknik PCB - Analisi Ciri-ciri Tersembunyi Komponen Passif PCB dalam Raka EMI/EMC

Secara tradisional, EMC telah dianggap sebagai "sihir hitam". Sebenarnya, EMC boleh dipahami dengan formula matematik. Namun, walaupun ada kaedah analisis matematik yang tersedia, persamaan matematik itu masih terlalu rumit untuk desain sirkuit EMC sebenar. Untungnya, dalam kerja yang paling praktik, jurutera tidak perlu memahami sepenuhnya formula matematik kompleks dan dasar teori yang wujud dalam spesifikasi EMC. Selama model matematik sederhana digunakan, mereka boleh memahami bagaimana untuk memenuhi keperluan EMC.

Artikel ini menggunakan formula matematik sederhana dan teori elektromagnetik untuk memperlihatkan perilaku tersembunyi dan ciri-ciri komponen pasif pada papan sirkuit cetak (PCB). Ini adalah keperluan yang jurutera perlu merancang sebelumnya apabila mereka mahu membuat produk elektronik mereka melepasi standar EMC. Pasti ada pengetahuan asas.

jejak wayar dan PCB

Komponen yang tampaknya tidak jelas seperti wayar, jejak, bingkai penyesuaian, dll. sering menjadi penghantar terbaik tenaga frekuensi radio (iaitu sumber EMI). Setiap komponen mempunyai induktan, 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 akan mempengaruhi kemudahan wayar dan sangat sensitif kepada frekuensi. Menurut nilai LC (yang menentukan frekuensi resonansi diri) dan panjang jejak PCB, resonansi diri (resonansi diri) boleh dijana diantara komponen dan jejak PCB, sehingga membentuk antena radiasi efisien.

Pada frekuensi rendah, wayar biasanya hanya mempunyai ciri-ciri perlawanan. Tetapi pada frekuensi tinggi, wayar mempunyai ciri-ciri induksi. Kerana ia menjadi frekuensi tinggi, ia akan menyebabkan perubahan impedance, dan kemudian mengubah desain EMC antara wayar atau jejak PCB dan tanah. Pada masa ini, pesawat tanah dan grid tanah mesti digunakan.

Perbezaan utama antara wayar dan jejak PCB adalah bahawa wayar adalah bulat dan jejak adalah segiempat. Impedansi wayar atau jejak termasuk 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 kapasitatif Xc = 1/2Ï-fC. Apabila frekuensi lebih tinggi dari 100 kHz, induktan lebih besar daripada resistensi. Pada masa ini, wayar atau jejak bukan lagi wayar yang menyambung perlawanan rendah, tetapi inductans. Secara umum, wayar atau jejak yang berfungsi di atas frekuensi audio patut dianggap sebagai induktan, dan tidak lagi dianggap sebagai resisten, dan boleh menjadi antena frekuensi radio.

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 bekerja di bawah λ/20 frekuensi tertentu, kerana ini akan tiba-tiba mengubahnya menjadi antena prestasi tinggi. Induksi dan kapasitasi akan menyebabkan resonansi sirkuit, fenomena ini tidak akan direkam dalam spesifikasi mereka.

Contohnya: Anggap ada jejak 10 cm, R = 57 m Ω, 8 nH/cm, jadi nilai induksi total ialah 80 nH. Pada 100 kHz, inductans 50 m Ω boleh dicapai. Apabila frekuensi melebihi 100 kHz, jejak ini akan menjadi induktan, dan nilai resistensinya boleh diabaikan. Oleh itu, jejak 10 cm ini akan membentuk antena radiasi efisien apabila frekuensi melebihi 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 lebih kecil, dan nilai 1/4λ atau 1/2λ akan menjadi Ia dekat dengan panjang jejak (10 cm), jadi antena sempurna membentuk secara perlahan-lahan.

resistensi

Resistor adalah komponen paling umum ditemui pada PCB. Material penentang (sintesis karbon, filem karbon, mika, jenis angin..., ...dll.) menghapuskan kesan balas frekuensi dan kesan EMC. Penegang luka wayar tidak sesuai untuk aplikasi frekuensi tinggi kerana terdapat terlalu banyak induktan dalam wayar. Walaupun resisten filem karbon mengandungi induktan, kadang-kadang mereka sesuai untuk aplikasi frekuensi tinggi kerana induktan pins tidak besar.

Apa yang orang sering mengabaikan adalah saiz pakej dan kapasitas parasit resistor. Kapensiensi parasitik wujud diantara dua terminal penentang. Mereka boleh merusak ciri-ciri litar normal pada frekuensi yang sangat tinggi, terutama apabila frekuensi mencapai GHz. Bagaimanapun, untuk kebanyakan sirkuit aplikasi, kapasitas parasit antara pin resistor tidak lebih penting daripada pin inductance.

Apabila penentangan mengalami ujian tekanan tegang berlebihan (tekanan tegang berlebihan), anda mesti perhatikan perubahan penentangan. Jika fenomena "discharge electrostatic (ESD)" berlaku pada resistor, sesuatu yang menarik akan berlaku. Jika penentang adalah komponen lekap permukaan, penentang mungkin akan menembus oleh lengkung. Jika penentang mempunyai pin, ESD akan mencari laluan penentang tinggi (dan induktan tinggi) penentang ini dan mengelak masuk sirkuit yang dilindungi oleh penentang ini. Sebenarnya, pelindung sebenar adalah ciri-ciri induktan dan kapasitas yang tersembunyi oleh penentang ini.

kapasitas

Kapasitor biasanya digunakan dalam bas kuasa untuk menyediakan pemisahan, bypass, dan menjaga tegangan DC tetap dan fungsi semasa (bulk). Kondensator yang benar-benar murni akan menyimpan nilai kapasitasinya sehingga ia mencapai frekuensi resonan diri. Selain frekuensi resonansi diri ini, ciri-ciri kapasitasi akan menjadi seperti induktan. Ini boleh dijelaskan dengan formula: Xc=1/2ϣfC, Xc adalah reaksi kapasitif (unit adalah Ω). Contohnya: kondensator elektrolitik 10μf, pada 10 kHz, reaksi kondensatif adalah 1.6Ω; pada 100 MHz, ia jatuh ke 160μΩ. Oleh itu, pada 100 MHz, terdapat kesan sirkuit pendek, yang ideal untuk EMC. Namun, parameter elektrik kondensator elektrolitik: induktansi siri yang sama (ESL) dan resistensi siri yang sama (ESR), akan hadapi kondensator ini hanya bekerja pada frekuensi di bawah 1 MHz.

Penggunaan kondensator juga berkaitan dengan induksi pin dan struktur volum. Faktor ini menentukan bilangan dan saiz induksi parasit. Induktan parasitik wujud diantara wayar penywelding kondensator. Mereka menyebabkan kondensator bertindak seperti induktan apabila ia melebihi frekuensi resonansi diri. Oleh itu, kondensator kehilangan fungsi asalnya.

induktan

Inductance digunakan untuk mengawal EMI dalam PCB. Untuk induktor, reaksi induktifnya adalah proporsional dengan frekuensi. Ini boleh dijelaskan dengan formula: XL = 2ϣfL, XL adalah reaksi induktif (unit adalah Ω). Contohnya: induktor ideal 10 mH, pada 10 kHz, induktor adalah 628Ω; pada 100 MHz, ia meningkat ke 6,2 M Ω. Oleh itu, pada 100 MHz, induktan ini boleh dianggap sebagai sirkuit terbuka. Pada 100 MHz, jika isyarat melewati induktan ini, kualiti isyarat akan berkurang (ini diperhatikan dari domain masa). Seperti kondensator, parameter elektrik induktor ini (kondensasi parasitik diantara kotol) menghapuskan induktor ini hanya bekerja pada frekuensi di bawah 1 MHz.

Pertanyaannya ialah, jika induktan tidak boleh digunakan pada frekuensi tinggi, apa yang patut digunakan? Jawapannya ialah, "ferrite bead" patut digunakan. Material bubuk besi adalah besi-magnesium atau legasi besi-nikel, bahan-bahan ini mempunyai permeabiliti tinggi (permeabiliti), di bawah frekuensi tinggi dan impedance tinggi, nilai kapasitasi diantara kotol dalam induktor akan menjadi yang paling kecil. Kacang bubuk besi biasanya hanya sesuai untuk sirkuit frekuensi tinggi, kerana pada frekuensi rendah, mereka pada dasarnya menyimpan ciri-ciri lengkap induktan (termasuk komponen resistensi dan resistensi), sehingga mereka akan menyebabkan kerugian sedikit di garis. Pada frekuensi tinggi, ia pada dasarnya hanya mempunyai komponen perlahan (j Ï·L), dan komponen perlahan akan meningkat semasa frekuensi meningkat, seperti yang dipaparkan dalam Figur 1. Sebenarnya, kacang bubuk besi adalah pengurang frekuensi tinggi untuk tenaga RF.

Sebenarnya, kacang bubuk besi boleh dianggap sebagai penentang dan induktor selari. Pada frekuensi rendah, resistor adalah "sirkuit pendek" oleh induktor, dan aliran semasa ke induktor; pada frekuensi tinggi, induktan tinggi induktor memaksa arus mengalir ke resistor.

Pada dasarnya, kacang bubuk besi adalah "peranti penyebaran" yang mengubah tenaga frekuensi tinggi menjadi panas. Oleh itu, dalam terma prestasi, ia hanya boleh dijelaskan sebagai perlawanan, bukan induksi.

Figur: Karakteristik bahan serbuk besi

Transformer

Penukar biasanya wujud dalam bekalan kuasa. Selain itu, mereka boleh digunakan untuk mengisolasi isyarat data, sambungan I/O, dan antaramuka bekalan kuasa. Bergantung pada jenis dan aplikasi penukar, mungkin ada perisai antara ikol utama dan sekunder. Perisai disambung ke sumber rujukan berdasar untuk mencegah sambungan kapasitatif antara dua set kola.