PCB Блог - Анализ скрытых характеристик пассивных компонентов печатных плат

В этой статье используются простые математические формулы и электромагнитная теория для объяснения скрытого поведения и характеристик пассивных компонентов на печатных плат. Это базовые знания, которые инженеры должны иметь заранее при разработке электронных продуктов, соответствующих стандарту ЭМС. . Традиционно EMC считалась черной магией. На самом деле ЭМС можно понять с помощью математических формул. Однако, даже если можно использовать методы математического анализа, эти математические формулы все еще слишком сложны для реального проектирования схемы ЭМС. Слишком сложно. К счастью, в большинстве практических работ инженерам не нужно полностью понимать сложные математические формулы и теоретическую основу, которая существует в спецификации ЭМС, поскольку используются простые математические модели, они могут понять, как выполнить требования ЭМС.

1. Следы проводов и печатных плат

Незаметные на первый взгляд компоненты, такие как провода, дорожки, приспособления и т. д., часто становятся передатчиками радиочастотной энергии (т. е. электромагнитных помех). Каждый компонент имеет катушку индуктивности, которая включает в себя соединительные провода кремниевого чипа и выводы резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности. Каждый провод или дорожка содержат скрытую паразитную емкость и индуктивность. Эти паразитные компоненты влияют на импеданс провода и чувствительны к частоте. В зависимости от значения LC (которое определяет частоту собственного резонанса) и длины дорожки печатной платы может возникнуть собственный резонанс между компонентом и дорожкой печатной платы, что приводит к формированию эффективной излучающей антенны. На низких частотах провод грубо говоря только резистивный. Но на высоких частотах провод имеет характеристики индуктивности. Потому что после перехода на высокую частоту это приведет к изменению импеданса, а затем изменит конструкцию ЭМС между проводом или дорожкой платы печатной платы и землей. В это время необходимо использовать заземляющую плоскость и заземляющую сетку. Основное различие между проводами и дорожками печатной платы заключается в том, что провода круглые, а дорожки прямоугольные. Импеданс провода или дорожки состоит из сопротивления R и индуктивного сопротивления XL = 2 мкФ, на высоких частотах этот импеданс определяется как Z = R + j XL j2 мкФ, а емкостного сопротивления Xc = 1/2 мкФ не существует. . Когда частота выше 100 кГц, индуктивное сопротивление больше, чем сопротивление. В это время провод или дорожка больше не является соединительным проводом с низким сопротивлением, а представляет собой индуктивность. Как правило, провода или дорожки, которые работают над звуком, следует считать индуктивными и больше не могут считаться сопротивлением, а могут быть радиочастотной антенной. Длина большинства антенн равна 1/4 или 1/2 длины волны (λ) определенной частоты. Поэтому в спецификациях по электромагнитной совместимости провода или дорожки не могут работать ниже 0/20 определенной частоты, потому что это может внезапно превратить их в высокоэффективную антенну. Индуктивность и емкость вызывают резонанс цепи, что не указано в их спецификациях. Пример: Предполагая, что дорожка длиной 10 см, R = 57 мОм, 8 нГ/см, поэтому общая индуктивность составляет 80 нГн. На частоте 100 кГц получается индуктивное сопротивление 50 мОм. На частотах выше 100 кГц эта трасса становится индуктивной, и ее сопротивление становится пренебрежимо малым. Следовательно, эта 10-сантиметровая трасса образует эффективную излучающую антенну на частотах выше 150 МГц. Поскольку на частоте 150 МГц его длина волны λ = 2 метра, поэтому λ/20 = 10 см = длина трассы; если частота больше 150 МГц, то ее длина волны О» станет меньше, а ее значение 1/4 О» или 1/2 О» будет близко к длине трассы (10 см), поэтому постепенно формируется идеальная антенна. .

2. Сопротивление

Резисторы являются обычными компонентами, которые можно найти на печатных платах. Материал резистора (углеродный композит, углеродная пленка, слюда, проволочная обмотка и т. д.) ограничивает влияние частотной характеристики и влияние электромагнитной совместимости. Резисторы с проволочной обмоткой не подходят для высокочастотных применений, поскольку провод имеет слишком большую индуктивность. Хотя резистор из углеродной пленки содержит индуктивность, он иногда подходит для высокочастотных приложений, поскольку значение индуктивности его контактов невелико. Большинство людей часто упускают из виду размер корпуса и паразитную емкость резистора. Между двумя выводами резистора существуют паразитные емкости, которые могут нарушать нормальные характеристики цепи на очень высоких частотах, особенно до ГГц. Однако для большинства прикладных схем паразитная емкость между выводами резистора не будет более важной, чем индуктивность вывода. Когда сопротивление подвергается испытанию пределом сверхвысокого напряжения, необходимо обратить внимание на изменение сопротивления. Интересные вещи могут произойти, если на резисторе возникает электростатический разряд. Если резистор является компонентом для поверхностного монтажа, резистор, скорее всего, будет пробит дугой. Если у резистора есть контакты, ESD находит путь с высоким сопротивлением (и высокой индуктивностью) для резистора и избегает входа в цепь, защищенную резистором. На самом деле настоящим защитником являются скрытые индуктивные и емкостные характеристики этого резистора.

3. Конденсатор

Конденсаторы обычно применяются к силовой шине для обеспечения развязки, обхода и поддержания постоянного напряжения и тока. По-настоящему чистый конденсатор сохранит свое значение емкости до тех пор, пока не будет достигнута собственная резонансная частота. За пределами этой собственной резонансной частоты емкостное поведение становится похожим на индуктор. Это можно проиллюстрировать формулой: Xc=1/2Ï€fC, где Xc — емкостное реактивное сопротивление (в Ом). Например: для электролитического конденсатора на 10 мкФ при частоте 10 кГц емкостное сопротивление равно 1,6 Ом; на 100МГц она падает до 160мГц. Таким образом, на частоте 100 МГц возникает эффект короткого замыкания, что идеально для ЭМС. Однако электрические параметры электролитических конденсаторов: эквивалентная последовательная индуктивность и эквивалентное последовательное сопротивление ограничивают работу этого конденсатора только на частотах ниже 1 МГц. Использование конденсаторов также связано с индуктивностью выводов и объемной структурой, которые определяют количество и размер паразитных индуктивностей. Паразитная индуктивность существует между соединительными проводами конденсатора, и они заставляют конденсатор вести себя как индуктор, когда он превышает собственную резонансную частоту, и конденсатор теряет свою первоначальную функцию.

4. Индуктивность

Катушки индуктивности используются для контроля электромагнитных помех внутри печатной платы. Для индуктора его индуктивное сопротивление пропорционально частоте. Это можно проиллюстрировать формулой: XL = 2 мкФ, где XL — индуктивное сопротивление (в Ом). Например, идеальная катушка индуктивности 10 мГн на частоте 10 кГц имеет индуктивность 628 Ом; на частоте 100 МГц она увеличивается до 6,2 МОм. Так что на частоте 100 МГц эту катушку индуктивности можно считать разомкнутой. На частоте 100 МГц прохождение сигнала через эту катушку индуктивности приведет к ухудшению качества сигнала (это наблюдается во временной области). Как и у конденсатора, электрические параметры этого индуктора (паразитная емкость между катушками) ограничивают работу этого индуктора частотами ниже 1 МГц. Вопрос в том, на высоких частотах, если вы не можете использовать катушку индуктивности, что вы должны использовать? Ответ заключается в том, что следует использовать шарики из железного порошка. Материалы из железного порошка представляют собой железо-магниевые или железо-никелевые сплавы, эти материалы обладают высокой магнитной проницаемостью, а при высокой частоте и высоком импедансе значение емкости между катушками в индукторе будет уменьшено. Шарики из железного порошка обычно подходят только для высокочастотных цепей, потому что на низких частотах они в основном сохраняют полные характеристики индуктивности (включая резистивную и реактивную составляющие), поэтому они будут вызывать некоторые потери в линии. На высоких частотах он в основном имеет только резистивную составляющую (jωL), а резистивная составляющая увеличивается с частотой. По сути, шарики из железного порошка являются высокочастотными аттенюаторами радиочастотной энергии. Фактически шарик из железного порошка можно рассматривать как резистор, подключенный параллельно катушке индуктивности. На низких частотах резистор индуктируется (закорачивается), и на катушку индуктивности течет ток; на высоких частотах высокое индуктивное сопротивление катушки индуктивности заставляет ток течь через резистор. По сути, железная бусина — это диссипативное устройство, которое преобразует высокочастотную энергию в тепло. Следовательно, с точки зрения эффективности его можно интерпретировать только как сопротивление, а не как индуктивность.

5. Трансформатор

Трансформаторы обычно находятся в блоках питания. Кроме того, их можно использовать для изоляции сигналов данных, соединений ввода-вывода и интерфейсов питания. В зависимости от типа трансформатора и применения между первичной и вторичной обмотками может быть экран. Экран подключен к заземлению и используется для предотвращения емкостной связи между двумя наборами катушек. Трансформаторы также широко используются для обеспечения изоляции синфазных помех. Эти устройства передают энергию путем магнитной связи боковой и вторичной катушек на основе сигналов дифференциального режима, проходящих через их входы. В результате, напряжение СМ, проходящее через боковую катушку, будет отклоняться, таким образом достигая цели изоляции синфазного режима. Однако при изготовлении трансформаторов между первичной и вторичной обмотками имеется емкость источника сигнала. Когда частота цепи увеличивается, способность емкостной связи также увеличивается, тем самым разрушая изолирующий эффект цепи. Если существует достаточная паразитная емкость, высокочастотная радиочастотная энергия (от быстрых переходных процессов, электростатических разрядов, ударов молнии и т. д.) может проходить через трансформатор, в результате чего цепь на другой стороне изоляции также получает это мгновенное высокое напряжение или большой ток. . Скрытые характеристики различных пассивных компонентов были подробно объяснены выше, а ниже поясняется, почему эти скрытые характеристики могут вызывать электромагнитные помехи в печатной плате.

6. Говоря об электромагнитной теории

Все вещества имеют композиционное отношение к другим веществам. Это содержит:

1) Проводимость: связь между током и электрическим полем (закон Ома о материи): J=σE.

2) Коэффициент магнитной проницаемости: соотношение между магнитным потоком и магнитным полем: B=0¼H.

3) Диэлектрическая проницаемость: связь между накоплением заряда и электрическим полем: D=εE.

J = плотность тока проводимости, А/м2

σ = проводимость вещества

E = напряженность электрического поля, В/м

D = плотность электрического потока, Кл/м2

ε= диэлектрическая проницаемость вакуума, 8,85 пФ/м

B = плотность магнитного потока, Вебер/м2 или Тесла

H = магнитное поле, А/м

μ= проницаемость среды, Гн/м

Согласно закону Гаусса уравнение Максвелла также известно как теорема разделения. Его можно использовать для учета электростатического поля E, возникающего из-за накопления зарядов. Это явление наблюдается между двумя границами: проводящей и непроводящей. Согласно закону Гаусса поведение в граничных условиях создает проводящую клетку (также называемую клеткой Фарадея), которая действует как электростатический экран. В замкнутом пространстве, окруженном ящиком Фарадея, электромагнитные волны извне, окружающие его, не могут проникнуть в это пространство. Если в ящике Фарадея есть электрическое поле, то на его границе электрический заряд, создаваемый этим электрическим полем, сосредоточен внутри границы. Заряды за границей отбрасываются внутренним электрическим полем на печатных плат.