PCB部落格 - PCB板無源元件隱藏特性分析

本文使用簡單的數學公式和電磁理論來解釋無源元件的隱藏行為和特性 PCB電路板. 這些是工程師在設計電子產品以通過EMC標準時必須事先具備的基本知識. . 傳統上, EMC一直被視為黑魔法. 事實上, 電磁相容性可以通過數學公式來理解. 然而, 即使可以使用數學分析方法, 這些數學公式對於實際的EMC電路設計來說仍然太多. 太複雜了. 幸運地, 在大多數實際工作中, 工程師不需要完全理解電磁相容規範中存在的複雜數學公式和理論基礎, 只要使用簡單的數學模型, 他們能够理解如何滿足EMC要求.

1. 電線和 PCB板 踪迹

看似不顯眼的部件，如導線、痕迹、固定裝置等，通常會成為射頻能量（即EM我）的發射器。 每個元件都有一個電感器，電感器包括矽晶片的鍵合線以及電阻器、電容器和電感器的管脚。 每條導線或軌跡都包含隱藏的寄生電容和電感。 這些寄生元件會影響導線的阻抗，並對頻率敏感。 根據LC的值（决定自諧振頻率）和PCB軌跡的長度，元件和PCB軌跡之間可能會發生自諧振，從而形成有效的輻射天線。 在低頻率下，導線基本上只有電阻。 但在高頻下，導線具有電感特性。 因為在變成高頻後，它會引起阻抗的變化，然後改變導線或PCB板軌跡與地面之間的EMC設計。 此時，必須使用地平面和接地網。 導線和PCB板跡線之間的主要區別是導線是圓形的，跡線是矩形的。 導線或軌跡的阻抗由電阻R和感性電抗XL=2ÏÌfL組成，在高頻下，該阻抗定義為Z=R+j XL j2ÏÌfL，不存在容性電抗Xc=1/2ÏÌfC。 當頻率高於100 kHz時，感應電抗大於電阻。 此時，導線或軌跡不再是低電阻連接導線，而是電感。 一般來說，在音訊上方工作的導線或軌跡應被視為感應性的，不再被視為電阻，可以是射頻天線。 大多數天線的長度等於特定頻率的1/4或1/2波長（λ）。 囙此，在EMC規範中，導線或跡線不允許在低於某個頻率的λ/20下工作，因為這會突然將其變成高效天線。 電感和電容引起電路諧振，這在其規範中沒有記錄。 示例：假設軌跡為10 釐米，R=57 mÎ），8 NH/cm，則總電感為80 NH。 在100 kHz時，獲得50 mΩ的感應電抗。 在高於100 kHz的頻率下，該軌跡具有感應性，其電阻值可以忽略不計。 囙此，這條10釐米的軌跡將在150兆赫以上的頻率上形成有效的輻射天線。 因為在150 MHz時，其波長λ=2米，所以λ/20=10 cm=軌跡的長度； 如果頻率大於150 MHz，其波長λ將變小，其1/4λ或1/2λ值將接近軌跡的長度（10 cm），囙此逐漸形成完美的天線。

2、電阻

電阻器是PCB板上常見的元件。 電阻器的資料（碳複合材料、碳膜、雲母、繞線等）限制了頻率回應的影響和EMC的影響。 線繞電阻器不適合高頻應用，因為導線中的電感太大。 儘管碳膜電阻器包含電感，但它有時適合高頻應用，因為其引脚的電感值不大。 大多數人經常忽略的是電阻器的封裝尺寸和寄生電容。 寄生電容存在於電阻器的兩個端子之間，它們可以在非常高的頻率下破壞正常的電路特性，尤其是高達GHz的頻率。 然而，對於大多數應用電路，電阻器引脚之間的寄生電容不會比引脚電感更重要。 當電阻進行超高壓極限測試時，必須注意電阻的變化。 如果電阻器上發生靜電放電，就會發生有趣的事情。 如果電阻器是表面安裝部件，則電阻器很可能被電弧擊穿。 如果電阻器有引脚，靜電放電會為電阻器找到高電阻（和高電感）路徑，並避免進入受電阻器保護的電路。 事實上，真正的保護器是該電阻器隱藏的電感和電容特性。

3、電容器

電容器通常應用於電源匯流排，以提供去耦、旁路和保持恒定直流電壓和電流。 真正純淨的電容器將保持其電容值，直到達到自諧振頻率。 超過這個自諧振頻率，電容行為變得像一個電感器。 這可以通過公式來說明：Xc=1/2ÏÌfC，其中Xc是電容電抗（inÎ）。 例如：對於10mf電解電容器，在10 kHz時，電容電抗為1.6Î）； 在100 MHz時，它下降到160mÎ）。 囙此，在100 MHz時，會出現短路效應，這對EMC來說非常理想。 然而，電解電容器的電力參數：等效串聯電感和等效串聯電阻將限制該電容器僅在1 MHz以下工作。 電容器的使用還與引脚電感和體積結構有關，這决定了寄生電感的數量和大小。 電容器的鍵合線之間存在寄生電感，當電容器超過自諧振頻率時，寄生電感會導致電容器的行為類似於電感，電容器失去其原有功能。

4、電感

電感器用於控制PCB內的電磁干擾。 對於電感器，其感應電抗與頻率成正比。 這可以通過以下公式來說明：XL=2ÏνfL，其中XL是感應電抗（inÎ）。 例如，理想的10 mH電感，在10 kHz時，電感為628Î）； 在100 MHz時，它新增到6.2 MÎ）。 囙此，在100 MHz時，該電感器可視為開路。 在100 MHz時，通過該電感器的訊號將導致訊號質量下降（在時域中觀察到）。 與電容器一樣，該電感器的電力參數（線圈之間的寄生電容）將該電感器的工作頻率限制在1 MHz以下。 問題是，在高頻下，如果你不能使用電感器，你應該使用什麼？ 答案是應該使用鐵粉珠。 鐵粉資料是鐵鎂或鐵鎳合金，這些資料具有高磁導率，在高頻和高阻抗下，電感器中線圈之間的電容值將降低。 鐵粉珠通常只適用於高頻電路，因為在低頻時，它們基本上保留了電感的完整特性（包括電阻和無功分量），囙此會線上路上造成一些損耗。 在高頻下，它基本上只有一個電阻分量（jÏ L），電阻分量隨頻率新增。 實際上，鐵粉微珠是射頻能量的高頻衰减器。 事實上，鐵粉球可以被視為與電感器並聯的電阻器。 在低頻時，電阻被感應（短路），電流流向電感器； 在高頻下，電感器的高感應電抗迫使電流流過電阻器。 從本質上講，鐵珠是一種耗散裝置，將高頻能量轉化為熱量。 囙此，就效率而言，它只能解釋為電阻，而不是電感。

5、變壓器

變壓器通常存在於電源中。 此外，它們還可用於隔離數據訊號、輸入/輸出連接和電源介面。 根據變壓器類型和應用，一次繞組和二次繞組之間可能存在遮罩。 遮罩與接地基準相連，用於防止兩組線圈之間的電容耦合。 變壓器也廣泛用於提供共模絕緣。 這些裝置根據通過其輸入的差模訊號，通過磁性連接側面和二次線圈來傳輸能量。 囙此，通過側線圈的共模電壓將被拒絕，從而達到共模絕緣的目的。 然而，在變壓器製造過程中，一次繞組和二次繞組之間存在信號源電容。 當電路的頻率新增時，電容耦合能力也會新增，從而破壞電路的絕緣效果。 如果存在足够的寄生電容，高頻射頻能量（來自快速瞬變、靜電放電、雷擊等）可能會通過變壓器，導致絕緣另一側的電路也接收該暫態高壓或高電流。 以上詳細解釋了各種無源元件的隱藏特性，以下將解釋為什麼這些隱藏特性會導致PCB板中的電磁干擾。

6、談電磁理論

所有物質都與其他物質有成分關係。 其中包括：

1）電導率：電流和電場之間的關係（歐姆物質定律）：J=ÏE。

2）磁導率係數：磁通量和磁場之間的關係：B=mH。

3）介電常數：電荷存儲和電場之間的關係：D=εE。

J=傳導電流密度，A/m2

σ=物質的電導率

E=電場強度，V/m

D=電通量密度，庫侖/平方米

ε=真空介電常數，8.85 pF/m

B=磁通密度，韋伯/平方米或特斯拉

H=磁場，A/m

m=介質的滲透率，H/m

根據高斯定律, 麥克斯韋方程也稱為分離定理. 它可以用來解釋由於電荷積累而產生的靜電場E. 這種現象在兩個邊界之間觀察到：導電和非導電. 根據高斯定律, behavior under boundary conditions produces a conductive cage (also called a Faraday cage) that acts as an electrostatic shield. 在由法拉第盒包圍的封閉區域內, 來自周圍外部的電磁波無法進入該區域. 如果法拉第箱內有電場, 在其邊界處, 該電場產生的電荷集中在邊界內. 邊界外的電荷被其上的內部電場拒絕 PCB板.