PCB被動組件隱藏行為及特性

本文藉由簡單的數(shù)學(xué)公式和電磁理論，來說明在印刷電路板(PCB)上被動組件(passive component)的隱藏行為和特性，這些都是工程師想讓所設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品通過EMC標(biāo)準(zhǔn)時，事先所必須具備的基本知識。

　　導(dǎo)線和PCB走線

　　導(dǎo)線(wire)、走線(trace)、固定架……等看似不起眼的組件，卻經(jīng)常成為射頻能量的最佳發(fā)射器(亦即，EMI的來源)。每一種組件都具有電感，這包含硅芯片的焊線(bond wire)、以及電阻、電容、電感的接腳。每根導(dǎo)線或走線都包含有隱藏的寄生電容和電感。這些寄生性組件會影響導(dǎo)線的阻抗大小，而且對頻率很敏感。依據(jù)LC的值(決定自共振頻率)和PCB走線的長度，在某組件和PCB走線之間，可以產(chǎn)生自共振(self-resonance)，因此，形成一根有效率的輻射天線。

　　在低頻時，導(dǎo)線大致上只具有電阻的特性。但在高頻時，導(dǎo)線就具有電感的特性。因?yàn)樽兂筛哳l后，會造成阻抗大小的變化，進(jìn)而改變導(dǎo)線或PCB走線與接地之間的EMC設(shè)計(jì)，這時必需使用接地面(ground plane)和接地網(wǎng)格(ground grid)。

　　導(dǎo)線和PCB走線的最主要差別只在于，導(dǎo)線是圓形的，走線是長方形的。導(dǎo)線或走線的阻抗包含電阻R和感抗XL = 2πfL，在高頻時，此阻抗定義為Z = R + j XL j2πfL，沒有容抗Xc = 1/2πfC存在。頻率高于100 kHz以上時，感抗大于電阻，此時導(dǎo)線或走線不再是低電阻的連接線，而是電感。一般而言，在音頻以上工作的導(dǎo)線或走線應(yīng)該視為電感，不能再看成電阻，而且可以是射頻天線。

　　大多數(shù)天線的長度是等于某一特定頻率的1/4或1/2波長(λ)。因此在EMC的規(guī)范中，不容許導(dǎo)線或走線在某一特定頻率的λ/20以下工作，因?yàn)檫@會使它突然地變成一根高效能的天線。電感和電容會造成電路的諧振，此現(xiàn)象是不會在它們的規(guī)格書中記載的。

　　電阻

　　電阻是在PCB上最常見到的組件。電阻的材質(zhì)(碳合成、碳膜、云母、繞線型…等)限制了頻率響應(yīng)的作用和EMC的效果。繞線型電阻并不適合于高頻應(yīng)用，因?yàn)樵趯?dǎo)線內(nèi)存在著過多的電感。碳膜電阻雖然包含有電感，但有時適合于高頻應(yīng)用，因?yàn)樗慕幽_之電感值并不大。

　　一般人常忽略的是，電阻的封裝大小和寄生電容。寄生電容存在于電阻的兩個終端之間，它們在極高頻時，會對正常的電路特性造成破壞，尤其是頻率達(dá)到GHz時。不過，對大多數(shù)的應(yīng)用電路而言，在電阻接腳之間的寄生電容不會比接腳電感來得重要。

　　當(dāng)電阻承受超高電壓極限(overvoltage stress)考驗(yàn)時，必須注意電阻的變化。如果在電阻上發(fā)生了「靜電釋放(ESD)」現(xiàn)象，則會發(fā)生有趣的事。如果電阻是表面黏著(surface mount)組件，此電阻很可能會被電弧打穿。如果電阻具有接腳，ESD會發(fā)現(xiàn)此電阻的高電阻(和高電感)路徑，并避免進(jìn)入被此電阻所保護(hù)的電路。其實(shí)，真正的保護(hù)者是此電阻所隱藏的電感和電容特性。

　　電容

　　電容一般是應(yīng)用在電源總線(power bus)，提供去耦合(decouple)、旁路(bypass)、和維持固定的直流電壓和電流(bulk)之功能。真正單純的電容會維持它的電容值，直到達(dá)到自共振頻率。超過此自共振頻率，電容特性會變成像電感一樣。這可以由公式：Xc=1/2πfC來說明，Xc是容抗(單位是Ω)。例如：10μf的電解電容，在10 kHz時，容抗是1.6Ω;在100 MHz時，降到160μΩ。因此在100 MHz時，存在著短路(short circuit)效應(yīng)，這對EMC而言是很理想的。但是，電解電容的電氣參數(shù)：等效串聯(lián)電感(equivalent series inductance;ES L)和等效串聯(lián)電阻(equivalent series resistance;ESR)，將會限制此電容只能在頻率1 MHz以下工作。

　　電容的使用也和接腳電感與體積結(jié)構(gòu)有關(guān)，這些因素決定了寄生電感的數(shù)目和大小。寄生電感存在于電容的焊線之間，它們使電容在超過自共振頻率以上時，產(chǎn)生和電感一樣的行為，電容因此失去了原先設(shè)定的功能。

　　電感

　　電感是用來控制PCB內(nèi)的EMI。對電感而言，它的感抗是和頻率成正比的。這可以由公式：XL = 2πfL來說明，XL是感抗(單位是Ω)。例如：一個理想的10 mH電感，在10 kHz時，感抗是628Ω;在100 MHz時，增加到6.2 MΩ。因此在100 MHz時，此電感可以視為開路(open circuit)。在100 MHz時，若讓一個訊號通過此電感，將會造成此訊號質(zhì)量的下降(這是從時域來觀察)。和電容一樣，此電感的電氣參數(shù)(線圈之間的寄生電容)限制了此電感只能在頻率1 MHz以下工作。

　　問題是，在高頻時，若不能使用電感，那要使用什么呢?答案是，應(yīng)該使用「鐵粉珠(ferrite bead)」。鐵粉材料是鐵鎂或鐵鎳合金，這些材 料具有高的導(dǎo)磁系數(shù)(permeability)，在高頻和高阻抗下，電感內(nèi)線圈之間的電容值會最小。鐵粉珠通常只適用于高頻電路，因?yàn)樵诘皖l時，它們基本上是保有電感的完整特性(包含有電阻和抗性分量)，因此會造成線路上的些微損失。在高頻時，它基本上只具有抗性分量(jωL)，并且抗性分量會隨著頻率上升而增加，如附圖一所示。實(shí)際上，鐵粉珠是射頻能量的高頻衰減器。

　　其實(shí)，可以將鐵粉珠視為一個電阻并聯(lián)一個電感。在低頻時，電阻被電感「短路」，電流流往電感;在高頻時，電感的高感抗迫使電流流向電阻。

　　本質(zhì)上，鐵粉珠是一種「耗散裝置(dissipative device)」，它會將高頻能量轉(zhuǎn)換成熱能。因此，在效能上，它只能被當(dāng)成電阻來解釋，而不是電感。

　　圖一：鐵粉材料的特性

　　變壓器

　　變壓器通常存在于電源供應(yīng)器中，此外，它可以用來對數(shù)據(jù)訊號、I/O連結(jié)、供電接口做絕緣。根據(jù)變壓器種類和應(yīng)用的不同，在一次側(cè)(primary)和二次側(cè)(secondary)線圈之間，可能有屏蔽物(shield)存在。此屏蔽物連接到一個接地的參考源，是用來防止此兩組線圈之間的電容耦合。

　　變壓器也廣泛地用來提供共模(common mode;CM)絕緣。這些裝置根據(jù)通過其輸入端的差模(differential mode;DM)訊號，來將一次側(cè)線圈和二次側(cè)線圈產(chǎn)生磁性連結(jié)，以傳遞能量。其結(jié)果是，通過一次側(cè)線圈的CM電壓會被排拒，因此達(dá)到共模絕緣的目的。不過，在制造變壓器時，在一次側(cè)和二次側(cè)線圈之間，會有訊號源電容存在。當(dāng)電路頻率增加時，電容耦合能力也會增強(qiáng)，因此破壞了電路的絕緣效果。若有足夠的寄生電容存在的話，高頻的射頻能量(來自快速瞬變、ESD、雷擊……等)可能會通過變壓器，導(dǎo)致在絕緣層另一端的電路，也會接收到此瞬間變化的高電壓或高電流。

　　上面已經(jīng)針對各種被動組件的隱藏特性做了詳盡的說明，底下將解釋為何這些隱藏特性會在PCB中造成EMI。