PCB被動(dòng)組件隱藏行為及特性

本文藉由簡(jiǎn)單的數學(xué)公式和電磁理論，來(lái)說(shuō)明在印刷電路板(PCB)上被動(dòng)組件(passive component)的隱藏行為和特性，這些都是工程師想讓所設計的電子產(chǎn)品通過(guò)EMC標準時(shí)，事先所必須具備的基本知識。

　　導線(xiàn)和PCB走線(xiàn)

　　導線(xiàn)(wire)、走線(xiàn)(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(lái)源)。每一種組件都具有電感，這包含硅芯片的焊線(xiàn)(bond wire)、以及電阻、電容、電感的接腳。每根導線(xiàn)或走線(xiàn)都包含有隱藏的寄生電容和電感。這些寄生性組件會(huì )影響導線(xiàn)的阻抗大小，而且對頻率很敏感。依據LC的值(決定自共振頻率)和PCB走線(xiàn)的長(cháng)度，在某組件和PCB走線(xiàn)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(xiàn)。

　　在低頻時(shí)，導線(xiàn)大致上只具有電阻的特性。但在高頻時(shí)，導線(xiàn)就具有電感的特性。因為變成高頻后，會(huì )造成阻抗大小的變化，進(jìn)而改變導線(xiàn)或PCB走線(xiàn)與接地之間的EMC設計，這時(shí)必需使用接地面(ground plane)和接地網(wǎng)格(ground grid)。

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

　　大多數天線(xiàn)的長(cháng)度是等于某一特定頻率的1/4或1/2波長(cháng)(λ)。因此在EMC的規范中，不容許導線(xiàn)或走線(xiàn)在某一特定頻率的λ/20以下工作，因為這會(huì )使它突然地變成一根高效能的天線(xiàn)。電感和電容會(huì )造成電路的諧振，此現象是不會(huì )在它們的規格書(shū)中記載的。

　　電阻

　　電阻是在PCB上最常見(jiàn)到的組件。電阻的材質(zhì)(碳合成、碳膜、云母、繞線(xiàn)型…等)限制了頻率響應的作用和EMC的效果。繞線(xiàn)型電阻并不適合于高頻應用，因為在導線(xiàn)內存在著(zhù)過(guò)多的電感。碳膜電阻雖然包含有電感，但有時(shí)適合于高頻應用，因為它的接腳之電感值并不大。

　　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(gè)終端之間，它們在極高頻時(shí)，會(huì )對正常的電路特性造成破壞，尤其是頻率達到GHz時(shí)。不過(guò)，對大多數的應用電路而言，在電阻接腳之間的寄生電容不會(huì )比接腳電感來(lái)得重要。

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

　　電容

　　電容一般是應用在電源總線(xiàn)(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(huì )維持它的電容值，直到達到自共振頻率。超過(guò)此自共振頻率，電容特性會(huì )變成像電感一樣。這可以由公式：Xc=1/2πfC來(lái)說(shuō)明，Xc是容抗(單位是Ω)。例如：10μf的電解電容，在10 kHz時(shí)，容抗是1.6Ω;在100 MHz時(shí)，降到160μΩ。因此在100 MHz時(shí)，存在著(zhù)短路(short circuit)效應，這對EMC而言是很理想的。但是，電解電容的電氣參數：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(huì )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構有關(guān)，這些因素決定了寄生電感的數目和大小。寄生電感存在于電容的焊線(xiàn)之間，它們使電容在超過(guò)自共振頻率以上時(shí)，產(chǎn)生和電感一樣的行為，電容因此失去了原先設定的功能。

　　電感

　　電感是用來(lái)控制PCB內的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(lái)說(shuō)明，XL是感抗(單位是Ω)。例如：一個(gè)理想的10 mH電感，在10 kHz時(shí)，感抗是628Ω;在100 MHz時(shí)，增加到6.2 MΩ。因此在100 MHz時(shí)，此電感可以視為開(kāi)路(open circuit)。在100 MHz時(shí)，若讓一個(gè)訊號通過(guò)此電感，將會(huì )造成此訊號質(zhì)量的下降(這是從時(shí)域來(lái)觀(guān)察)。和電容一樣，此電感的電氣參數(線(xiàn)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(wèn)題是，在高頻時(shí)，若不能使用電感，那要使用什么呢?答案是，應該使用「鐵粉珠(ferrite bead)」。鐵粉材料是鐵鎂或鐵鎳合金，這些材 料具有高的導磁系數(permeability)，在高頻和高阻抗下，電感內線(xiàn)圈之間的電容值會(huì )最小。鐵粉珠通常只適用于高頻電路，因為在低頻時(shí)，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(huì )造成線(xiàn)路上的些微損失。在高頻時(shí)，它基本上只具有抗性分量(jωL)，并且抗性分量會(huì )隨著(zhù)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(gè)電阻并聯(lián)一個(gè)電感。在低頻時(shí)，電阻被電感「短路」，電流流往電感;在高頻時(shí)，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(huì )將高頻能量轉換成熱能。因此，在效能上，它只能被當成電阻來(lái)解釋?zhuān)皇请姼小?/p>

　　圖一：鐵粉材料的特性

　　變壓器

　　變壓器通常存在于電源供應器中，此外，它可以用來(lái)對數據訊號、I/O連結、供電接口做絕緣。根據變壓器種類(lèi)和應用的不同，在一次側(primary)和二次側(secondary)線(xiàn)圈之間，可能有屏蔽物(shield)存在。此屏蔽物連接到一個(gè)接地的參考源，是用來(lái)防止此兩組線(xiàn)圈之間的電容耦合。

　　變壓器也廣泛地用來(lái)提供共模(common mode;CM)絕緣。這些裝置根據通過(guò)其輸入端的差模(differential mode;DM)訊號，來(lái)將一次側線(xiàn)圈和二次側線(xiàn)圈產(chǎn)生磁性連結，以傳遞能量。其結果是，通過(guò)一次側線(xiàn)圈的CM電壓會(huì )被排拒，因此達到共模絕緣的目的。不過(guò)，在制造變壓器時(shí)，在一次側和二次側線(xiàn)圈之間，會(huì )有訊號源電容存在。當電路頻率增加時(shí)，電容耦合能力也會(huì )增強，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(huà)，高頻的射頻能量(來(lái)自快速瞬變、ESD、雷擊……等)可能會(huì )通過(guò)變壓器，導致在絕緣層另一端的電路，也會(huì )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(dòng)組件的隱藏特性做了詳盡的說(shuō)明，底下將解釋為何這些隱藏特性會(huì )在PCB中造成EMI。