被動組件在整個電子產(chǎn)業(yè)的位置,是和 IC 一樣,位處上游,是電子產(chǎn)品中不可缺的基本組件。電子電路有主動與被動兩種裝置,所謂被動組件不必接電就可以動作,而產(chǎn)生調(diào)節(jié)電流電壓、儲存靜電、防治電磁波干擾、過濾電流雜質(zhì)等的功能。
相對于主動組件,被動組件在電壓改變的時候,電阻和阻抗都不會隨之改變。
被動組件可以涵蓋三大類產(chǎn)品:電阻器、電感器和電容器。
傳統(tǒng)上,EMC一直被視為「黑色魔術(black magic)」。其實,EMC是可以藉由數(shù)學公式來理解的。不過,縱使有數(shù)學分析方法可以利用,但那些數(shù)學方程式對實際的
EMC電路設計而言,仍然太過復雜了。幸運的是,在大多數(shù)的實務工作中,工程師并不需要完全理解那些復雜的數(shù)學公式和存在于EMC規(guī)范中的學理依據(jù),只要藉由簡單的數(shù)學模型,就能夠明白要如何達到EMC的要求。
本文藉由簡單的數(shù)學公式和電磁理論,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計的電子產(chǎn)品通過EMC標準時,事先所必須具備的基本知識。
一、導線和PCB走線
導線(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,導線大致上只具有電阻的特性。但在高頻時,導線就具有電感的特性。因為變成高頻后,會造成阻抗大小的變化,進而改變導線或PCB走線與接地之間的EMC設計,這時必需使用接地面(ground plane)和接地網(wǎng)格(ground grid)。
導線和PCB走線的最主要差別只在于,導線是圓形的,走線是長方形的。導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線或走線應該視為電感,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,不容許導線或走線在某一特定頻率的λ/20以下工作,因為這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。
例如:假設有一根10公分的走線,R = 57 mΩ,8 nH/cm,所以電感值總共是80 nH。在100 kHz時,可以得到感抗50 mΩ。當頻率超過100 kHz以上時,此走線將變成電感,它的電阻值可以忽略不計。因此,此10公分的走線將在頻率超過150 MHz時,將形成一根有效率的輻射天線。因為在150 MHz時,其波長λ= 2公尺,所以λ/20 = 10公分 = 走線的長度;若頻率大于150 MHz,其波長λ將變小,其1/4λ或1/2λ值將接近于走線的長度(10公分),于是逐漸形成一根完美的天線。
二、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)限制了頻率響應的作用和EMC的效果。繞線型電阻并不適合于高頻應用,因為在導線內(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,尤其是頻率達到GHz時。不過,對大多數(shù)的應用電路而言,在電阻接腳之間的寄生電容不會比接腳電感來得重要。
當電阻承受超高電壓極限(overvoltage stress)考驗時,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,并避免進入被此電阻所保護的電路。其實,真正的保護者是此電阻所隱藏的電感和電容特性。
三、電容
電容一般是應用在電源總線(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,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;ESL)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構有關,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定的功能。
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