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[EMC资料] EMI/EMC设计讲座(一)

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发表于 2009-1-20 16:02 | 显示全部楼层 |阅读模式
广东安规检测
有限公司提供:
       传统上,EMC一直被视为「黑色魔术(black magic)」。其实,EMC是可以藉由数学公式来理解的。不过,纵使有数学分析方法可以利用,但那些数学方程式对实际的EMC电路设计而言,仍然太过复杂了。幸运的是,在大多数的实务工作中,工程师并不需要完全理解那些复杂的数学公式和存在于EMC规范中的学理依据,只要藉由简单的数学模型,就能够明白要如何达到EMC的要求。. K+ M' b" D! P8 S

4 l& q% l( j6 Y7 l& a  ^/ ~  本文藉由简单的数学公式和电磁理论,来说明在印刷电路板(PCB)上被动组件(passive component)的隐藏行为和特性,这些都是工程师想让所设计的电子产品通过EMC标准时,事先所必须具备的基本知识。: Y2 q- `" a3 K7 {" b9 J) |
. x4 I+ T; X& o2 K% e/ E- k( Q# P
导线和PCB走线
! }- e" r$ ^/ A! ]$ |
7 r9 w+ Y7 J) d  导线(wire)、走线(trace)、固定架……等看似不起眼的组件,却经常成为射频能量的最佳发射器(亦即,EMI的来源)。每一种组件都具有电感,这包含硅芯片的焊线(bond wire)、以及电阻、电容、电感的接脚。每根导线或走线都包含有隐藏的寄生电容和电感。这些寄生性组件会影响导线的阻抗大小,而且对频率很敏感。依据LC的值(决定自共振频率)和PCB走线的长度,在某组件和PCB走线之   
# Y, I7 `- U# E+ S# }) k间,可以产生自共振(self-resonance),因此,形成一根有效率的辐射天线。# a+ t6 J" b5 _4 f: e

/ T' Y+ g; a4 c# F6 j% t7 k4 X. E- I  在低频时,导线大致上只具有电阻的特性。但在高频时,导线就具有电感的特性。因为变成高频后,会造成阻抗大小的变化,进而改变导线或PCB走线与接地之间的EMC设计,这时必需使用接地面(ground plane)和接地网格(ground grid)。2 u( ]% O8 K9 I7 d8 P

& Y- S1 S7 J3 B' \! C* M/ P" t$ k- l  导线和PCB走线的最主要差别只在于,导线是圆形的,走线是长方形的。导线或走线的阻抗包含电阻R和感抗XL = 2πfL,在高频时,此阻抗定义为Z = R + j XL j2πfL,没有容抗Xc = 1/2πfC存在。频率高于100 kHz以上时,感抗大于电阻,此时导线或走线不再是低电阻的连接线,而是电感。一般而言,在音频以上工作的导线或走线应该视为电感,不能再看成电阻,而且可以是射频天线。5 e4 v$ u6 Q+ j7 k1 V* j+ }5 q8 z. I
6 x' l# f  z$ m8 i) D4 T
  大多数天线的长度是等于某一特定频率的1/4或1/2波长(λ)。因此在EMC的规范中,不容许导线或走线在某一特定频率的λ/20以下工作,因为这会使它突然地变成一根高效能的天线。电感和电容会造成电路的谐振,此现象是不会在它们的规格书中记载的。
 楼主| 发表于 2009-1-20 16:03 | 显示全部楼层
  例如:假设有一根10公分的走线,R = 57 mΩ,8 nH/cm,所以电感值总共是80 nH。在100 kHz时,可以得到感抗50 mΩ。当频率超过100 kHz以上时,此走线将变成电感,它的电阻值可以忽略不计。因此,此10公分的走线将在频率超过150 MHz时,将形成一根有效率的辐射天线。因为在150 MHz时,其波长λ= 2公尺,所以λ/20 = 10公分 = 走线的长度;若频率大于150 MHz,其波长λ将变小,其1/4λ或1/2λ值将接近于走线的长度(10公分),于是逐渐形成一根完美的天线。
) [" Y3 K; b, ]+ C: R0 l0 f$ [1 U% E1 h
电阻
% p5 G0 z0 d% ^( i: n8 A6 c5 x1 p7 B2 H% k: d3 U* B( @
  电阻是在PCB上最常见到的组件。电阻的材质(碳合成、碳膜、云母、绕线型…等)限制了频率响应的作用和EMC的效果。绕线型电阻并不适合于高频应用,因为在导线内存在着过多的电感。碳膜电阻虽然包含有电感,但有时适合于高频应用,因为它的接脚之电感值并不大。. \; F5 \# ?% ^0 ~" r' {

% `/ |) f+ A6 @; V# C9 O  一般人常忽略的是,电阻的封装大小和寄生电容。寄生电容存在于电阻的两个终端之间,它们在极高频时,会对正常的电路特性造成破坏,尤其是频率达到GHz时。不过,对大多数的应用电路而言,在电阻接脚之间的寄生电容不会比接脚电感来得重要。- {8 G1 O* F( E. Z# {

4 P" y- ~) p% c! i$ w% ?  当电阻承受超高电压极限(overvoltage stress)考验时,必须注意电阻的变化。如果在电阻上发生了「静电释放(ESD)」现象,则会发生有趣的事。如果电阻是表面黏着(surface mount)组件,此电阻很可能会被电弧打穿。如果电阻具有接脚,ESD会发现此电阻的高电阻(和高电感)路径,并避免进入被此电阻所保护的电路。其实,真正的保护者是此电阻所隐藏的电感和电容特性。0 h6 h( J+ H5 B
   . m- P& \5 R9 W& F
电容! a! ~/ T+ U0 ?) y

6 n; b, F1 P! J  ?  电容一般是应用在电源总线(power bus),提供去耦合(decouple)、旁路(bypass)、和维持固定的直流电压和电流(bulk)之功能。真正单纯的电容会维持它的电容值,直到达到自共振频率。超过此自共振频率,电容特性会变成像电感一样。这可以由公式:Xc=1/2πfC来说明,Xc是容抗(单位是Ω)。例如:10μf的电解电容,在10 kHz时,容抗是1.6Ω;在100 MHz时,降到160μΩ。因此在100 MHz时,存在着短路(short circuit)效应,这对EMC而言是很理想的。但是,电解电容的电气参数:等效串联电感(equivalent series inductance;ES
# c% z+ U7 A% A1 [# u( ^" X  q8 ?/ J0 b+ y
L)和等效串联电阻(equivalent series resistance;ESR),将会限制此电容只能在频率1 MHz以下工作。
* y' D& z  s9 i9 b
( g" e8 p5 m: i/ K0 x7 C/ _
: v% l! n1 e0 }7 h3 e  电容的使用也和接脚电感与体积结构有关,这些因素决定了寄生电感的数目和大小。寄生电感存在于电容的焊线之间,它们使电容在超过自共振频率以上时,产生和电感一样的行为,电容因此失去了原先设定的功能。
" ]4 q2 {2 t+ }+ \, N. v   ; g$ H+ W$ y  c1 u% d# |9 ~
电感
7 Y( f1 K6 K% E& W/ O0 j' r% @! x, @% x! t( v
  
+ v& R. g7 D! r& P  电感是用来控制PCB内的EMI。对电感而言,它的感抗是和频率成正比的。这可以由公式:XL = 2πfL来说明,XL是感抗(单位是Ω)。例如:一个理想的10 mH电感,在10 kHz时,感抗是628Ω;在100 MHz时,增加到6.2 MΩ。因此在100 MHz时,此电感可以视为开路(open circuit)。在100 MHz时,若让一个讯号通过此电感,将会造成此讯号质量的下降(这是从时域来观察)。和电容一样,此电感的电气参数(线圈之间的寄生电容)限制了此电感只能在频率1 MHz以下工作。
: K9 b3 k: n5 w% D, B# D6 }+ S/ q
  问题是,在高频时,若不能使用电感,那要使用什么呢?答案是,应该使用「铁粉珠(ferrite bead)」。铁粉材料是铁镁或铁镍合金,这些材 料具有高的导磁系数(permeability),在高频和高阻抗下,电感内线圈之间的电容值会最小。铁粉珠通常只适用于高频电路,因为在低频时,它们基本上是保有电感的完整特性(包含有电阻和抗性分量),因此会造成线路上的些微损失。在高频时,它基本上只具有抗性分量(jωL),并且抗性分量会随着频率上升而增加,如附图一所示。实际上,铁粉珠是射频能量的高频衰减器。
3 a* N5 f! S* c. `4 o6 n2 k% K& h# L" r" u  Y3 H$ Q
  其实,可以将铁粉珠视为一个电阻并联一个电感。在低频时,电阻被电感「短路」,电流流往电感;在高频时,电感的高感抗迫使电流流向电阻。: V9 X  S( K" l3 Y5 R$ B' @
+ ]3 B1 p; ~: V/ a, ~" Z4 ~
  本质上,铁粉珠是一种「耗散装置(dissipative device)」,它会将高频能量转换成热能。因此,在效能上,它只能被当成电阻来解释,而不是电感。* O$ c1 I1 A$ R/ ^" X! i

, w7 L( s- M+ t& \: H+ y/ r% U) X
9 G. Z1 j. m9 `/ K
% L- y0 j0 n. P& o# I  u. L图一:铁粉材料的特性
1 E/ Y/ }8 u% q) n0 [   
2 F9 T8 b( Z$ V0 u变压器
; A& x% @" O8 w& D
* ~1 M  c1 ]+ T3 ?9 g  变压器通常存在于电源供应器中,此外,它可以用来对数据讯号、I/O连结、供电接口做绝缘。根据变压器种类和应用的不同,在一次侧(primary)和二次侧(secondary)线圈之间,可能有屏蔽物(shield)存在。此屏蔽物连接到一个接地的参考源,是用来防止此两组线圈之间的电容耦合。) P5 r0 P2 f: E% B

( \& r& f$ F! n) [2 z  变压器也广泛地用来提供共模(common mode;CM)绝缘。这些装置根据通过其输入端的差模(differential mode;DM)讯号,来将一次侧线圈和二次侧线圈产生磁性连结,以传递能量。其结果是,通过一次侧线圈的CM电压会被排拒,因此达到共模绝缘的目的。不过,在制造变压器时,在一次侧和二次侧线圈之间,会有讯号源电容存在。当电路频率增加时,电容耦合能力也会增强,因此破坏了电路的绝缘效果。若有足够的寄生电容存在的话,高频的射频能量(来自快速瞬变、ESD、雷击……等)可能会通过变压器,导致在绝缘层另一端的电路,也会接收到此瞬间变化的高电压或高电流。/ {. B  r) V  H& s- o/ A
2 H, O! A/ ~% L3 B
  上面已经针对各种被动组件的隐藏特性做了详尽的说明,底下将解释为何这些隐藏特性会在PCB中造成EMI。
 楼主| 发表于 2009-1-20 16:04 | 显示全部楼层
浅谈电磁理论. R6 e! S' e: |9 ?

% t# H" Z2 Y( R5 x, ^8 W7 e  y6 M& R  上述的被动组件具有隐藏特性,而且会在PCB中产生射频能量,但为何会如此呢?为了了解其原由,必须明白Maxwell方程式。Maxwell的四个方程式说明了电场和磁场之间的关系,而且它们是从Ampere定律、Faraday定律、和Gauss定律推论而来的。这些方程式描述了在一个闭回路环境中,电磁场强度和电流密度的特性,而且需要使用高等微积分来计算。因为Maxwell方程式非常的复杂,在此仅做简要的说明。其实,PCB布线工程师并不需要完全了解Maxwell方程式的详细知识,只要了解其中的重点,就能完成EMC设计。完整的Maxwell方程式条列如下:! O- {: r5 z6 D$ c; I% `7 Q2 [

$ Z8 j9 t3 r& Z第一定律:电通量(electric flux)(来自Gauss定律)* K8 u9 j- y$ T
& U- W% P7 p8 N' N# X
第二定律:磁通量(magnetic flux)(来自Gauss定律)0 h% U9 R0 r3 I7 s- k+ [+ j
& H( |" R2 Z2 A2 N5 Y  ^; T6 p
第三定律:电位(electric potential)(来自Faraday定律)
- O+ r& V/ i8 Z+ C1 n8 y3 W3 A/ p* J* P/ l
* \6 j- k0 j7 a% |  {& i第四定律:电流(electric current)(来自Ampere定律)4 _  R5 r/ ~! |, c) n
, F$ T/ I$ t# o
4 G; j: M4 J( f0 |( t* i$ e
在上述的方程式中,J、E、B、H是向量。此外,与Maxwell方程式相关的基本物理观念有:. T+ b4 f. P$ a5 l: Y
7 O  x& r. \, P8 W- t
  ●Maxwell方程式说明了电荷、电流、磁场和电场之间的交互作用。
3 Q0 J* Y6 u  I: p& Y* e; d+ Q; z/ Q: A" x1 V. ?
  ●可用「Lorentz力」来形容电场和磁场施加在带电粒子上的物理作用力。
2 }8 Z5 L" I  s0 P! q. u# a) F3 {/ }2 g* e
  ●所有物质对其它物质都具有一种组成关系。这包含:
' M9 A4 o( Y$ M6 Q* Y; l. F% X* J, k+ }) o3 }2 I# v
  1. 导电率(conductivity):电流与电场的关系(物质的奥姆定律):J=σE。
* }8 e1 O7 [2 y2. 导磁系数:磁通量和磁场的关系:B=μH。, _% Z% `$ w. @9 I( z5 d8 p' p
3. 介电常数(
; ]# h, `. H; O
/ i+ T' M4 E4 Q. [ % a* G+ P: u6 b
) S$ E5 S" m- z
dielectric constant):电荷储存和一个电场的关系:D=εE。
4 w+ s2 {- F- k+ @2 oJ = 传导电流密度,A/m2
0 ~- F! z2 g' y8 u# |) |σ= 物质的导电率
, C5 N- Y' L& i0 p: O5 KE = 电场强度,V/m
* _. }7 x  i8 ^  KD = 电通量密度,coulombs/ m2
- d# G# {4 H& O: {# E2 `  [ε= 真空电容率(permittivity),8.85 pF/m
" t% Y1 ?) [2 D) kB = 磁通量密度,Weber/ m2或Tesla/ z6 k7 p! ?4 k# R# r
H = 磁场,A/m
9 x+ c2 u1 w9 I" }μ= 媒材的导磁系数,H/m ( m# G& N& r. Y2 b

+ A1 ^& u0 _6 L& u/ G
. w) K# e  p% J7 _: G8 r  依据Gauss定律,Maxwell的第一方程式也称作「分离定理(divergence theorem)」。它可以用来说明由于电荷的累积,所产生的静电场(electrostatic field)E。这种现象,最好在两个边界之间做观察:导电的和不导电的。根据Gauss定律,在边界条件下的行为,会产生导电的围笼(也称作Faraday cage),充当成一个静电的屏蔽。在一个被Faraday箱包围的封闭区域,其外部四周的电磁波是无法进入此区域的。若在Faraday箱内有一个电场存在,则在其边界处,此电场所产生的电荷是集中在边界内侧的。在边界外侧的电荷会被内部电场排拒在外。$ T; H. D6 }  J+ u4 q

3 C3 y7 J5 g: _; L" p4 a7 P. p  Maxwell的第二方程式表示,在自然界没有磁荷(mag   ; u/ }1 }* ^2 [9 j% c' Z: X& p
netic charge)存在,只有电荷存在,也就是说没有单一磁极(magnetic monopole)存在。虽然,目前的统一场理论(Grand Unified Theory)预测有很少的磁荷存在,但迄今都无法从实验中证明。这些电荷是带正电的或负电的。磁场是透过电流和电场的作用产生的。由于电流和电场的发射,使它们成为辐射能量的来源点。磁场在电流四周形成一个封闭的循环,而磁场是由电流产生的。
7 Z/ \0 i5 m" D. G+ b2 W6 _
$ w- Q. Q" B6 Q$ `! l! r  Maxwell的第三方程式也称作「感应的Faraday定律」,说明当磁场环绕着一个封闭的电路时,此磁场会使此封闭电路产生电流。第三方程式和第四方程式是相伴的。第三方程式表示变动的磁场会产生电场。磁场通常存在于变压器或线圈,例如:马达、发电机…等。第三和第四方程式的交互作用,正是EMC的主要焦点。两者一起来说,它们说明了耦合的电场和磁场是如何以光速辐射或传播。这个方程式也说明了「集肤效应(skin effect)」的概念,它可以预测「磁屏蔽(magnetic shielding)」的有效性。此外,它也说明了电感的特性,而电感允许天线能合理地存在。' a. i; P+ \& p

, {4 \4 W9 ?6 Z+ k! `- H  Maxwell的第四方程式也称作Ampere定律。此方程式说明了产生磁场的两个来源。第一个来源是,电流以传输电荷的形式在流动。第二个来源是,当变动的电场环绕着一个封闭的电路时,会产生磁场。这些电和磁的来源,说明了电感和电磁的作用。在此方程式中,J就代表以电流产生磁场的分量;就是以电场产生磁场的分量。9 `0 M/ O; g+ `9 Y! E

7 Y4 U- |3 @* w; \  _8 q  G% u  综合而言,Maxwell方程式可以说明在PCB中,EMI是如何产生的。PCB是一个会随时间改变电流大小的环境,而这些微积分方程式正是要对发生EMI的根源做解析。静电荷分布会产生静电场,而不是磁场。固定电流会同时产生静磁场和静电场。时变(time-varying)电流会同时产生电场和磁场。
8 y& k# X+ w7 P% j
( x) a8 F* B% S# k% f, A' n$ D3 y  静电场会储存能量,这是电容的基本功能:累积和保有电荷。固定的电流源是电感的基本功能和概念。1 K( J. U' `4 J( V$ z+ E
   
% H8 {2 Z) G  d6 h+ M电和磁的来源
6 K+ R) J7 B( V0 S2 _+ `8 ?9 g! j: g
  前面已经提到,变动中的电流会产生磁场,静电荷分布会产生电场,下面将进一步讨论电流和辐射电场之间的关系。我们必须检视电流源的结构,并观察它是如何影响辐射讯号的。此外,我们也必须要注意,当距离电流源越远时,讯号强度会越低。
! z3 u! Z# M3 |; K
7 c6 f. k1 ~+ y9 }  时变电流存在于两种结构中:1.磁的来源(是封闭回路),2.电的来源(是双极天线)。首先探讨磁的来源。
 楼主| 发表于 2009-1-20 16:06 | 显示全部楼层
图二:一个磁场的射频传送+ K1 o3 {& v' G  ]# y' G; Q
* W- M. w. Y6 j5 i* L8 ?
  在附图二中,一个电路包含有一个频率源(振荡器)和一个负载。我们可以看到有一个回传电流(return current),在此电路沿着封闭回路流动着。这个封闭回路是由PCB走线和射频电流的回传路径组成的。我们可以利用仿真软件,来建立此讯号走线的模型,并评估此模型所产生的辐射电场。此回路所产生的电场是下面四个变量的函数。
5 K* f: a0 c* ?  E8 v. L0 m: A% l6 f0 W/ T5 r1 N% S0 D
  1.回路中的电流振幅:电场大小和存在于讯号走线的电流大小成正比。# T  a( Q$ N! ]& @' o0 ?  h: C, J6 z

8 L0 ^2 K: n2 T4 F  2.回路的极性和测量装置的关系:如果测量装置的天线也是呈回路状(loop),回路电流的极性必须和测量装置的天线之极性相同,如此才能测量到正确的回路电流。例如:如果测量装置是使用双极(dipole)天线,则回路电流的极性必须和它一样,两者的极性都必须是垂直的(vertical polarization)。$ y6 `2 r! P+ [9 F+ T( U8 J3 g/ z
% v8 o; s; U5 q  L
  3.回路的大小:如果回路非常的小(比回路讯号或工作频率的波长小很多),则电磁场的强度将和回路面积成正比。如果回路越大,在天线端所测量到的频率就越低。对特定的回路面积而言,此天线会在特定的频率下共振。( Z& K, n8 \0 C7 _' `/ S
& [8 g9 `8 w( h8 s
  4.距离:电磁场强度下降的比率,是决定于来源端和天线之间的距离。此外,此距离也决定所产生的是电场或者是磁场。当距离比较短时,磁场强度和距离的平方成反比。当距离比较长时,会出现一个电磁平面波(plane wave)。此平面波强度和距离成正比。在平面波上,电场向量和磁场向量相交点的位置,大约在1/6波长的地方(也可使用λ/2π来表示,波长(λ)= 300/f)。1/6波长和EMI的「点源(point source)」相关,「点源」是指电磁波发射的起源。接收端天线越大,1/6波长的值可以越大。
& K; l( l/ s% [3 S5 V" [ ; O# w/ ]# Z$ q9 l' W5 t* h
结语
" U" }9 v* H- D; b$ x4 F! i
4 m5 E* t' U4 e " N" k- o+ N2 {
2 }" M" p5 S$ x7 g
  和大多数的电子工程设计一样,EMC设计是需要细心的思虑的。阅读本文时,读者应该同时参照平时所执行的EMC实务工作,如此就可能会发现许多过去未曾注意到的地方,而这些地方往往就是EMI最容易发生的处所。
6 ~0 q$ g4 u% f  c  b) O$ l
1 a, w7 ~  D6 u6 K0 D/ B) h  在强调产品迅速上市的时代里,工程师所承受的压力与日俱增。使用良好的EMI模拟工具虽然可以协助我们快速地达成任务;但若过度依赖这些工具,恐怕会在一些非常特殊的情况或环境下,无法举一反三。所以,拥有深厚的理论基础,将可以弥补常态的实务工作之不足。

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