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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。
. `  a, l2 h% b1 m  D. X! j9 ~, e( w: L( s6 q$ M! K  Y) B
  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。: C% a" X0 B0 b/ ]( L, q& M" F
9 B, w+ c! q1 h; L
导线和PCB走线2 M* M8 Z9 }/ p# z) X

' I% k' \" \7 E$ k5 B* ~& V. ~  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   ( X  F5 S- N& ~! E
间,可以产生自共振(self-resonance),因此,形成一根有效率的辐射天线。
7 `$ {) Q8 w* G1 C6 u, m6 F6 t) G1 s) T+ V* {: Q) b% e
  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)。4 }* U5 d; o' ~

* T& O) R  H5 T) z2 @0 I6 J  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。
, V) O) J6 j& i1 W! P; h
5 ^' }9 X6 N; A& ^  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。
4 Y& N& j( {2 i6 J$ V& X
5 Z6 t- R( r4 N" r% h电阻
- r+ o& S0 O! @* Y) h6 p
- l/ V6 A8 ^: r) V  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。0 K1 u3 w! G2 ^2 C6 V9 C8 E4 }
( l$ I+ l) z4 H8 C6 K1 X9 B+ F, r
  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。
" L- v6 Z, ?5 }! V, ?5 c7 d5 g( M$ O+ e$ n) r; C8 m7 E
  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。7 m' K, _' J8 [
   
& x% X, `. ^& p) ]' }# ~: l5 A电容2 D# D/ g1 u- `, b4 p4 U$ ]

0 M7 ~- m8 l, t3 R, o  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* l% |0 B3 Z8 z+ e0 E
) h* \( }- R3 o* h  q) |! p
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。
' \( c' _, ]3 v; I5 v
) y0 e( D  J4 Q: R% w4 m9 d6 @. p; n9 U$ x
  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。7 X' k3 x& q% b) e( {
   , }4 |  X9 V7 R+ T) K' [1 `7 i
电感
4 ^- C) S3 m( V1 C, S# C, U6 y5 Z
/ b9 }# D# ~7 ^  E4 m) I$ v  1 }" _7 u4 A$ ?9 a
  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。, B: M* F$ h; L; O8 ]2 z2 v1 ^

3 D* u$ ?7 ]4 s  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。
5 d( u3 L2 b: u* V$ [- l; y; q7 F5 M  R
  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。
: e, C1 i# J" U; S9 s
1 a& [8 G5 p! z, m8 t0 s1 Q! r  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。
1 i! {) T2 d9 E7 z- P* }5 y) `* {+ W# w4 |  z$ c
* _8 N* ]( H! U3 ^; \

0 c( }: u( |; j4 b图一:铁粉材料的特性6 J# L+ x9 ~. w2 b" ?* `
   2 O1 L+ v9 g, c$ C, M
变压器
. Y( \7 }8 d, ?8 Z# c  N3 O9 \7 ~
# Q2 I) o* ^0 e1 \$ b  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。
/ X% E' r  a& _0 }, M1 C% C: I
* `3 |! j0 G. e0 B/ u" |  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。9 g0 ]* z* A: d6 \! Q

! G/ ?; M7 v( i9 {) _+ 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
3 q, a9 \3 [3 l& g7 L2 n$ u" z$ W; K% O! D& X0 D
  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:
- S9 Q% s6 j; R+ C6 m
3 O5 R& l" q! J& [/ J2 A4 U) T第一定律:电通量(electric flux)(来自Gauss定律)0 ?( E7 R$ e7 ~' g. \9 q* `
; d1 c# _1 d) M8 z; C+ Z
第二定律:磁通量(magnetic flux)(来自Gauss定律)% J0 `$ U$ m$ E% q) V' r

! I; T8 q! W8 e2 Q+ H! m& d2 g第三定律:电位(electric potential)(来自Faraday定律)" O1 L: M+ _4 n1 t3 I

# F6 k' c1 A6 g1 d第四定律:电流(electric current)(来自Ampere定律)& ^1 h# E& O. n  ?, |

" ?4 }. ]& a+ ?4 x& P  ~- K4 O' ?& f4 x- R5 Q# i2 E0 p
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:
% `$ C1 Y' o- @3 `( i
5 ?6 _4 T" q+ C) {5 v1 g  ●Maxwell方程式说明了电荷、电流、磁场和电场之间的交互作用。; j2 m, p* a. M" {/ A& z
$ D5 r* r+ z# f
  ●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。
8 k5 ?4 ~3 i; w4 ~% M; Q6 \1 O. T5 r
  ●所有物质对其它物质都具有一种组成关系。这包含:
3 i, `+ O2 \6 T4 P
: a- R0 i6 p: N4 y4 s  1. 导电率(conductivity):电流与电场的关系(物质的奥姆定律):J=σE。3 ^5 g, n5 _9 M" u1 {  j
2. 导磁系数:磁通量和磁场的关系:B=μH。# B8 J, m3 T& ]; f. G* H. S
3. 介电常数(
2 o9 E' \* c  g6 q
8 T7 L1 X4 `5 k$ o$ a) {! J& m * k- \* W5 G6 ~% T' h$ X

) F# K* Y. N" B6 z3 kdielectric constant):电荷储存和一个电场的关系:D=εE。1 S# ^6 R7 @3 u0 ]& `1 n
J = 传导电流密度,A/m2
' l/ R; [8 T) U( I4 Y( z6 Kσ= 物质的导电率$ D) M; i4 ~6 Q4 a. h1 e9 L9 J- a
E = 电场强度,V/m
9 N) A$ ~5 i* \1 k' w, O( i7 u0 J1 xD = 电通量密度,coulombs/ m2
& g" k: C* q3 d% T1 F% b# ~2 |ε= 真空电容率(permittivity),8.85 pF/m
' a: N2 [; s% O5 i9 T& JB = 磁通量密度,Weber/ m2或Tesla
. W- @! |; L7 w  e" K2 Z& _0 J% k2 qH = 磁场,A/m
" H! a1 J7 c$ }5 x: s, R3 `& tμ= 媒材的导磁系数,H/m
' d  T; C. R$ G7 F; k
. ^. t$ q8 R* z* C5 I3 C2 R3 l, V$ N; \3 L
  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。
. s- H* x1 t& t3 |* D$ Q  n
- E3 E" Y1 A& D" p  Maxwell的第二方程式表示,在自然界没有磁荷(mag   
' L. C7 F$ V$ r9 x$ N' D! Nnetic 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。2 P5 i: T9 {- V6 F0 _
2 Y! x8 V9 w7 S6 G, p+ }8 E- J$ I
  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。$ N( V: Y' w; [5 d4 ^
9 x! ^  ?* K. q* _) {: I# D7 R
  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。
4 ^% g5 m# w/ g6 X0 K) r/ D2 E% t; e6 i9 D, t& |3 D
  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。$ b4 ]8 }' @6 Y2 u3 \
% W4 v/ H7 M2 B; ~
  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。4 v/ T" C8 J# H- q
   5 W* H2 _8 [$ V! C3 a
电和磁的来源
+ h' G9 l. A; Y6 \9 C1 m* |  ^. ^: U; {" [) [
  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。
/ k9 d. H+ b/ K# x3 ~8 G5 `
0 x; O- A1 z+ A* c6 {  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
- i# `1 \+ `" _$ K0 ]% d  L
: }: Q  m& o) U9 d  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。4 s. |! p, ~& W  I" p8 R+ I5 Q
3 D1 r( t3 H  i/ N8 f0 E( y
  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。
1 S2 q- N( ?/ d) V( D' U# ?% J
5 s  v" b& g" q0 H% o% z  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)。
# ^1 ~2 a  O; G0 ~, n. M. Q: q9 d& @3 Y/ `( t' z
  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。8 p' f% G% r8 p9 K9 I, q
' L0 k+ q" B2 A$ U
  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。! ?( X( ~5 {& S& n$ k

9 E+ d0 {) K3 D1 ]7 V2 k* q结语" V! M% G/ |, H. `8 b0 ]3 l
1 e4 N# l7 H/ ?7 p' d

6 c$ M8 I  ?# ~) }1 L: l; o2 t
6 b8 Z5 W. s  C$ \6 f4 {  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。! y) a* E  c, H) t

6 P4 @, D+ X& L. I  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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