电路板及不间断电源的EMI与EMC设计要点简析F.pdf

电路板及不间断电源的 EMI 与 EMC 设计要点简析 EMI / EMC 设计（一） 被动元件的隐藏特性解析 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。 导线和 PCB 走线 导线（wire）、走线（trace）、固定架……等看似不起眼的元件，却经常成 为射频能量的最佳发射器（亦即，EMI 的来源）。每一种元件都具有电感，这包 含硅晶片的焊线（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。这些寄生性元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 元件和PCB 走线之间，可以产生自共振（self-resonance），因此，形成一根有 效率的辐射天线。 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 1 / 32 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）。 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。 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。 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。 电阻 2 / 32 电阻是在 PCB 上最常见到的元件。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。 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。 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）元件，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。 电容 电容一般是应用在电源汇流排（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