EMI and EMC设计

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1、EMI/EMC設計（一）PCB被動元件的隱藏特性解析傳統上，EMC一直被視為「黑色魔術（blackmagic）」。其實，EMC是可以藉由數學公式來理解的。不過，縱使有數學分析方法可以利用，但那些數學方程式對實際的EMC電路設計而言，仍然太過複雜了。幸運的是，在大多數的實務工作中，工程師並不需要完全理解那些複雜的數學公式和存在於EMC規範中的學理依據，只要藉由簡單的數學模型，就能夠明白要如何達到EMC的要求。本文藉由簡單的數學公式和電磁理論，來說明在印刷電路板（PCB）上被動元件（passivecomponent）的隱藏

2、行為和特性，這些都是工程師想讓所設計的電子產品通過EMC標準時，事先所必須具備的基本知識。導線和PCB走線導線（wire）、走線（trace）、固定架……等看似不起眼的元件，卻經常成為射頻能量的最佳發射器（亦即，EMI的來源）。每一種元件都具有電感，這包含矽晶片的銲線（bondwire）、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。這些寄生性元件會影響導線的阻抗大小，而且對頻率很敏感。依據LC的值（決定自共振頻率）和PCB走線的長度，在某元件和PCB走線之間，可以產生自共振（self-res

3、onance），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。因為變成高頻後，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（groundplane）和接地網格（groundgrid）。導線和PCB走線的最主要差別只在於，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+jXLj2πfL，沒有容抗Xc=1/2πfC存在。頻率高於100kHz以上時，感抗大於電阻，此

4、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。大多數天線的長度是等於某一特定頻率的1/4或1/2波長（λ）。因此在EMC的規範中，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，此現象是不會在它們的規格書中記載的。例如：假設有一根10公分的走線，R=57mΩ，8nH/cm，所以電感值總共是80nH。在100kHz時，可以得到感抗50mΩ。當頻率超過100kHz以上時，

5、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150MHz時，將形成一根有效率的輻射天線。因為在150MHz時，其波長λ=2公尺，所以λ/20=10公分=走線的長度；若頻率大於150MHz，其波長λ將變小，其1/4λ或1/2λ值將接近於走線的長度（10公分），於是逐漸形成一根完美的天線。電阻電阻是在PCB上最常見到的元件。電阻的材質（碳合成、碳膜、雲母、繞線型…等）限制了頻率響應的作用和EMC的效果。繞線型電阻並不適合於高頻應用，因為在導線內存在著過多的電感。碳膜電阻雖然包含有電感，但有時

6、適合於高頻應用，因為它的接腳之電感值並不大。一般人常忽略的是，電阻的封裝大小和寄生電容。寄生電容存在於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（overvoltagestress）考驗時，必須注意電阻的變化。如果在電阻上發生了「靜電釋放（ESD）」現象，則會發生有趣的事。如果電阻是表面黏著（surfacemount）元件，此電阻很可能會被電弧打穿。如果電阻具有接腳，ESD會

7、發現此電阻的高電阻（和高電感）路徑，並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。電容電容一般是應用在電源匯流排（powerbus），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10kHz時，容抗是1.6Ω；在100MHz時，降到160μΩ。因

8、此在100MHz時，存在著短路（shortcircuit）效應，這對EMC而言是很理想的。但是，電解電容的電氣參數：等效串聯電感（equivalentseriesinductance；ESL）和等效串聯電阻（equivalentseriesresistance；ESR），將會限制此電容只能在頻率1MHz以下工作。電容的使用也和接腳