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        EMI/EMC設計講座(一)PCB被動組件的隱藏特性解析

        作者: 時間:2012-03-29 來源:網(wǎng)絡 收藏

        變壓器也廣泛地用來提供共模(common mode;CM)絕緣。這些裝置根據(jù)通過其輸入端的差模(differential mode;DM)訊號,來將一次側(cè)線圈和二次側(cè)線圈產(chǎn)生磁性連結(jié),以傳遞能量。其結(jié)果是,通過一次側(cè)線圈的CM電壓會被排拒,因此達到共模絕緣的目的。不過,在制造變壓器時,在一次側(cè)和二次側(cè)線圈之間,會有訊號源電容存在。當電路頻率增加時,電容耦合能力也會增強,因此破壞了電路的絕緣效果。若有足夠的寄生電容存在的話,高頻的射頻能量(來自快速瞬變、ESD、雷擊……等)可能會通過變壓器,導致在絕緣層另一端的電路,也會接收到此瞬間變化的高電壓或高電流。

        上面已經(jīng)針對各種被動組件的隱藏特性做了詳盡的說明,底下將解釋為何這些隱藏特性會在中造成。

        淺談電磁理論
        上述的被動組件具有隱藏特性,而且會在中產(chǎn)生射頻能量,但為何會如此呢?為了了解其原由,必須明白Maxwell方程式。Maxwell的四個方程式說明了電場和磁場之間的關系,而且它們是從Ampere定律、Faraday定律、和Gauss定律推論而來的。這些方程式描述了在一個閉回路環(huán)境中,電磁場強度和電流密度的特性,而且需要使用高等微積分來計算。因為Maxwell方程式非常的復雜,在此僅做簡要的說明。其實,布線工程師并不需要完全了解Maxwell方程式的詳細知識,只要了解其中的重點,就能完成設計。完整的Maxwell方程式條列如下:

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        在上述的方程式中,J、E、B、H是向量。此外,與Maxwell方程式相關的基本物理觀念有:

          ●Maxwell方程式說明了電荷、電流、磁場和電場之間的交互作用。

          ●可用「Lorentz力」來形容電場和磁場施加在帶電粒子上的物理作用力。

          ●所有物質(zhì)對其它物質(zhì)都具有一種組成關系。這包含:

        1. 導電率(conductivity):電流與電場的關系(物質(zhì)的奧姆定律):J=σE。

        2. 導磁系數(shù):磁通量和磁場的關系:B=μH。

        3. 介電常數(shù)( dielectric constant):電荷儲存和一個電場的關系:D=εE。
        J = 傳導電流密度,A/m2
        σ= 物質(zhì)的導電率
        E = 電場強度,V/m
        D = 電通量密度,coulombs/ m2
        ε= 真空電容率(permittivity),8.85 pF/m
        B = 磁通量密度,Weber/ m2或Tesla
        H = 磁場,A/m
        μ= 媒材的導磁系數(shù),H/m

        依據(jù)Gauss定律,Maxwell的第一方程式也稱作「分離定理(divergence theorem)」。它可以用來說明由于電荷的累積,所產(chǎn)生的靜電場(electrostatic field)E。這種現(xiàn)象,最好在兩個邊界之間做觀察:導電的和不導電的。根據(jù)Gauss定律,在邊界條件下的行為,會產(chǎn)生導電的圍籠(也稱作Faraday cage),充當成一個靜電的屏蔽。在一個被Faraday箱包圍的封閉區(qū)域,其外部四周的電磁波是無法進入此區(qū)域的。若在Faraday箱內(nèi)有一個電場存在,則在其邊界處,此電場所產(chǎn)生的電荷是集中在邊界內(nèi)側(cè)的。在邊界外側(cè)的電荷會被內(nèi)部電場排拒在外。

        Maxwell的第二方程式表示,在自然界沒有磁荷(mag

        netic charge)存在,只有電荷存在,也就是說沒有單一磁極(magnetic monopole)存在。雖然,目前的統(tǒng)一場理論(Grand Unified Theory)預測有很少的磁荷存在,但迄今都無法從實驗中證明。這些電荷是帶正電的或負電的。磁場是透過電流和電場的作用產(chǎn)生的。由于電流和電場的發(fā)射,使它們成為輻射能量的來源點。磁場在電流四周形成一個封閉的循環(huán),而磁場是由電流產(chǎn)生的。

        Maxwell的第三方程式也稱作「感應的Faraday定律」,說明當磁場環(huán)繞著一個封閉的電路時,此磁場會使此封閉電路產(chǎn)生電流。第三方程式和第四方程式是相伴的。第三方程式表示變動的磁場會產(chǎn)生電場。磁場通常存在于變壓器或線圈,例如:馬達、發(fā)電機…等。第三和第四方程式的交互作用,正是的主要焦點。兩者一起來說,它們說明了耦合的電場和磁場是如何以光速輻射或傳播。這個方程式也說明了「集膚效應(skin effect)」的概念,它可以預測「磁屏蔽(magnetic shielding)」的有效性。此外,它也說明了電感的特性,而電感允許天線能合理地存在。

        Maxwell的第四方程式也稱作Ampere定律。此方程式說明了產(chǎn)生磁場的兩個來源。第一個來源是,電流以傳輸電荷的形式在流動。第二個來源是,當變動的電場環(huán)繞著一個封閉的電路時,會產(chǎn)生磁場。這些電和磁的來源,說明了電感和電磁的作用。在此方程式中,J就代表以電流產(chǎn)生磁場的分量;就是以電場產(chǎn)生磁場的分量。

        綜合而言,Maxwell方程式可以說明在PCB中,是如何產(chǎn)生的。PCB是一個會隨時間改變電流大小的環(huán)境,而這些微積分方程式正是要對發(fā)生的根源做解析。靜電荷分布會產(chǎn)生靜電場,而不是磁場。固定電流會同時產(chǎn)生靜磁場和靜電場。時變(time-varying)電流會同時產(chǎn)生電場和磁場。

        靜電場會儲存能量,這是電容的基本功能:累積和保有電荷。固定的電流源是電感的基本功能和概念。

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        關鍵詞: EMI EMC PCB 講座

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