PCB被动组件隐藏特性解析(二)

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　五、变压器

　　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。

　　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。

　　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。

　　六、浅谈电磁理论

　　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。

　　此外，与Maxwell方程式相关的基本物理观念有：

　　●Maxwell方程式说明了电荷、电流、磁场和电场之间的交互作用。

　　●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。

　　●所有物质对其它物质都具有一种组成关系。这包含：

　　1. 导电率（conductivity）：电流与电场的关系（物质的奥姆定律）：J=σE。

　　2. 导磁系数：磁通量和磁场的关系：B=μH。

　　3. 介电常数（dielectric constant）：电荷储存和一个电场的关系：D=εE。

　　J = 传导电流密度，A/m2

　　σ= 物质的导电率

　　E = 电场强度，V/m

　　D = 电通量密度，coulombs/ m2

　　ε= 真空电容率（permittivity），8.85 pF/m

　　B = 磁通量密度，Weber/ m2或Tesla

　　H = 磁场，A/m

　　μ= 媒材的导磁系数，H/m

　　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。

　　Maxwell的第二方程式表示，在自然界没有磁荷（magnetic 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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

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