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在印刷电路板(PCB)上被动组件的隐藏行为和特性

在印刷电路板(PCB)上被动组件的隐藏行为和特性

点击数:7909 次   录入时间:03-04 11:42:13   整理:http://www.55dianzi.com   防、抗干扰技术

    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=&epSILon;E。

    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(mag

    netic 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。

    电和磁的来源

    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。

    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。

磁场射频传送
图二:一个磁场的射频传送

 



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    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。

    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。

    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)。

    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。

    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。

    结语

    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。

    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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