EMI/EMC設計(一)PCB被動組件的隱藏特性解析

　傳統上，EMC一直被視為「黑色魔術（black magic）」。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）上被動組件（passive component）的隱藏行為和特性，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……等看似不起眼的組件，卻經常成為射頻能量的最佳發射器（亦即，EMI的來源）。每一種組件都具有電感，這包含硅晶元的焊線（bond wire）、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。這些寄生性組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，在某組件和PCB走線之
間，可以產生自共振（self-resonance），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。因為變成高頻后，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（ground plane）和接地網格（ground grid）。

　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 + j XL j2πfL，沒有容抗Xc = 1/2πfC存在。頻率高於100 kHz以上時，感抗大於電阻，此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 = 57 mΩ，8 nH/cm，所以電感值總共是80 nH。在100 kHz時，可以得到感抗50 mΩ。當頻率超過100 kHz以上時，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150 MHz時，將形成一根有效率的輻射天線。因為在150 MHz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150 MHz，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上最常見到的組件。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（overvoltage stress）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（surface mount）組件，此電阻很可能會被電弧打穿。如果電阻具有接腳，ESD會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（power bus），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10 kHz時，容抗是1.6Ω；在100 MHz時，降到160μΩ。因此在100 MHz時，存在著短路（short circuit）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（equivalent series inductance；ESL）和等效串聯電阻（equivalent series resistance；ESR），將會限制此電容只能在頻率1 MHz以下工作。

　電容的使用也和接腳電感與體積結構有關，這些因素決定了寄生電感的數目和大小。寄生電感存在於電容的焊線之間，它們使電容在超過自共振頻率以上時，產生和電感一樣的行為，電容因此失去了原先設定的功能。

電感
　電感是用來控制PCB內的EMI。對電感而言，它的感抗是和頻率成正比的。這可以由公式：XL = 2πfL來說明，XL是感抗（單位是Ω）。例如：一個理想的10 mH電感，在10 kHz時，感抗是628Ω；在100 MHz時，增加到6.2 MΩ。因此在100 MHz時，此電感可以視為開路（open circuit）。在100 MHz時，若讓一個訊號通過此電感，將會造成此訊號質量的下降（這是從時域來觀察）。和電容一樣，此電感的電氣參數（線圈之間的寄生電容）限制了此電感只能在頻率1 MHz以下工作。

　問題是，在高頻時，若不能使用電感，那要使用什麼呢？答案是，應該使用「鐵粉珠（ferrite bead）」。鐵粉材料是鐵鎂或鐵鎳合金，這些材料具有高的導磁係數（permeability），在高頻和高阻抗下，電感內線圈之間的電容值會最小。鐵粉珠通常只適用於高頻電路，因為在低頻時，它們基本上是保有電感的完整特性（包含有電阻和抗性分量），因此會造成線路上的些微損失。在高頻時，它基本上只具有抗性分量（jωL），並且抗性分量會隨著頻率上升而增加，如附圖一所示。實際上，鐵粉珠是射頻能量的高頻衰減器。

　其實，可以將鐵粉珠視為一個電阻並聯一個電感。在低頻時，電阻被電感「短路」，電流流往電感；在高頻時，電感的高感抗迫使電流流向電阻。

　本質上，鐵粉珠是一種「耗散裝置（dissipative device）」，它會將高頻能量轉換成熱能。因此，在效能上，它只能被當成電阻來解釋，而不是電感。

電感鐵粉特性
  　　
圖一：鐵粉材料的特性
　
變壓器
　變壓器通常存在於電源供應器中，此外，它可以用來對數據訊號、I/O連結、供電介面做絕緣。根據變壓器種類和應用的不同，在一次側（primary）和二次側（secondary）線圈之間，可能有屏蔽物（shield）存在。此屏蔽物連接到一個接地的參考源，是用來防止此兩組線圈之間的電容耦合。

　變壓器也廣泛地用來提供共模（common mode；CM）絕緣。這些裝置根據通過其輸入端的差模（differential mode；DM）訊號，來將一次側線圈和二次側線圈產生磁性連結，以傳遞能量。其結果是，通過一次側線圈的CM電壓會被排拒，因此達到共模絕緣的目的。不過，在製造變壓器時，在一次側和二次側線圈之間，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PCB中造成EMI。

淺談電磁理論
　上述的被動組件具有隱藏特性，而且會在PCB中產生射頻能量，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係，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迴路環境中，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方程式非常的複雜，在此僅做簡要的說明。其實，PCB布線工程師並不需要完全了解Maxwell方程式的詳細知識，只要了解其中的重點，就能完成EMC設計。完整的Maxwell方程式條列如下：
第一定律：電通量（electric flux）（來自Gauss定律）
 
第二定律：磁通量（magnetic flux）（來自Gauss定律）
 
第三定律：電位（electric potential）（來自Faraday定律）
 
第四定律：電流(electric current)（來自Ampere定律）
 

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。
• 所有物質對其它物質都具有一種組成關係。這包含：
  1. 導電率（conductivity）：電流與電場的關係（物質的奧姆定律）：J=σE。
  2. 導磁係數：磁通量和磁場的關係：B=μH。
  3. 介電常數（dielectric constant）：電荷儲存和一個電場的關係：D=εE。
  J = 傳導電流密度，A/m2
  σ= 物質的導電率
  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= 媒材的導磁係數，H/m

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

　Maxwell的第二方程式表示，在自然界沒有磁荷（magnetic 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生的。由於電流和電場的發射，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，而磁場是由電流產生的。

　Maxwell的第三方程式也稱作「感應的Faraday定律」，說明當磁場環繞著一個封閉的電路時，此磁場會使此封閉電路產生電流。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生電場。磁場通常存在於變壓器或線圈，例如：馬達、發電機…等。第三和第四方程式的交互作用，正是 EMC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，當變動的電場環繞著一個封閉的電路時，會產生磁場。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就代表以電流產生磁場的分量；就是以電場產生磁場的分量。

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

電和磁的來源
　前面已經提到，變動中的電流會產生磁場，靜電荷分佈會產生電場，下面將進一步討論電流和輻射電場之間的關係。我們必須檢視電流源的結構，並觀察它是如何影響輻射訊號的。此外，我們也必須要注意，當距離電流源越遠時，訊號強度會越低。

　時變電流存在於兩種結構中：1.磁的來源（是封閉迴路），2.電的來源（是雙極天線）。首先探討磁的來源。

磁場射頻傳送
 　　
圖二：一個磁場的射頻傳送
　在附圖二中，一個電路包含有一個頻率源（振蕩器）和一個負載。我們可以看到有一個回傳電流（return current），在此電路沿著封閉迴路流動著。這個封閉迴路是由PCB走線和射頻電流的回傳路徑組成的。我們可以利用模擬軟體，來建立此訊號走線的模型，並評估此模型所產生的輻射電場。此迴路所產生的電場是下面四個變數的函數。

1. 迴路中的電流振幅：電場大小和存在於訊號走線的電流大小成正比。
2. 迴路的極性和測量裝置的關係：如果測量裝置的天線也是呈迴路狀（loop），迴路電流的極性必須和測量裝置的天線之極性相同，如此才能測量到正確的迴路電流。例如：如果測量裝置是使用雙極（dipole）天線，則迴路電流的極性必須和它一樣，兩者的極性都必須是垂直的（vertical polarization）。
3. 迴路的大小：如果迴路非常的小（比迴路訊號或工作頻率的波長小很多），則電磁場的強度將和迴路面積成正比。如果迴路越大，在天線端所測量到的頻率就越低。對特定的迴路面積而言，此天線會在特定的頻率下共振。
4. 距離：電磁場強度下降的比率，是決定於來源端和天線之間的距離。此外，此距離也決定所產生的是電場或者是磁場。當距離比較短時，磁場強度和距離的平方成反比。當距離比較長時，會出現一個電磁平面波（plane wave）。此平面波強度和距離成正比。在平面波上，電場向量和磁場向量相交點的位置，大約在1/6波長的地方（也可使用λ/2π來表示，波長（λ）= 300/f）。1/6波長和EMI的「點源（point source）」相關，「點源」是指電磁波發射的起源。接收端天線越大，1/6波長的值可以越大。

結語
　和大多數的電子工程設計一樣，EMC設計是需要細心的思慮的。閱讀本文時，讀者應該同時參照平時所執行的EMC實務工作，如此就可能會發現許多過去未曾注意到的地方，而這些地方往往就是EMI最容易發生的處所。

　在強調產品迅速上市的時代里，工程師所承受的壓力與日俱增。使用良好的EMI模擬工具雖然可以協助我們快速地達成任務；但若過度依賴這些工具，恐怕會在一些非常特殊的情況或環境下，無法舉一反三。所以，擁有深厚的理論基礎，將可以彌補常態的實務工作之不足。