无源组件在整个电子产业的位置上是位于上游的电子产品中不可或缺的基本组件,类似于IC。电子电路有有源和无源两个装置,无源组件不需要连接电而工作,产生调节电流电压、储存静电、防止电磁波干扰、过滤电流杂质等功能。
对于有源组件,无源组件在电压变化时,电阻和阻抗都不会发生变化。
无源组件可以覆盖电阻器、电感器和电容器的三个产品。
传统上,EMC被认为是“黑色魔术(black magic”。实际上,EMC可以用数学式理解。然而,即使数学分析方法是可用的,这些数学方程对于实际的EMC电路设计来说也太复杂了。幸运的是,在许多实务工作中,工程师不需要完全理解复杂的数学公式和EMC规范中存在的理论依据,而是可以理解如何通过简单的数学模型来实现EMC的要求。
在本文中,通过简单的数学式和电磁理论来说明印刷电路板PCB上的无源组件passive component的隐藏行为和特性,但是这些都是在工程师想使设计的电子产品通过EMC标准时,必须事先具备的基础知识。
一、导线及PCB走线
导线、导线、固定帧等看起来不显眼的组件通常是射频能量的最佳发射器(即,EMI的源)。每个组件具有电感,包括硅芯片的接合线和电阻、电容和电感的销。每个电线或电线包括隐藏的寄生容量和电感。这些寄生组件影响导线的阻抗尺寸,并且对频率敏感。根据LC的值(决定自谐振频率)和PCB的走线的长度,能够在某个构成要素和PCB的走线之间产生自我共振(selfω63;resonance),所以形成有效率的辐射天线。
在低频下,导线几乎具有电阻的特性。但是,在高频下,导线具有电感的特性。高频时阻抗的大小发生变化,而且引线和PCB走线和接地之间的EMC设计发生变化,因此需要接地面groundplane)和接地网格(groundgrid)。
导线和PCB导线的最主要区别在于导线是圆形的并且导线是矩形的。导线或走线的阻抗包括电阻R和感抗XL =2pi。fL高频时,该阻抗定义为Z=R+j XLj2pi。fL、容抗Xc =1/2pi;fC存在。频率在100kHz以上时,感抗比电阻大,此时,导线或走线不是低电阻的连接线,而是电感。一般来说,操作在音频以上的导线或走线应被视为电感,并且不可被视为电阻,并且可以是射频天线。
大部分天线的长度等于特定频率的1/4或1/2波长lambda。因此,在EMC的规格中,在某个特定频率的lambda下,不允许导线或走线20执行以下操作,以便成为突然有效的天线。电感和电容引起电路的谐振,该现象在其说明书中未记载。
例如,假设有10cm的线,则R=57mOmega、8nH/cm,因此电感值全部为80nH。在100kHz中,可以得到感抗50mOmega。频率在100kHz以上时,该配线成为电感,其电阻值可以无视。因此,当频率超过150MHz时,该10cm的走线形成有效率的辐射天线。150MHz中波长lambda;=因为是2米lambda;/20=10厘米=走线长度;频率大于150MHz时,其波长lambda;1/4lambda变小。或1/2lambda;值接近线条长度(10厘米),形成完美的天线。
二、电阻
电阻是PCB中最常见的部件。电阻的材质(碳合成、碳膜、云母、绕组型等)限制频率响应的作用和EMC的效果。绕组电阻在导线内存在过多的电感,因此不适合高频应用。碳膜电阻包含电感,但由于销的电感值不大,有时适用于高频应用。
一般人经常忽视的是电阻的包装尺寸和寄生容量。寄生电容存在于电阻的两个终端之间,它们在极高频下是正常的电路特性,特别是频率达到GHz时被破坏。然而,在大多数应用电路中,电阻引脚之间的寄生电容不比引脚电感重要。
电阻承受超高电压极限((overvoltagestress)的试验时,必须注意电阻的变化。电阻发生“静电释放ESD”现象时会发生有趣的事情。在电阻附着在表面上surfacemount组件的情况下,该电阻很可能被电弧击穿。在电阻有销的情况下ESD,发现该电阻的高电阻(和高电感)路径,避免进入被该电阻保护的电路。事实上,真正的监护人是这种电阻所隐藏的电感和容量特性。
三、容量
电容通常应用于电源总线(powerbus),并提供用于保持断开、旁路bypass、固定直流电压和电流(bulk)的功能。真正简单的容量保持其容量值,直到达到自谐振频率。超过该自谐振频率时,电容特性变得电感。公式:Xc=1/2pi;如在fC中说明的那样,Xc是反应(单位是Omega;)。例如:10mu;f的电解容量在10kHz中为1.6Omega。100MHz下降到160mu。Omega;。因此,在100MHz中存在短路short circuit效果,这对于EMC来说是理想的。但是,电解容量的电气参数:等效串联电感(equivlent series inductance;ESL)和等效串联电阻(equivlent series ressistance;ESR)限制该电容只在频率1MHz以下动作。
电容的使用也与电感和体积结构有关,这些因素决定了寄生电感的数量和大小。寄生电感存在于电容的焊接线之间,容量在自谐振频率以上时会产生与电感相同的行为,失去设定容量的功能。