EMC设计基础知识：PCB上被动组件的隐藏行为和特性分析

电容一般是应用在电源总线（power bus），提供去耦合（decouple）、旁路（bypass）、和维持固定的直流电压和电流（bulk）之功能。真正单纯的电容会维持它的电容值，直到达到自共振频率。超过此自共振频率，电容特性会变成像电感一样。这可以由公式：Xc=1/2πfC来说明，Xc是容抗（单位是Ω）。例如：10μf的电解电容，在10 kHz时，容抗是1.6Ω；在100 MHz时，降到160μΩ。因此在100 MHz时，存在着短路（short circuit）效应，这对EMC而言是很理想的。但是，电解电容的电气参数：等效串联电感（equivalent series inductance；ES L）和等效串联电阻（equivalent series resistance；ESR），将会限制此电容只能在频率1 MHz以下工作。

电容的使用也和接脚电感与体积结构有关，这些因素决定了寄生电感的数目和大小。寄生电感存在于电容的焊线之间，它们使电容在超过自共振频率以上时，产生和电感一样的行为，电容因此失去了原先设定的功能。

电感

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。

图一：铁粉材料的特性

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。

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。完整的Maxwell方程式条列如下：

在上述的方程式中，J、E、B、H是向量。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