PCB被动组件隐藏行为和特性分析

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
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。