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Análisis de las características ocultas de los componentes pasivos de los PCB
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Análisis de las características ocultas de los componentes pasivos de los PCB

Análisis de las características ocultas de los componentes pasivos de los PCB

2022-07-25
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Author:pcb

En eSte trabajo, se utilizan fórmulas matemáticas simples y teoría electromagnética para explicar el comportamiento oculto y las características de los componentes pasivos. PCB Board. Estos son los conocimientos básicos que los ingenieros deben tener de antemano al diseñar productos electrónicos para pasar las normas EMC. . Tradicionalmente, EMC siempre ha sido visto como magia negra. De hecho,, La compatibilidad electromagnética puede entenderse mediante fórmulas matemáticas. Sin embargo,, Incluso si se puede utilizar el método de análisis matemático, Estas fórmulas matemáticas siguen siendo demasiado para el diseño real de circuitos EMC. Es demasiado complicado.. Afortunadamente, En la mayoría de los trabajos prácticos, Los ingenieros no necesitan entender completamente las complejas fórmulas matemáticas y la base teórica de las especificaciones EMC, Usando un modelo matemático simple, Pueden entender cómo cumplir los requisitos de EMC.

PCB Board

1. Cables y PCB Board Trace

Las Partes aparentemente discretas, como los cables, las marcas, los dispositivos de fijación, Etc.., a menudo se convierten en transmisores de energía de radiofrecuencia (es decir, EMI). Cada elemento tiene un inductor que incluye un cable de Unión de un chip de silicio y alfileres para resistencias, condensadores e inductores. Cada cable o pista contiene Capacitancia parasitaria oculta e Inductancia. Estos parásitos pueden afectar la impedancia del cable y ser sensibles a la frecuencia. De acuerdo con el valor de LC (que determina la frecuencia de auto - resonancia) y la longitud de la pista de PCB, la auto - resonancia puede ocurrir entre el componente y la pista de PCB, por lo que se forma una antena de radiación efectiva. A bajas frecuencias, los cables son básicamente sólo resistencias. Sin embargo, a altas frecuencias, los cables tienen características de Inductancia. Porque cuando se convierte en alta frecuencia, causa un cambio en la impedancia, y luego cambia el diseño EMC entre la pista del cable o PCB y el suelo. En este punto, debe utilizar el plano de tierra y la red de tierra. La principal diferencia entre los cables y los rastros de PCB es que los cables son circulares y los rastros son rectangulares. La Impedancia de un cable o pista consiste en la resistencia R y la reactancia inductiva XL = 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Cuando la frecuencia es superior a 100 kHz, la reactancia inducida es mayor que la resistencia. En este punto, los cables o pistas ya no son cables de conexión de baja resistencia, sino inductores. En general, los cables o pistas que funcionan por encima del audio deben considerarse inductivos y no resistentes, y pueden ser antenas de radiofrecuencia. La mayoría de las antenas tienen una longitud igual a 1 / 4 o 1 / 2 de longitud de onda de una frecuencia dada. Por lo tanto, en la especificación EMC, los cables o trazas no están permitidos para funcionar por debajo de una cierta frecuencia de la isla / 20, ya que esto repentinamente lo convierte en una antena de alta eficiencia. La Inductancia y la Capacitancia causan resonancia en el circuito, que no se registra en su especificación. Ejemplo: Supongamos que la trayectoria es de 10 Centímetro, R = 57 m isla) y 8 NH / CM, entonces la Inductancia total es de 80 NH. A 100 kHz, se obtiene una reactancia inductiva de 50 m. A frecuencias superiores a 100 kHz, la trayectoria es inductiva y su resistencia es insignificante. Por lo tanto, esta trayectoria de 10 cm formará una antena de radiación efectiva en frecuencias superiores a 150 MHz. Debido a que la longitud de onda de la isla es de 2 metros a 150 MHz, la longitud de la trayectoria de la isla es de 20 cm. Si la frecuencia es superior a 150 MHz, la longitud de onda de la isla se reducirá y su valor de 1 / 4 isla o 1 / 2 isla se acercará a la longitud de la trayectoria (10 cm), por lo que la antena perfecta se formará gradualmente.


2. Resistencia

La resistencia es un componente común en el tablero de PCB. Los materiales de Resistencia (compuesto de carbono, película de carbono, Mica, bobinado, Etc..) limitan la influencia de la respuesta de frecuencia y EMC. Las resistencias de bobinado no son adecuadas para aplicaciones de alta frecuencia porque la Inductancia en los cables es demasiado grande. Aunque las resistencias de película de carbono contienen Inductancia, a veces son adecuadas para aplicaciones de alta frecuencia debido a los pequeños valores de Inductancia de sus Pines. La mayoría de la gente a menudo ignora el tamaño del paquete y la Capacitancia parasitaria de la resistencia. Los condensadores parásitos existen entre dos terminales de resistencia, que pueden destruir las características normales del circuito a frecuencias muy altas, especialmente a frecuencias de hasta GHz. Sin embargo, para la mayoría de los circuitos de aplicación, la Capacitancia parasitaria entre los pines de resistencia no es más importante que la Inductancia del pin. Cuando la resistencia se somete a una prueba de límite de ultra alta tensión, debe prestarse atención a la variación de la resistencia. Si la Descarga electrostática ocurre en la resistencia, algo interesante sucede. Si la resistencia es un componente montado en superficie, es probable que se rompa por arco. Si la resistencia tiene un pin, el Descarga electrostática encontrará una ruta de alta resistencia (y alta Inductancia) para la resistencia y evitará el acceso a los circuitos protegidos por la resistencia. De hecho, el verdadero protector es la característica de Inductancia y Capacitancia oculta de la resistencia.

3. Condensador

Los condensadores se utilizan generalmente en autobuses de potencia para proporcionar desacoplamiento, bypass y mantener un voltaje y una corriente de corriente continua constantes. Los condensadores verdaderamente puros mantendrán su Capacitancia hasta que alcancen la frecuencia de auto - resonancia. Más allá de esta frecuencia de auto - resonancia, el condensador se comporta como un inductor. Esto se puede explicar por la fórmula: xc = 1 / 2 1 1 / 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Por ejemplo, para un Condensador electrolítico de 10 ¼f, la reactancia del condensador es de 1,6 ¼a 10 kHz; A 100 MHz, se reduce a 160 islas. Por lo tanto, el efecto de cortocircuito se produce a 100 MHz, lo que es ideal para EMC. Sin embargo, los parámetros eléctricos del Condensador electrolítico: Inductancia de serie equivalente y resistencia de serie equivalente limitarán el funcionamiento del condensador a menos de 1 MHz. El uso del condensador también está relacionado con la Inductancia pin y la estructura de volumen, que determina el número y el tamaño de la Inductancia parasitaria. Hay Inductancia parasitaria entre las líneas de Unión del condensador. Cuando el condensador supera la frecuencia de auto - resonancia, la Inductancia parasitaria causará que el comportamiento del condensador sea similar a la Inductancia, y el condensador pierda su función original.

4. Inductancia

El inductor se utiliza para controlar la interferencia electromagnética en el PCB. Para los inductores, la reactancia inducida es proporcional a la frecuencia. Esto se puede explicar por la siguiente fórmula: XL = 2 1 1 / FL, donde XL es reactancia inductiva (en la isla). Por ejemplo, un inductor ideal de 10 MH con una Inductancia de 628 islas a 10 kHz; A 100 MHz, aumenta a 6,2 M. Por lo tanto, el inductor puede considerarse abierto a 100 MHz. A 100 MHz, la señal que pasa a través del inductor resulta en una disminución de la calidad de la señal (observada en el dominio del tiempo). Al igual que el condensador, los parámetros eléctricos (Capacitancia parasitaria entre bobinas) del inductor limitan la frecuencia de funcionamiento del inductor a menos de 1 MHz. ¿La pregunta es, en alta frecuencia, si no puedes usar inductores, qué deberías usar? La respuesta es usar cuentas de polvo de hierro. Los materiales de polvo de hierro son ferromagnesio o ferroníquel, estos materiales tienen una alta permeabilidad magnética, en alta frecuencia y alta impedancia, el valor de Capacitancia entre bobinas en inductores disminuirá. Las cuentas de polvo de hierro son típicamente adecuadas sólo para circuitos de alta frecuencia, ya que a bajas frecuencias, básicamente conservan las características completas de la Inductancia (incluyendo componentes de resistencia y potencia reactiva) y por lo tanto causan algunas pérdidas en el circuito. A alta frecuencia, sólo tiene un componente de Resistencia (j‰l), que aumenta con la frecuencia. De hecho, las cuentas de polvo de hierro son atenuadores de alta frecuencia de la energía RF. De hecho, las bolas de polvo de hierro pueden considerarse resistencias paralelas a los inductores. A baja frecuencia, la resistencia se detecta (cortocircuito) y la corriente fluye al inductor; A altas frecuencias, la Alta reactancia inductiva del inductor fuerza la corriente a través de la resistencia. En esencia, las cuentas de hierro son un dispositivo disipativo que convierte la energía de alta frecuencia en calor. Por lo tanto, en términos de eficiencia, sólo puede interpretarse como resistencia, no como Inductancia.


5. Transformador

Los transformadores suelen estar presentes en la fuente de alimentación. Además, pueden utilizarse para aislar las señales de datos, las conexiones de entrada / salida y las interfaces de alimentación. Dependiendo del tipo y la aplicación del transformador, puede haber blindaje entre el devanado primario y el secundario. El escudo está conectado a una referencia de puesta a tierra para evitar el acoplamiento capacitivo entre dos conjuntos de bobinas. Los transformadores también se utilizan ampliamente para proporcionar aislamiento de modo común. Estos dispositivos transmiten energía a través de un lado de conexión magnética y una bobina secundaria de acuerdo con la señal de modo diferencial que se introduce a través de ellos. Por lo tanto, el voltaje de modo común a través de la bobina lateral será rechazado, por lo que el propósito del aislamiento de modo común se puede lograr. Sin embargo, durante la fabricación del transformador, hay Capacitancia de la fuente de señal entre el devanado primario y el devanado secundario. A medida que aumenta la frecuencia del Circuito, aumenta la capacidad de acoplamiento capacitivo, lo que destruye el efecto de aislamiento del circuito. Si hay suficiente Capacitancia parasitaria, la energía RF de alta frecuencia (de transiciones rápidas, descargas electrostáticas, relámpagos, Etc..) puede pasar a través del transformador, causando que el circuito en el otro lado del aislamiento también reciba la alta tensión instantánea o la Alta corriente. Las características ocultas de los diversos componentes pasivos se explican en detalle, y a continuación se explica por qué estas características ocultas pueden causar interferencias electromagnéticas en los PCB.

6. Sobre la teoría electromagnética

Todas las sustancias están relacionadas con otros componentes. Entre ellas figuran las siguientes:

Conductividad eléctrica: relación entre la corriente y el campo eléctrico (Ley de la materia de Ohm): j = 1 E.

Coeficiente de permeabilidad: relación entre el flujo magnético y el campo magnético: b = 1 ¼h.

Constante dieléctrica: relación entre el almacenamiento de carga y el campo eléctrico: D = 1 μe.

J = densidad de corriente conductiva, A / m2

ƒ = conductividad de la sustancia

E = intensidad del campo eléctrico, V / M

D = densidad de flujo eléctrico, Coulomb / m2

1 μ = constante dieléctrica de vacío, 8,85 PF / M

B = densidad de flujo, Weber / m2 o Tesla

H = campo magnético, A / M

¼ = permeabilidad del medio, H / M

De acuerdo con la Ley gaussiana, La ecuación de Maxwell también se llama Teorema de separación. Se puede utilizar para explicar el campo electrostático e causado por la acumulación de carga. Este fenómeno se observa entre dos límites: conductor y no conductor. De acuerdo con la Ley gaussiana, behavior under boundary conditions produces a conductive cage (also called a Faraday cage) that acts as an electrostatic shield. En una zona cerrada rodeada por una caja Faraday, Las ondas electromagnéticas del exterior circundante no pueden entrar en la región. Si hay un campo eléctrico en la Caja Faraday, En sus fronteras, La carga generada por el campo eléctrico se concentra en el límite. La carga fuera del límite es rechazada por el campo eléctrico interno en él PCB Board.