PCB技術 - EMI／EMC設計におけるプリント基板受動部品の隠れた特徴の解析

本稿は，プリント回路基板（pcbs）上の受動部品の隠れた挙動と特性を説明する簡単な数学式と電磁理論を使用する。これらは、電子製品がEMC規格を通過させたいときに、あらかじめ設計者が設計しなければならない要件である。基本的な知識が必要です。

伝統的に、EMCは「黒い魔法」とみなされました。実際、EMCは数学式で理解できる。しかし，数学的解析法が利用可能であっても，これらの数学的方程式は，実際のemc回路 基板設計には複雑である。幸いなことに、ほとんどの実用的な仕事では、エンジニアは完全にこれらの複雑な数式とEMC仕様で存在する理論的な基礎を理解する必要はありません。簡単な数学モデルを使用する限り、彼らはどのようにEMCの要件を満たすために理解することができます.

ワイヤーアンドPCBトレース

線、トレース、固定フレームなどの一見目立たない構成要素は、しばしば無線周波数エネルギー（すなわち、EM私のソース）の最良の送信機となる。すべてのコンポーネントは、シリコンチップのボンディングワイヤと、抵抗器、コンデンサおよびインダクタのピンとを含むインダクタンスを有する。各々のワイヤまたはトレースは、隠れた寄生容量およびインダクタンスを含む。これらの寄生成分は、ワイヤのインピーダンスに影響し、周波数に非常に敏感である。LCの値（自己共振周波数を決定する）およびPCBトレースの長さに従って、自己共振（自己共振）を構成要素とPCBトレースとの間で生成することができ、従って効率的な放射アンテナを形成することができる。

低周波数では、ワイヤは一般に抵抗特性を有する。しかし、高い周波数では、ワイヤはインダクタンスの特性を有する。高い周波数になるので、インピーダンスの変化を引き起こし、ワイヤーやPCBのトレースと地面の間のEMC設計を変更します。このとき、グランドプレーンとグランドグリッドを使用しなければならない。

ワイヤとの間の主な違いプリント配線板跡電線は円形であるトレースsは矩形である。ワイヤまたはトレースのインピーダンスは、抵抗Rおよび誘導性リアクタンスXL＝2。高周波で, この インピーダンスはZ＝R＋jXL j 2λfLと定義、また、容量性リアクタンスXc＝1はない/2.安速FC。周波数が100キロヘルツより高いとき, インダクタンスが抵抗より大きい. この時に, ワイヤまたはトレースは、もはや低抵抗の接続線ではない, でも インダクタンス。一般的に言えば, 音声周波数以上で働くワイヤーまたは痕跡は、以下とみなされなければなりません インダクタンス、そしてもはや抵抗と見なされない, 無線周波数アンテナ.

ほとんどのアンテナの長さは、ある周波数の1／4または1／2波長（単位）である。従って、EMC仕様においては、ある周波数のSNARDEN／20の下でワイヤやトレースを動作させることはできない。インダクタンスおよびキャパシタンスは回路の共振を引き起こし、その現象はその仕様には記録されない。

例えば、10 cmのトレース、R＝57 mの線、8 nH／cmであると仮定し、合計インダクタンス値は80 nHである。100 kHzでは50 mΩのインダクタンスを得ることができる。100 kHzを超えると、この軌跡はインダクタンスとなり、その抵抗値は無視できる。したがって、この10 cmのトレースは、周波数が150 MHzを超えると、効率的な放射アンテナを形成する。150 MHzでは、その波長が±2メートルであるので、Count / 20 = 10 cm =跡の長さ周波数が150 MHzを超えると、その波長が小さくなり、その1／4λ／1／2の値が、トレース（10 cm）の長さに近づき、次第に完璧なアンテナが形成される。

に反対

抵抗器はPCB基板上で最も一般的な部品である。抵抗器の材料（炭素合成、カーボンフィルム, 雲母, 巻線タイプ... など）周波数応答の影響とEMCの影響を制限しています。ワイヤ巻線抵抗は高周波用途には適していないので、あまりにも多くの インダクタンスワイヤーで. カーボンフィルム抵抗器 インダクタンス、それらは時々、高周波用途に適している インダクタンスそのピンは大きくない.

しばしば見落とされるのはパッケージのサイズと抵抗の寄生容量である。抵抗の2端子間に寄生容量が存在する。特に周波数がGHzに達すると，それらは非常に高い周波数で通常の回路特性を損傷する。しかしながら、ほとんどのアプリケーション回路では、抵抗ピン間の寄生容量は、ピンインダクタンスよりも重要ではない。

抵抗が過電圧ストレス（過電圧ストレス）テストされるとき、あなたは抵抗の変化に注意を払わなければなりません。「静電気放電（ESD）」現象が抵抗器で起こるならば、何か面白いことが起こります。抵抗器が表面実装部品である場合、抵抗器はアークによって貫通される可能性がある。抵抗器がピンを有する場合、ESDは、この抵抗器の高抵抗（および高いインダクタンス）経路を見つけ、この抵抗器によって保護された回路に入るのを避ける。実際、実際のプロテクターは、この抵抗器によって隠されるインダクタンスとキャパシタンス特性です。

静電容量

コンデンサは、一般に、デカップルを提供して、バイパスして、固定DC電圧および電流（バルク）機能を維持するためにパワーバスにおいて、使われる。真に純粋なコンデンサは、それが自己共振周波数に達するまで、その静電容量値を維持する。この自己共振周波数を越えて、キャパシタンス特性はインダクタンスのようになる。これは、式によって説明することができます：Xc = 1 / 2 KHz KFC、XCは容量性リアクタンス（単位は、単位）です。例えば、10 KHz／1 Fの電解コンデンサ、10 kHzで、容量性リアクタンスは1.6アンペアである100 MHzで160・・・4・5・・・。したがって、100 MHzではEMCに理想的な短絡効果がある。しかし、電解コンデンサの電気的パラメータ：等価直列インダクタンス（ESL）と等価直列抵抗（ESR）は、このキャパシタを1 MHz以下の周波数で動作させることを制限する。

コンデンサの使用は、ピンインダクタンスおよび体積構造にも関連する。これらの因子は寄生インダクタンスの数とサイズを決定する。コンデンサの溶接ワイヤ間には寄生インダクタンスが存在する。自己共振周波数を超えると、コンデンサはインダクタンスのように振舞う。したがって、コンデンサは本来の機能を失う。

インダクタンス

インダクタンスは プリント配線板。インダクタ用, その誘導リアクタンスは周波数に比例する. これは、式で説明することができます, XLはインダクタンスリアクタンス（単位は島）である。理想的な10 mHインダクタ, 10キロヘルツで, インダクタンス628、100メガヘルツで, 6.まで増加.2メートルです。したがって, 100メガヘルツで, このインダクタンス開路とみなす. 100メガヘルツで, 信号がこれを通過するならば インダクタンス、信号の品質が低下する（これは時間領域から観察される）。コンデンサのように, このインダクタの電気パラメータ（寄生静電容量 コイル間）は、インダクタが1 MHz未満の周波数でのみ動作することを制限する。

問題は、インダクタンスが高周波数で使用できない場合、何を使用すべきか？答えは、“フェライトビーズ”を使用する必要があります。鉄粉材料は鉄マグネシウムまたは鉄−ニッケル合金であり、これらの材料は高い透磁率（透磁率）を有し、高周波および高インピーダンスの下で、インダクタのコイル間の容量値は最小となる。鉄粉ビーズは、通常、高周波回路に適している。なぜなら、低周波数では、基本的にインダクタンス（抵抗および抵抗成分を含む）の完全な特性を保持するので、それらはライン上でわずかな損失を引き起こす。高周波数では、基本的には抵抗成分（J≧L）のみであり、図1に示すように、周波数が高くなるにつれて抵抗成分が増加する。実際には、鉄粉ビーズはRFエネルギー用の高周波減衰器である。

実際、鉄粉ビーズは、抵抗器とインダクタとを並列に考えることができる。低周波数では、抵抗器はインダクタによって短絡され、電流はインダクタに流れる高周波数では、インダクタの高いインダクタンスは、電流に抵抗を流す。

本質的に、鉄粉ビーズは、高周波エネルギーを熱に変換する「散逸装置」である。従って、性能上、インダクタンスではなく抵抗として説明することができる。

鉄粉材料の特性

変圧器

変圧器は通常電源に存在する。加えて、それらはデータ信号、I／O接続および電源インターフェースを絶縁するために用いることができる。変圧器のタイプ及び用途によっては、一次コイルと二次コイルとの間にシールドがあってもよい。シールドは、2組のコイル間の容量結合を防止するために接地基準源に接続される。