EMI/EMC設(shè)計(jì)講座（一）PCB被動(dòng)組件的隱藏特性解析

變壓器也廣泛地用來(lái)提供共模（common mode；CM）絕緣。這些裝置根據(jù)通過其輸入端的差模（differential mode；DM）訊號(hào)，來(lái)將一次側(cè)線圈和二次側(cè)線圈產(chǎn)生磁性連結(jié)，以傳遞能量。其結(jié)果是，通過一次側(cè)線圈的CM電壓會(huì)被排拒，因此達(dá)到共模絕緣的目的。不過，在制造變壓器時(shí)，在一次側(cè)和二次側(cè)線圈之間，會(huì)有訊號(hào)源電容存在。當(dāng)電路頻率增加時(shí)，電容耦合能力也會(huì)增強(qiáng)，因此破壞了電路的絕緣效果。若有足夠的寄生電容存在的話，高頻的射頻能量（來(lái)自快速瞬變、ESD、雷擊……等）可能會(huì)通過變壓器，導(dǎo)致在絕緣層另一端的電路，也會(huì)接收到此瞬間變化的高電壓或高電流。

上面已經(jīng)針對(duì)各種被動(dòng)組件的隱藏特性做了詳盡的說(shuō)明，底下將解釋為何這些隱藏特性會(huì)在PCB中造成EMI。

淺談電磁理論
上述的被動(dòng)組件具有隱藏特性，而且會(huì)在PCB中產(chǎn)生射頻能量，但為何會(huì)如此呢？為了了解其原由，必須明白Maxwell方程式。Maxwell的四個(gè)方程式說(shuō)明了電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的關(guān)系，而且它們是從Ampere定律、Faraday定律、和Gauss定律推論而來(lái)的。這些方程式描述了在一個(gè)閉回路環(huán)境中，電磁場(chǎng)強(qiáng)度和電流密度的特性，而且需要使用高等微積分來(lái)計(jì)算。因?yàn)镸axwell方程式非常的復(fù)雜，在此僅做簡(jiǎn)要的說(shuō)明。其實(shí)，PCB布線工程師并不需要完全了解Maxwell方程式的詳細(xì)知識(shí)，只要了解其中的重點(diǎn)，就能完成EMC設(shè)計(jì)。完整的Maxwell方程式條列如下：

在上述的方程式中，J、E、B、H是向量。此外，與Maxwell方程式相關(guān)的基本物理觀念有：

　　●Maxwell方程式說(shuō)明了電荷、電流、磁場(chǎng)和電場(chǎng)之間的交互作用。

　　●可用「Lorentz力」來(lái)形容電場(chǎng)和磁場(chǎng)施加在帶電粒子上的物理作用力。

　　●所有物質(zhì)對(duì)其它物質(zhì)都具有一種組成關(guān)系。這包含：

1. 導(dǎo)電率（conductivity）：電流與電場(chǎng)的關(guān)系（物質(zhì)的奧姆定律）：J=σE。

2. 導(dǎo)磁系數(shù)：磁通量和磁場(chǎng)的關(guān)系：B=μH。

3. 介電常數(shù)（ dielectric constant）：電荷儲(chǔ)存和一個(gè)電場(chǎng)的關(guān)系：D=εE。
J = 傳導(dǎo)電流密度，A/m2
σ= 物質(zhì)的導(dǎo)電率
E = 電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m
D = 電通量密度，coulombs/ m2
ε= 真空電容率（permittivity），8.85 pF/m
B = 磁通量密度，Weber/ m2或Tesla
H = 磁場(chǎng)，A/m
μ= 媒材的導(dǎo)磁系數(shù)，H/m

依據(jù)Gauss定律，Maxwell的第一方程式也稱作「分離定理（divergence theorem）」。它可以用來(lái)說(shuō)明由于電荷的累積，所產(chǎn)生的靜電場(chǎng)（electrostatic field）E。這種現(xiàn)象，最好在兩個(gè)邊界之間做觀察：導(dǎo)電的和不導(dǎo)電的。根據(jù)Gauss定律，在邊界條件下的行為，會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)電的圍籠（也稱作Faraday cage），充當(dāng)成一個(gè)靜電的屏蔽。在一個(gè)被Faraday箱包圍的封閉區(qū)域，其外部四周的電磁波是無(wú)法進(jìn)入此區(qū)域的。若在Faraday箱內(nèi)有一個(gè)電場(chǎng)存在，則在其邊界處，此電場(chǎng)所產(chǎn)生的電荷是集中在邊界內(nèi)側(cè)的。在邊界外側(cè)的電荷會(huì)被內(nèi)部電場(chǎng)排拒在外。

Maxwell的第二方程式表示，在自然界沒有磁荷（mag

netic charge）存在，只有電荷存在，也就是說(shuō)沒有單一磁極（magnetic monopole）存在。雖然，目前的統(tǒng)一場(chǎng)理論（Grand Unified Theory）預(yù)測(cè)有很少的磁荷存在，但迄今都無(wú)法從實(shí)驗(yàn)中證明。這些電荷是帶正電的或負(fù)電的。磁場(chǎng)是透過電流和電場(chǎng)的作用產(chǎn)生的。由于電流和電場(chǎng)的發(fā)射，使它們成為輻射能量的來(lái)源點(diǎn)。磁場(chǎng)在電流四周形成一個(gè)封閉的循環(huán)，而磁場(chǎng)是由電流產(chǎn)生的。

Maxwell的第三方程式也稱作「感應(yīng)的Faraday定律」，說(shuō)明當(dāng)磁場(chǎng)環(huán)繞著一個(gè)封閉的電路時(shí)，此磁場(chǎng)會(huì)使此封閉電路產(chǎn)生電流。第三方程式和第四方程式是相伴的。第三方程式表示變動(dòng)的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。磁場(chǎng)通常存在于變壓器或線圈，例如：馬達(dá)、發(fā)電機(jī)…等。第三和第四方程式的交互作用，正是EMC的主要焦點(diǎn)。兩者一起來(lái)說(shuō)，它們說(shuō)明了耦合的電場(chǎng)和磁場(chǎng)是如何以光速輻射或傳播。這個(gè)方程式也說(shuō)明了「集膚效應(yīng)（skin effect）」的概念，它可以預(yù)測(cè)「磁屏蔽（magnetic shielding）」的有效性。此外，它也說(shuō)明了電感的特性，而電感允許天線能合理地存在。

Maxwell的第四方程式也稱作Ampere定律。此方程式說(shuō)明了產(chǎn)生磁場(chǎng)的兩個(gè)來(lái)源。第一個(gè)來(lái)源是，電流以傳輸電荷的形式在流動(dòng)。第二個(gè)來(lái)源是，當(dāng)變動(dòng)的電場(chǎng)環(huán)繞著一個(gè)封閉的電路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。這些電和磁的來(lái)源，說(shuō)明了電感和電磁的作用。在此方程式中，J就代表以電流產(chǎn)生磁場(chǎng)的分量；就是以電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)的分量。

綜合而言，Maxwell方程式可以說(shuō)明在PCB中，EMI是如何產(chǎn)生的。PCB是一個(gè)會(huì)隨時(shí)間改變電流大小的環(huán)境，而這些微積分方程式正是要對(duì)發(fā)生EMI的根源做解析。靜電荷分布會(huì)產(chǎn)生靜電場(chǎng)，而不是磁場(chǎng)。固定電流會(huì)同時(shí)產(chǎn)生靜磁場(chǎng)和靜電場(chǎng)。時(shí)變（time-varying）電流會(huì)同時(shí)產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)。

靜電場(chǎng)會(huì)儲(chǔ)存能量，這是電容的基本功能：累積和保有電荷。固定的電流源是電感的基本功能和概念。