电子产品世界

　　根据Maxwell方程式，移动走线中的电荷可以产生一电流，此电流又会产生一磁场，这种被移动电荷产生的磁场称作「磁通线（magnetic lines of flux）」。使用「右手法则（Right-Hand Rule）」可以轻易地指出磁通线的方向，如附图三所示。右手拇指代表走线电流流动的方向，其余卷曲的手指包围着走线，代表磁场或磁通线的方向。此外，时变磁场会产生一个垂直的电场。射频辐射是此磁场和电场的组合。藉由辐射或导电的方式，磁场和电场会离开PCB结构。

　　请注意，此磁场是环绕着一个封闭式回路的边界运行。在PCB中，来源驱动端产生射频电流，并经过走线将射频电流传送到负载。射频电流必须经过一个回传系统回到来源端（Ampere定律）。其结果是，产生了一个射频电流回路。这个回路不必然是环状的，但通常是呈回旋状。因为这个过程会在回传系统内产生一个封闭回路，因此会产生一个磁场。这个磁场又会产生一个辐射的电场。在近场处，是由磁场成份主导；然而在远场处，电场对磁场的比率（波阻抗）大约是120πΩ或377Ω，和来源端无关。所以明显可知，在远场处，磁场可以使用一个循环型天线和一个相当灵敏的接收机来测量。接收准位将是E/120π（A/m，若E的单位是V/m）。同理，可以应用到电场，能在近场处使用合适的测量仪器来测量电场。

　　
图三：右手法则

　　射频如何存在于PCB中的另一种简单解释，可由附图四和五中得知。在这里以时域和频域来分析典型的电路。根据Kirchhoff和Ampere定律，如果要使电路能够工作的话，一个封闭型回路电路必须存在。Kirchhoff电压定律表示：在一个电路中，环绕任何一个封闭路径的电压总合必须是零。Ampere定律表示：给定 的电流会在一个点上产生磁感应，它是以电流单元和电流与那个点的相对位置来计算的。

　　若封闭回路型电路不存在，讯号是无法透过传输线，从来源端到达负载的。当开关关闭时，电路就成立，交流或直流电流就开始流动。在频域，我们将此电流视为射频能量。其实，并没有存在两种不同的电流（时域或频域电流）。始终只有一种电流存在，它可以在时域或频域中呈现。从负载到来源端的射频回传路径也必须存在，否则电路将无法工作。因此，PCB结构必须遵守Maxwell方程式、Kirchhoff电压定律，和Ampere定律。

　　Maxwell方程式、Kirchhoff和Ampere定律全部都在说：若要使一个电路正常工作或依期望的目的工作，一个封闭回路型网络必须要存在。附图四表示了这样的典型电路。当一条走线从来源端到达负载，一个回传电流路径也必须要存在，这是Kirchhoff和Ampere定律所规定的。

　　
图四：封闭回路型电路

　　
图五：一个封闭回路型电路的描述

　　如附图五所示，一个开关和来源驱动端（E）串联。当开关关闭时，电路按照期望结果正常工作；当开关开启时，则不具任何功能。对时域而言，期望

讯号从来源端到达负载。此讯号必须具有一个回传路径，才能使此电路成立，这通常是经过一个0V（接地）的回传结构（Kirchhoff定律）。射频电流的流动是从来源端到达负载，而且必须经过阻抗尽可能最小的路径返回，通常它是经过一个接地走线或接地平面（镜射平面）。射频电流的存在，最好使用Ampere定律来说明。
　
　　磁通量最小化

　　在探讨「EMI是如何在PCB内产生」之前，必须先明白「磁通线是如何在传输线中产生」的基本机制，因为后者是前者的一个基本概念。磁通线是一电流流经一个固定或变动的阻抗所产生的。在一个网络中的阻抗，永远都存在于走线、组件的焊线、通孔（via）……等。如果磁通线有存在于PCB内，根据Maaxwell方程式，射频能量的各种传送路径也一定存在。这些传送途径可能是经过自由空间辐射出去，或经过缆线的相互连接传导出去。

　　为了消除PCB内的射频电流，必须先介绍「磁通量消除（flux cancellation）」或「磁通量最小化（flux minimization）」的概念。因为磁通线在传输线中，以逆时钟方向运行，如果我们使射频回传路径，平行且邻近于来源端的走线，在回传路径（逆时钟方向的场）上的磁通线，与来源端的路径（顺时钟方向的场）做比较，它们的方向是相反的。当我们将顺时钟方向的场和逆时钟方向的场相互组合时，可以产生消除的效果。如果在来源端和回传路径之间，不需要的磁通线能够被消除或减至最少，则辐射或传导的射频电流就不会存在，除非是在走线的极小边界上。消除磁通量的概念很简单，但是在进行消除或最小化设计时，必须注意一些陷阱和容易疏忽的地方。因为一个小失误，可能会引起许多额外的错误，造成EMC工程师更多侦错和除错的负担。最简单的磁通量消除法，是使用「镜射平面（image plane）」。不管PCB布线是设计的多么好，磁场和电场都永远存在。但是，如果我们消除了磁通线，则EMI就不存在。就是那么简单！

　　在设计PCB布线时，要如何消除磁通线呢？目前有许多技巧可供参考，但是它们不是全部都和消除磁通线有直接关系，简述其中的一些技巧如下：

　　●多层板具有正确的多层设置（stackup assignment）和阻抗控制。

　　●将频率走线（clock trace）绕到回传路径接地平面（多层PCB）、接地网格（ground grid）的附近，单侧和双侧板可以使用接地走线，或安全走线（guard trace）。

　　●将组件的塑料封装内部所产生的磁通线，捕捉到0V的参考系统中，以降低组件的辐射量。

　　●警慎选择逻辑组件，尽量减少组件和走线所辐射的射频频谱分布量。可以使用讯号缘变化率（edge rate）比较慢的装置。

　　●藉由降低射频驱动电压（来自频率产生电路，例如：TTL/CMOS），来降低走在线的射频电流。

　　●降低接地噪声电压，此电压存在于供电和接地平面结构中。

　　●当必须推动最大电容负载，而所有装置的脚位同时切换时，组件的去耦合（decoupling）电路必须充足。

　　●必须将频率和讯号走线做妥善的终结，以避免发生阻尼振荡（ringing）、电压过高（overshoot）、电压过低（undershoot）。

　　●在选定的网络上，使用数据线路滤波器和共模扼流圈（common-mode choke）。

　　●当有提供外部I/O缆线时，必须正确地使用旁路（非去耦合）电容。

　　●为会辐射大量的共模式射频能量（由组件内部产生）之组件，提供一个接地的散热器（heatsink）。

　　检视上面所列的项目，可以知道， 磁通线只是「在PCB内会产生EMI」的部份原因而已。其它原因还有：

　　●在电路和I/O缆线之间，有共模和差模（differential mode）电流存在。

　　●接地回路会产生一个磁场结构。

　　●组件会辐射。

　　●阻抗不匹配。

　　请注意，大多数的EMI辐射是由共模准位产生的。在电路板或电路中，

　　这些共模准位可能会被转变成最小的场。

　　结语

　　要消除PCB中的EMI，必须先从消除磁通量开始。但是，这是「说比做容易」，因为射频能量是看不见、闻不着的。不过，藉由寻找射频电流的位置与流动方向，并采用本文所介绍的几项技巧，以及参照Maxwell方程式、Kirchhoff和Ampere定律，就可以逐渐缩小可疑的区域，找出正确的EMI位置，并消除它。

关键词： EMC EMI PCB 磁场