幸運的是,，在大多數的實務工作中，工程師并不需要完全理解那些復雜的數學公式和存在于EMC規(guī)范中的學理依據,，只要藉由簡單的數學模型,，就能夠明白要如何達到EMC的要求。

　　本文藉由簡單的數學公式和電磁理論,，來說明在印刷電路板(PCB)上被動組件(passive component)的隱藏行為和特性,，這些都是工程師想讓所設計的電子產品通過EMC標準時，事先所必須具備的基本知識,。

導線和PCB走線

　　導線(wire)、走線(trace),、固定架……等看似不起眼的組件,，卻經常成為射頻能量的最佳發(fā)射器(亦即，EMI的來源),。每一種組件都具有電感,，這包含硅芯片的焊線(bond wire)、以及電阻,、電容,、電感的接腳。每根導線或走線都包含有隱藏的寄生電容和電感,。這些寄生性組件會影響導線的阻抗大小,，而且對頻率很敏感。依據LC的值(決定自共振頻率)和PCB走線的長度,，在某組件和PCB走線之間,，可以產生自共振(self-resonance),，因此，形成一根有效率的輻射天線,。

　　在低頻時,，導線大致上只具有電阻的特性。但在高頻時,，導線就具有電感的特性,。因為變成高頻后，會造成阻抗大小的變化,，進而改變導線或PCB走線與接地之間的EMC設計,，這時必需使用接地面(ground plane)和接地網格(ground grid)。

　　導線和PCB走線的最主要差別只在于,，導線是圓形的,，走線是長方形的。導線或走線的阻抗包含電阻R和感抗XL = 2πfL,，在高頻時,，此阻抗定義為Z = R + j XL j2πfL，沒有容抗Xc = 1/2πfC存在,。頻率高于100 kHz以上時,，感抗大于電阻，此時導線或走線不再是低電阻的連接線,，而是電感,。一般而言，在音頻以上工作的導線或走線應該視為電感,，不能再看成電阻,，而且可以是射頻天線。

　　大多數天線的長度是等于某一特定頻率的1/4或1/2波長(λ),。因此在EMC的規(guī)范中,，不容許導線或走線在某一特定頻率的λ/20以下工作，因為這會使它突然地變成一根高效能的天線,。電感和電容會造成電路的諧振,，此現象是不會在它們的規(guī)格書中記載的。

　　例如：假設有一根10公分的走線,，R = 57 mΩ,，8 nH/cm，所以電感值總共是80 nH,。在100 kHz時,，可以得到感抗50 mΩ。當頻率超過100 kHz以上時,，此走線將變成電感,，它的電阻值可以忽略不計,。因此，此10公分的走線將在頻率超過150 MHz時,，將形成一根有效率的輻射天線,。因為在150 MHz時，其波長λ= 2公尺,，所以λ/20 = 10公分 = 走線的長度;若頻率大于150 MHz,，其波長λ將變小，其1/4λ或1/2λ值將接近于走線的長度(10公分),，于是逐漸形成一根完美的天線,。

電阻

　　電阻是在PCB上最常見到的組件。電阻的材質(碳合成,、碳膜,、云母、繞線型…等)限制了頻率響應的作用和EMC的效果,。繞線型電阻并不適合于高頻應用,，因為在導線內存在著過多的電感。碳膜電阻雖然包含有電感,，但有時適合于高頻應用,，因為它的接腳之電感值并不大。

　　一般人常忽略的是,，電阻的封裝大小和寄生電容,。寄生電容存在于電阻的兩個終端之間，它們在極高頻時,，會對正常的電路特性造成破壞,，尤其是頻率達到GHz時。不過,，對大多數的應用電路而言,，在電阻接腳之間的寄生電容不會比接腳電感來得重要。

　　當電阻承受超高電壓極限(overvoltage stress)考驗時,，必須注意電阻的變化。如果在電阻上發(fā)生了“靜電釋放(ESD)”現象,，則會發(fā)生有趣的事,。如果電阻是表面黏著(surface mount)組件，此電阻很可能會被電弧打穿,。如果電阻具有接腳,，ESD會發(fā)現此電阻的高電阻(和高電感)路徑，并避免進入被此電阻所保護的電路,。其實,，真正的保護者是此電阻所隱藏的電感和電容特性,。

　　電容一般是應用在電源總線(power bus)，提供去耦合(decouple),、旁路(bypass),、和維持固定的直流電壓和電流(bulk)之功能。真正單純的電容會維持它的電容值,，直到達到自共振頻率,。超過此自共振頻率，電容特性會變成像電感一樣,。這可以由公式：Xc=1/2πfC來說明,，Xc是容抗(單位是Ω)。例如：10μf的電解電容,，在10 kHz時,，容抗是1.6Ω;在100 MHz時，降到160μΩ,。因此在100MHz時,，存在著短路(short circuit)效應，這對EMC而言是很理想的,。但是,，電解電容的電氣參數：等效串聯電感(equivalent series inductance;ESL)和等效串聯電阻(equivalent series resistance;ESR)，將會限制此電容只能在頻率1MHz以下工作,。

　　電容的使用也和接腳電感與體積結構有關,，這些因素決定了寄生電感的數目和大小。寄生電感存在于電容的焊線之間,，它們使電容在超過自共振頻率以上時,，產生和電感一樣的行為，電容因此失去了原先設定的功能,。

電感

　　電感是用來控制PCB內的EMI,。對電感而言，它的感抗是和頻率成正比的,。這可以由公式：XL = 2πfL來說明,，XL是感抗(單位是Ω)。例如：一個理想的10 mH電感,，在10 kHz時,，感抗是628Ω;在100 MHz時，增加到6.2MΩ,。因此在100 MHz時,，此電感可以視為開路(open circuit)。在100MHz時,，若讓一個訊號通過此電感,，將會造成此訊號質量的下降(這是從時域來觀察),。和電容一樣，此電感的電氣參數(線圈之間的寄生電容)限制了此電感只能在頻率1 MHz以下工作,。

問題是,，在高頻時，若不能使用電感,，那要使用什么呢?答案是,，應該使用“鐵粉珠(ferrite bead)”。鐵粉材料是鐵鎂或鐵鎳合金,，這些材料具有高的導磁系數(permeability),，在高頻和高阻抗下，電感內線圈之間的電容值會最小,。鐵粉珠通常只適用于高頻電路,，因為在低頻時，它們基本上是保有電感的完整特性(包含有電阻和抗性分量),，因此會造成線路上的些微損失,。在高頻時，它基本上只具有抗性分量(jωL),，并且抗性分量會隨著頻率上升而增加,，如附圖一所示。實際上,，鐵粉珠是射頻能量的高頻衰減器,。

　　其實，可以將鐵粉珠視為一個電阻并聯一個電感,。在低頻時,，電阻被電感“短路”，電流流往電感;在高頻時,，電感的高感抗迫使電流流向電阻,。

　　本質上，鐵粉珠是一種“耗散裝置(dissipative device)”,，它會將高頻能量轉換成熱能,。因此，在效能上,，它只能被當成電阻來解釋,，而不是電感。

　　圖：鐵粉材料的特性

變壓器

　　變壓器通常存在于電源供應器中,，此外，它可以用來對數據訊號,、I/O連結,、供電接口做絕緣,。根據變壓器種類和應用的不同，在一次側(primary)和二次側(secondary)線圈之間,，可能有屏蔽物(shield)存在,。此屏蔽物連接到一個接地的參考源，是用來防止此兩組線圈之間的電容耦合,。

變壓器也廣泛地用來提供共模（common mode,；CM）絕緣。這些裝置根據通過其輸入端的差模（differential mode,；DM）訊號,，來將一次側線圈和二次側線圈產生磁性連結，以傳遞能量,。其結果是,，通過一次側線圈的CM電壓會被排拒，因此達到共模絕緣的目的,。不過,，在制造變壓器時，在一次側和二次側線圈之間,，會有訊號源電容存在,。當電路頻率增加時，電容耦合能力也會增強,，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（來自快速瞬變,、ESD,、雷擊……等）可能會通過變壓器，導致在絕緣層另一端的電路,，也會接收到此瞬間變化的高電壓或高電流,。

　　上面已經針對各種被動組件的隱藏特性做了詳盡的說明，底下將解釋為何這些隱藏特性會在PCB中造成EMI,。

淺談電磁理論

　　上述的被動組件具有隱藏特性,，而且會在PCB中產生射頻能量，但為何會如此呢,？為了了解其原由,，必須明白Maxwell方程式。Maxwell的四個方程式說明了電場和磁場之間的關系,，而且它們是從Ampere定律,、Faraday定律、和Gauss定律推論而來的。這些方程式描述了在一個閉回路環(huán)境中,，電磁場強度和電流密度的特性,，而且需要使用高等微積分來計算。因為Maxwell方程式非常的復雜,，在此僅做簡要的說明,。其實，PCB布線工程師并不需要完全了解Maxwell方程式的詳細知識,，只要了解其中的重點,，就能完成EMC設計。完整的Maxwell方程式條列如下：

第一定律：電通量（electric flux）（來自Gauss定律）

第二定律：磁通量（magnetic flux）（來自Gauss定律）

第三定律：電位（electric potential）（來自Faraday定律）

第四定律：電流(electric current)（來自Ampere定律）

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

　　●Maxwell方程式說明了電荷,、電流,、磁場和電場之間的交互作用。

　　●可用「Lorentz力」來形容電場和磁場施加在帶電粒子上的物理作用力,。

　　●所有物質對其它物質都具有一種組成關系,。這包含：

　　1. 導電率（conductivity）：電流與電場的關系（物質的奧姆定律）：J=σE。
2. 導磁系數：磁通量和磁場的關系：B=μH,。
3. 介電常數（

dielectric constant）：電荷儲存和一個電場的關系：D=εE,。
J = 傳導電流密度，A/m2
σ= 物質的導電率
E = 電場強度,，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,，A/m
μ= 媒材的導磁系數，H/m

　　依據Gauss定律,，Maxwell的第一方程式也稱作「分離定理（divergence theorem）」,。它可以用來說明由于電荷的累積，所產生的靜電場（electrostatic field）E,。這種現象,，最好在兩個邊界之間做觀察：導電的和不導電的。根據Gauss定律,，在邊界條件下的行為,，會產生導電的圍籠（也稱作Faraday cage）,，充當成一個靜電的屏蔽。在一個被Faraday箱包圍的封閉區(qū)域,，其外部四周的電磁波是無法進入此區(qū)域的,。若在Faraday箱內有一個電場存在，則在其邊界處,，此電場所產生的電荷是集中在邊界內側的。在邊界外側的電荷會被內部電場排拒在外,。

　　Maxwell的第二方程式表示,，在自然界沒有磁荷（magnetic charge）存在，只有電荷存在,，也就是說沒有單一磁極（magnetic monopole）存在,。雖然，目前的統(tǒng)一場理論（Grand Unified Theory）預測有很少的磁荷存在,，但迄今都無法從實驗中證明,。這些電荷是帶正電的或負電的。磁場是透過電流和電場的作用產生的,。由于電流和電場的發(fā) 射,，使它們成為輻射能量的來源點。磁場在電流四周形成一個封閉的循環(huán),，而磁場是由電流產生的,。

　　Maxwell的第三方程式也稱作「感應的Faraday定律」，說明當磁場環(huán)繞著一個封閉的電路時,，此磁場會使此封閉電路產生電流,。第三方程式和第四方程式是相伴的。第三方程式表示變動的磁場會產生電場,。磁場通常存在于變壓器或線圈,，例如：馬達、發(fā)電機…等,。第三和第四方程式的交互作用,，正是EMC的主要焦點。兩者一起來說,，它們說明了耦合的電場和磁場是如何以光速輻射或傳播,。這個方程式也說明了「集膚效應（skin effect）」的概念，它可以預測「磁屏蔽（magnetic shielding）」的有效性,。此外,，它也說明了電感的特性，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,。此方程式說明了產生磁場的兩個來源,。第一個來源是，電流以傳輸電荷的形式在流動,。第二個來源是,，當變動的電場環(huán)繞著一個封閉的電路時，會產生磁場,。這些電和磁的來源,，說明了電感和電磁的作用。在此方程式中,，J就代表以電流產生磁場的分量,；就是以電場產生磁場的分量。

　　綜合而言,，Maxwell方程式可以說明在PCB中,，EMI是如何產生的。PCB是一個會隨時間改變電流大小的環(huán)境,，而這些微積分方程式正是要對發(fā)生EMI的根源做解析,。靜電荷分布會產生靜電場，而不是磁場,。固定電流會同時產生靜磁場和靜電場,。時變（time-varying）電流會同時產生電場和磁場。

　　靜電場會儲存能量,，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。
　
電和磁的來源

　　前面已經提到,，變動中的電流會產生磁場,，靜電荷分布會產生電場，下面將進一步討論電流和輻射電場之間的關系,。我們必須檢視電流源的結構,，并觀察它是如何影響輻射訊號的。此外,，我們也必須要注意,，當距離電流源越遠時，訊號強度會越低,。

　　時變電流存在于兩種結構中：1.磁的來源（是封閉回路）,，2.電的來源（是雙極天線）。首先探討磁的來源,。

　　圖二：一個磁場的射頻傳送

　　在附圖二中,，一個電路包含有一個頻率源（振蕩器）和一個負載。我們可以看到有一個回傳電流（return current）,，在此電路沿著封閉回路流動著,。這個封閉回路是由PCB走線和射頻電流的回傳路徑組成的,。我們可以利用仿真軟件，來建立此訊號走線的模型,，并評估此模型所產生的輻射電場,。此回路所產生的電場是下面四個變量的函數。

　　1.回路中的電流振幅：電場大小和存在于訊號走線的電流大小成正比,。

　　2.回路的極性和測量裝置的關系：如果測量裝置的天線也是呈回路狀（loop）,，回路電流的極性必須和測量裝置的天線之極性相同，如此才能測量到正確的回路電流,。例如：如果測量裝置是使用雙極（dipole）天線,，則回路電流的極性必須和它一樣，兩者的極性都必須是垂直的（vertical polarization）,。

　　3.回路的大小：如果回路非常的小（比回路訊號或工作頻率的波長小很多）,，則電磁場的強度將和回路面積成正比,。如果回路越大，在天線端所測量到的頻率就越低,。對特定的回路面積而言,，此天線會在特定的頻率下共振。

　　4.距離：電磁場強度下降的比 率,，是決定于來源端和天線之間的距離,。此外，此距離也決定所產生的是電場或者是磁場,。當距離比較短時,，磁場強度和距離的平方成反比。當距離比較長時,，會出現一個電磁平面波（plane wave）,。此平面波強度和距離成正比。在平面波上,，電場向量和磁場向量相交點的位置,，大約在1/6波長的地方（也可使用λ/2π來表示，波長（λ）= 300/f）,。1/6波長和EMI的「點源（point source）」相關,，「點源」是指電磁波發(fā)射的起源。接收端天線越大,，1/6波長的值可以越大,。

結語

　　和大多數的電子工程設計一樣，EMC設計是需要細心的思慮的,。閱讀本文時,，讀者應該同時參照平時所執(zhí)行的EMC實務工作,，如此就可能會發(fā)現許多過去未曾注意到的地方，而這些地方往往就是EMI最容易發(fā)生的處所,。

　　在強調產品迅速上市的時代里,，工程師所承受的壓力與日俱增。使用良好的EMI模擬工具雖然可以協(xié)助我們快速地達成任務,；但若過度依賴這些工具,，恐怕會在一些非常特殊的情況或環(huán)境下，無法舉一反三,。所以,，擁有深厚的理論基礎，將可以彌補常態(tài)的實務工作之不足,。

(作者：于岳）