EMI/EMC設計講座（二）磁通量最小化的概念

　　根據Maxwell方程式，移動走線中的電荷可以產生一電流，此電流又會產生一磁場，這種被移動電荷產生的磁場稱作「磁通線（magnetic lines of flux）」。使用「右手法則（Right-Hand Rule）」可以輕易地指出磁通線的方向，如附圖三所示。右手拇指代表走線電流流動的方向，其余卷曲的手指包圍著走線，代表磁場或磁通線的方向。此外，時變磁場會產生一個垂直的電場。射頻輻射是此磁場和電場的組合。藉由輻射或導電的方式，磁場和電場會離開PCB結構。

　　請注意，此磁場是環繞著一個封閉式回路的邊界運行。在PCB中，來源驅動端產生射頻電流，并經過走線將射頻電流傳送到負載。射頻電流必須經過一個回傳系統回到來源端（Ampere定律）。其結果是，產生了一個射頻電流回路。這個回路不必然是環狀的，但通常是呈回旋狀。因為這個過程會在回傳系統內產生一個封閉回路，因此會產生一個磁場。這個磁場又會產生一個輻射的電場。在近場處，是由磁場成份主導；然而在遠場處，電場對磁場的比率（波阻抗）大約是120πΩ或377Ω，和來源端無關。所以明顯可知，在遠場處，磁場可以使用一個循環型天線和一個相當靈敏的接收機來測量。接收準位將是E/120π（A/m，若E的單位是V/m）。同理，可以應用到電場，能在近場處使用合適的測量儀器來測量電場。

　　
圖三：右手法則

　　射頻如何存在于PCB中的另一種簡單解釋，可由附圖四和五中得知。在這里以時域和頻域來分析典型的電路。根據Kirchhoff和Ampere定律，如果要使電路能夠工作的話，一個封閉型回路電路必須存在。Kirchhoff電壓定律表示：在一個電路中，環繞任何一個封閉路徑的電壓總合必須是零。Ampere定律表示：給定 的電流會在一個點上產生磁感應，它是以電流單元和電流與那個點的相對位置來計算的。

　　若封閉回路型電路不存在，訊號是無法透過傳輸線，從來源端到達負載的。當開關關閉時，電路就成立，交流或直流電流就開始流動。在頻域，我們將此電流視為射頻能量。其實，并沒有存在兩種不同的電流（時域或頻域電流）。始終只有一種電流存在，它可以在時域或頻域中呈現。從負載到來源端的射頻回傳路徑也必須存在，否則電路將無法工作。因此，PCB結構必須遵守Maxwell方程式、Kirchhoff電壓定律，和Ampere定律。

　　Maxwell方程式、Kirchhoff和Ampere定律全部都在說：若要使一個電路正常工作或依期望的目的工作，一個封閉回路型網絡必須要存在。附圖四表示了這樣的典型電路。當一條走線從來源端到達負載，一個回傳電流路徑也必須要存在，這是Kirchhoff和Ampere定律所規定的。

　　
圖四：封閉回路型電路

　　
圖五：一個封閉回路型電路的描述

　　如附圖五所示，一個開關和來源驅動端（E）串聯。當開關關閉時，電路按照期望結果正常工作；當開關開啟時，則不具任何功能。對時域而言，期望

訊號從來源端到達負載。此訊號必須具有一個回傳路徑，才能使此電路成立，這通常是經過一個0V（接地）的回傳結構（Kirchhoff定律）。射頻電流的流動是從來源端到達負載，而且必須經過阻抗盡可能最小的路徑返回，通常它是經過一個接地走線或接地平面（鏡射平面）。射頻電流的存在，最好使用Ampere定律來說明。
　
　　磁通量最小化

　　在探討「EMI是如何在PCB內產生」之前，必須先明白「磁通線是如何在傳輸線中產生」的基本機制，因為后者是前者的一個基本概念。磁通線是一電流流經一個固定或變動的阻抗所產生的。在一個網絡中的阻抗，永遠都存在于走線、組件的焊線、通孔（via）……等。如果磁通線有存在于PCB內，根據Maaxwell方程式，射頻能量的各種傳送路徑也一定存在。這些傳送途徑可能是經過自由空間輻射出去，或經過纜線的相互連接傳導出去。

　　為了消除PCB內的射頻電流，必須先介紹「磁通量消除（flux cancellation）」或「磁通量最小化（flux minimization）」的概念。因為磁通線在傳輸線中，以逆時鐘方向運行，如果我們使射頻回傳路徑，平行且鄰近于來源端的走線，在回傳路徑（逆時鐘方向的場）上的磁通線，與來源端的路徑（順時鐘方向的場）做比較，它們的方向是相反的。當我們將順時鐘方向的場和逆時鐘方向的場相互組合時，可以產生消除的效果。如果在來源端和回傳路徑之間，不需要的磁通線能夠被消除或減至最少，則輻射或傳導的射頻電流就不會存在，除非是在走線的極小邊界上。消除磁通量的概念很簡單，但是在進行消除或最小化設計時，必須注意一些陷阱和容易疏忽的地方。因為一個小失誤，可能會引起許多額外的錯誤，造成EMC工程師更多偵錯和除錯的負擔。最簡單的磁通量消除法，是使用「鏡射平面（image plane）」。不管PCB布線是設計的多么好，磁場和電場都永遠存在。但是，如果我們消除了磁通線，則EMI就不存在。就是那么簡單！

　　在設計PCB布線時，要如何消除磁通線呢？目前有許多技巧可供參考，但是它們不是全部都和消除磁通線有直接關系，簡述其中的一些技巧如下：

　　●多層板具有正確的多層設置（stackup assignment）和阻抗控制。

　　●將頻率走線（clock trace）繞到回傳路徑接地平面（多層PCB）、接地網格（ground grid）的附近，單側和雙側板可以使用接地走線，或安全走線（guard trace）。

　　●將組件的塑料封裝內部所產生的磁通線，捕捉到0V的參考系統中，以降低組件的輻射量。

　　●警慎選擇邏輯組件，盡量減少組件和走線所輻射的射頻頻譜分布量。可以使用訊號緣變化率（edge rate）比較慢的裝置。

　　●藉由降低射頻驅動電壓（來自頻率產生電路，例如：TTL/CMOS），來降低走在線的射頻電流。

　　●降低接地噪聲電壓，此電壓存在于供電和接地平面結構中。

　　●當必須推動最大電容負載，而所有裝置的腳位同時切換時，組件的去耦合（decoupling）電路必須充足。

　　●必須將頻率和訊號走線做妥善的終結，以避免發生阻尼振蕩（ringing）、電壓過高（overshoot）、電壓過低（undershoot）。

　　●在選定的網絡上，使用數據線路濾波器和共模扼流圈（common-mode choke）。

　　●當有提供外部I/O纜線時，必須正確地使用旁路（非去耦合）電容。

　　●為會輻射大量的共模式射頻能量（由組件內部產生）之組件，提供一個接地的散熱器（heatsink）。

　　檢視上面所列的項目，可以知道， 磁通線只是「在PCB內會產生EMI」的部份原因而已。其它原因還有：

　　●在電路和I/O纜線之間，有共模和差模（differential mode）電流存在。

　　●接地回路會產生一個磁場結構。

　　●組件會輻射。

　　●阻抗不匹配。

　　請注意，大多數的EMI輻射是由共模準位產生的。在電路板或電路中，

　　這些共模準位可能會被轉變成最小的場。

　　結語

　　要消除PCB中的EMI，必須先從消除磁通量開始。但是，這是「說比做容易」，因為射頻能量是看不見、聞不著的。不過，藉由尋找射頻電流的位置與流動方向，并采用本文所介紹的幾項技巧，以及參照Maxwell方程式、Kirchhoff和Ampere定律，就可以逐漸縮小可疑的區域，找出正確的EMI位置，并消除它。