強化EMI、ESD與電源品質 應重視電路接地與濾波設計
- DIGITIMES企劃
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現多數3C或IT設備，大多是以數位電子電路運行，極少部分有類比電路搭配，而所謂的數位電子電路，在傳輸數據的本身僅需提供準確的0與1訊號，但實際上電子電路仍需要加諸能量維持0與1信號的傳輸位準，而這些能量又經過IC元件消耗，並加上交換式電源導致的噪訊問題，設計不良將對產品穩定度產生影響...
對電子電路設計來說，穩定的電源供應，將可讓設備運行更趨穩定、正常，尤其在數位電子電路方面，即便傳輸的資料是明確的0與1資訊，但隨著3C與IT裝置的效能要求越來越高，電路間傳送資訊的頻率大幅提升，資料量暴增造成只要傳輸訊號位準出現飄移，就很容易造成數位電子電路功能產生異常。
電源噪訊問題將影響設備穩定運行
即便是數位電子電路本身可專注處理數據，而不用太過顧忌電源穩定性問題，但實際上為了縮小產品體積、維持電源供應能量，多數電子裝置大多採行高效率的交換式電源處理設備供電需求，由於交換式電源本身為高頻運作，相關處理過程本身就極易產生電源噪訊，若設計不良可能令噪訊影響到正常電路運行狀態。噪訊的來源有EMI、電源位準飄移、突波...等問題，即便多數問題可利用保護元件進行信號處理，但再多的電源穩定補強設計，都必須搭配接地設計方案，來進行整體地源設計的穩定性能提升。
先理解電路的基礎狀態，電子電路必須形成一個loop才能構成，一般電源線與接地Ground為成對出現，為使電子電路形成良好運行狀態，必須在電源端與Ground端均維持穩定狀態，尤其是無噪訊的電位表現為電路穩定運行的重點。至於電路賴以運行的電源可以自電子設備外部供應，或是由設備裝置內的電源電路產生，而外部供應之電力來源多為市電AC 110V，經過變壓電路將電力自AC交流電轉換為DC直流電源。
而以外部電源的應用場合觀察，一般電子設備連接市電110V電源，多數會於其他設備共用電力來源，基本上連接同一組電力線的相關設備並不會產生過多Noise噪訊，反而是電源本身的插拔電力供應狀態的瞬變產生的突波，甚至是電力線本身的外部噪訊或不穩定電力來源，都會影響電源供應品質。當電力品質不佳，不僅會影響電子電路穩定性，長時間下來還會讓設備的保護元件壽命減短。
交換式電源高頻噪訊 需有效隔離避免影響電路
至於AC轉換至DC的電力轉換線路，多半採行交換式電源(switching power)處理電力需求，在電路設計上交換式電源本身就會產生大量噪訊，這些噪訊若不有效處理，對於電子電路的線路位準將會產生明顯的飄移與誤差。改善交換式電源的噪訊問題，通常會在電源線增設filter電源濾波元件，濾波器可以消除一部分自AC電源而來的噪訊，同時也能減少自設備交換式電源產生的噪訊影響連接同一組電力線的其他設備。
另一種設備電力供應狀態，為設備內利用內建電池進行電路運行電力供應，多數場合為使用一次性電池或可多次反覆充電使用之二次電池。與連接市電取得外部電力的設備設計不同的是，運用電池供電(不管是一次或二次電池)，電池本身不僅不會如同交換式電源產出大量高頻雜訊，反而電池本身的物理特性，還可吸收或是兼具如電源濾波器的應用效果。
雖說電池供電設備本身的電力干擾問題小許多，但電池本身的物理特性在放電過程中，仍會隨著驅動電路的負載變化而產生供應電壓的對應變化，甚至電池本身放電特性的差異，也會對應使得電路供應電壓出現電壓下滑問題。如果針對行動裝置電池供電設計中增設交換式穩壓設計維持電力輸出穩定性，但DC-DC轉換之switching regulator設計方案仍會如AC-DC交換式電源設計一般，也會因switching regulator而產生大量電源噪訊問題。
妥慎處理接地設計 提升設備電力穩定性
而在實際電路設計時，先前提過，電力線與接地線成對出現設計之中，而Ground為提供電子電路電位基準的關鍵，信號在電子迴路中理論上是將電路的阻抗視為0歐姆，但實際上導線或是PCB電路板的電路本身仍具一定程度的阻抗，這意味著電流於線路中傳輸會產生電壓，而此時接地的電位也會出現差異，加上線路與線路間的電感狀態也會導致高頻運行容易產生線路噪訊，這會使電路設計在驗證功能的同時，也必須考量線路的雜訊抑制與針對性改善噪訊問題。
為讓電路穩定運行，妥善處理電路接地設置是一個較佳的處理方法，尤其是在高電壓電源設備、變壓設備電路而言，妥善處理接地可讓人體觸摸設備產生觸電的機率減低，因為只要設備機殼妥慎做好接地設計，可以讓漏電電流導至機殼接地，避免機殼電位過高，而當人體誤觸漏電設備也可減低觸電傷害。
不只是高功率、高電力電子設備需要進行妥善接地，中？低電力的設備也必須進行，確保設備運行安全。一般取用市電AC電力設備的接地設計，在電源插座本身多數即具備接地線路。例如，美規三孔插座即設置其中一孔為接地線，可用來額外作為設備機殼的接地連接；另日本兩孔插座電源，使用其中一線進行接地，但此一般稱為AC接地，並無法將此當一般接地使用。
改善寄生電容、電感問題 強化載板高頻表現
而多數電子電路所處理的高頻訊號，通常也會引發各式訊號問題，即便雜訊本身為直流、低頻信號，但噪訊仍可能經由複雜的電路環境轉而變成高頻噪訊，因此設備仍須針對高頻噪訊進行重點處理，即針對高頻噪訊進行接地處理。
而接地電極通常會具備較大面積，而在接地之電極與大地之間需設置電容元件，因應高頻時的線路阻抗有效降低，加速瞬間噪訊可以快速自接地紓解。實際線路中，導線在高頻產生的阻抗很難去忽略它，即便是直行導線的直流阻抗通常都可在設計時忽略不考慮，但線路電感產生的阻抗卻相當明顯而無法無視它！一般而言導線之線徑越粗，可讓線路之電感降低，但實際在設備中卻難以做到，因為設備體積持續要求縮小，使用電路載板持續微縮設計，讓壓低電感的設計方案並不容易實踐。
在現有的設計方案中，我們仍有相當多用以解決EMI/EMC問題的關鍵零組件，例如，使用共模電感元件，利用共模干擾抑制元器件，針對共模信號的大電感問題提供抑制作用，對於差模電流可在線路中達到幾乎沒有電感量，使我們需要的訊號可幾乎在無衰減的狀態下通過。但共模阻抗設定一般是越大越好，但使用時須注意選擇需要的濾波頻段，這可參照元器件的規格進行選擇。
另針對高頻噪訊，我們也可搭配濾波電容進行改善，但在實際應用電路中，要十分注意電容的諧振問題，面對在高頻行動裝置的設計方案中，需濾除的電磁噪訊可能高達1GHz，這時需使用特殊電容器搭配進行抑制高頻噪訊，導入設計同時需注意導線間的寄生電容問題而產生耦合狀況，導致濾波電容的效果表現低下。
對於高度複雜電子電路應用需求，可能在同一設計中即出現高電力與數位電子電路混合的狀況，常見的作法是把電路區隔採區塊設計或模組化區隔不同功能電路，但電路與電路間的傳輸介面線路，也必須做好妥善的濾波電路設計，但要在有限載板設置大量濾波電容肯定不容易進行，但現在也有保護元件業者推出濾波陣列整合元件，解決用戶的產品設計需求。
