Elektronisches Design - EMV-Analyse und Auslegung von Hochgeschwindigkeitsschaltungen

Elektromagnetische Verträglichkeit bedeutet, dass elektrische und elektronische Systeme und Geräte, die innerhalb der festgelegten Sicherheitsgrenzen in einer bestimmten elektromagnetischen Umgebung arbeiten, nicht beschädigt oder durch externe elektromagnetische Störungen irreparabel beeinträchtigt werden. Gleichzeitig ist die von ihnen erzeugte elektromagnetische Strahlung nicht größer als das Grenzniveau der Überprüfung und beeinträchtigt nicht den normalen Betrieb anderer elektronischer Geräte oder Systeme, um den Zweck der Nichtinterferenz zwischen Ausrüstung und Ausrüstung, System und System zu erreichen und zuverlässig zusammenzuarbeiten.

1 Faktoren der elektromagnetischen Verträglichkeit

(1) Frequency characteristics of resistance. In einer digitalen Schaltung, Die Hauptfunktion eines Widerstands besteht darin, Strom zu begrenzen und einen festen Pegel zu bestimmen. In einem Hochfrequenzschaltung, Die an beiden Enden des Widerstands vorhandene Hochfrequenz-parasitäre Kapazität verursacht Schäden an den normalen Schaltungseigenschaften. Die Pin-Induktivität des gleichen Widerstands hat einen großen Einfluss auf die EMV der Schaltung.

(2) The frequency characteristic of the capacitor. Kondensatoren werden in der Regel im Strombus verwendet. Sie bieten Entkopplung, Umgehung und Aufrechterhaltung einer festen Gleichspannung und eines festen Stroms. Allerdings, in Hochfrequenzschaltungen, wenn die Betriebsfrequenz der Schaltung die Eigenresonanzfrequenz des Kondensators überschreitet, Durch seine parasitäre Induktivität verhält sich der Kondensator als induktive Kennlinie, dadurch seine ursprüngliche Funktion verliert und die Leistung der Schaltung beeinträchtigt.

(3) Frequenzcharakteristika der Induktivität. Der Induktor wird verwendet, um EMI in der Leiterplatte zu steuern. Wenn die Betriebsfrequenz des Schaltkreises steigt, steigt die äquivalente Impedanz des Induktors mit der Zunahme der Frequenz. Wenn die Betriebsfrequenz des Schaltkreises die obere Grenze der Betriebsfrequenz des Induktors überschreitet, beeinflusst die Induktivität den normalen Betrieb des Schaltkreises.

(4) Frequenzmerkmale des Drahtes. Die Leiterbahnen auf der Leiterplatte und den Leitungen der Komponenten haben parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten. Diese parasitären Induktivitäten und Kapazitäten beeinflussen die Frequenzeigenschaften der Drähte, die Resonanz zwischen den Komponenten und den Drähten verursachen können, wodurch die Drähte zu elektromagnetischen Störungen werden. Die wichtige Sendeantenne. Im Allgemeinen weist der Draht Widerstandsmerkmale im Niederfrequenzband und Induktivitätsmerkmale im Hochfrequenzband auf. Daher muss auf der Leiterplatte die Länge des Drahtes im Allgemeinen weniger als ein Zwanzigstel der Wellenlänge der Betriebsfrequenz betragen, um zu verhindern, dass der Draht zu einer Quelle elektromagnetischer Störungen wird.

(5) Statische Elektrizität. Das Problem der elektrostatischen Entladung ist zu einer großen öffentlichen Gefahr für elektronische Produkte geworden, die dauerhafte Schäden am Produkt verursachen kann. Daher müssen bei der Produktgestaltung entsprechende elektrostatische Schutzmaßnahmen getroffen werden. Häufig verwendete antistatische Maßnahmen umfassen die Auswahl antistatischer Materialien, die Annahme elektrischer Isolationsmaßnahmen, die Verbesserung der Isolationsfestigkeit von Produkten und die Einrichtung guter elektrostatischer Abschirmschichten und Entladungskanäle.

(6) Stromversorgung. Mit der weit verbreiteten Anwendung von Hochfrequenz-Schaltnetzteilen und der kontinuierlichen Zunahme der Netzanlasten ist das Problem der Stromversorgungsstörungen zu Produkten allmählich zu einem wichtigen Faktor geworden, der die EMV-Eigenschaften von Produkten beeinflusst. Daher haben einige empfindliche Geräte, die anfällig für Störungen sind, nicht direkt Wechselstromversorgung verwendet, sondern auf Gleichstromversorgung umgeschaltet. Obwohl dies die Komplexität und die Kosten des Systems erhöht hat, hat es effektiv die Stabilität des Systems verbessert.

(7) Donner und Blitz. Blitz ist im Wesentlichen ein starker elektrostatischer Entladungsprozess, der positive und negative Ladungen neutralisiert. Die daraus resultierenden starken elektromagnetischen Impulse sind die Hauptursache für Schäden an verschiedenen elektronischen Geräten. Die Auswirkungen von Blitzen auf elektronische Geräte umfassen direkte Blitze und induzierte Blitze. Heutzutage sind verschiedene elektronische Geräte im Innenbereich im Allgemeinen nicht anfällig für direkte Blitze, aber sie sind immer noch anfällig für Schäden durch induzierte Blitze. Um den sicheren Betrieb elektronischer Geräte zu gewährleisten, müssen elektronische Geräte vor Blitzeinschlägen geschützt werden. Häufig verwendete Blitzschutzmaßnahmen umfassen die Installation von Blitzableitern, die Installation von Blitzableitern und Blitzschutzkabeln.

2 Elemente der elektromagnetischen Verträglichkeit

Theoretische und praktische Studien haben bewiesen, dass jede elektromagnetische Störung unabhängig von einem komplexen System oder einer einfachen Vorrichtung drei grundlegende Bedingungen erfüllen muss: die Existenz einer bestimmten Störquelle, ein vollständiger Kopplungskanal mit Störung und die Reaktion des gestörten Objekts.

2.1 Quellen elektromagnetischer Störungen

Elektromagnetische Störquelle bezieht sich auf jedes Element, Gerät, Ausrüstung, System oder natürliches Phänomen, das elektromagnetische Störungen verursacht. Hochfrequenzschaltungen sind besonders empfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen, Daher müssen verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, um elektromagnetische Störungen zu unterdrücken. Durch theoretische und experimentelle Analysen, Es ist bekannt, dass in Hochfrequenzschaltungen, Die elektromagnetische Störung kommt hauptsächlich aus folgenden Aspekten:

(1) Störgeräusche beim Betrieb des Geräts

(A) Elektromagnetische Störungen treten auf, wenn digitale Schaltungen arbeiten.

(B) Elektromagnetische Feldstörungen, die durch Änderungen der Signalspannung und des Stroms verursacht werden.

(2) Hochfrequente Störsignale

(A) Übersprechen: Es bedeutet, dass, wenn ein Signal auf einem Übertragungskanal übertragen wird, es eine unerwünschte Wirkung auf die benachbarte Übertragungsleitung aufgrund elektromagnetischer Kopplung hat. Das gestörte Signal scheint mit einer bestimmten Kupplungsspannung und Kupplungsstrom eingespritzt zu sein. Übermäßiges Übersprechen kann zu Fehlauslösungen des Schaltkreises, Zeitverzögerungen und dazu führen, dass das System nicht normal funktioniert.

(b) Rücklaufverlust: Wenn ein Hochfrequenzsignal in Kabeln und Kommunikationsgeräten übertragen wird, reflektiert es das Signal, wenn es auf ungleichmäßige Wellenimpedanz trifft. Diese Reflexion erhöht nicht nur den Übertragungsverlust des Signals, sondern auch die Verzerrung des Übertragungssignals hat einen großen Einfluss auf die Übertragungsleistung.

(3) Störgeräusche der Stromversorgung

Das Stromversorgungsgeräusch im PCB besteht hauptsächlich aus dem durch die Stromversorgung selbst erzeugten Rauschen oder dem durch die Störung verursachten Rauschen, das sich hauptsächlich manifestiert als: 1. verteiltes Rauschen, das durch die inhärente Impedanz des Netzteils selbst verursacht wird; 2. Feldstörungen im Gleichtaktmodus; 3. Feldstörungen im Differenzmodus; 4. Leitungs-zu-Leitungs-Störung; 5. Kupplung der Stromleitung.

(4) Störung des Bodenlärms

Aufgrund des Widerstands und der Impedanz auf dem Erdungskabel, wenn der Strom durch den Erdungskabel fließt, wird ein Spannungsabfall erzeugt. Wenn der Strom groß genug ist oder die Betriebsfrequenz hoch genug ist, ist der Spannungsabfall groß genug, um Störungen in der Schaltung zu verursachen. Die durch den Erdungsdraht verursachten Störgeräusche umfassen hauptsächlich Erdschleifenstörungen und allgemeine Impedanzkupplungsstörungen.

(A) Erdschleifenstörung: Wenn mehrere Funktionseinheiten mit dem Erdungskabel verbunden sind, wenn der Strom im Erdungskabel groß genug ist, wird ein Spannungsabfall auf den Verbindungskabeln zwischen den Geräten erzeugt. Aufgrund der unausgewogenen elektrischen Eigenschaften zwischen den verschiedenen Schaltungen ist der Strom auf jedem Draht unterschiedlich, so dass eine differenzielle Modenspannung erzeugt wird, die die Schaltung beeinflusst. Darüber hinaus kann das externe elektromagnetische Feld auch Strom in der Erdschleife induzieren, wodurch Störungen verursacht werden.

b) Störung der gemeinsamen Impedanzkupplung; Wenn mehrere Funktionseinheiten denselben Erdungskabel teilen, wird aufgrund der Existenz der Erdungskabelimpedanz das Erdungspotential jeder Einheit gegenseitig moduliert, was Interferenzen zwischen den Signalen jeder Einheit verursacht. In einer Hochfrequenz-Schaltung befindet sich die Schaltung in einem Hochfrequenz-Betriebszustand, und die Erdimpedanz ist oft groß. Zu diesem Zeitpunkt ist die gemeinsame Impedanzkupplungsstörung besonders offensichtlich.

Es gibt zwei Möglichkeiten, die gemeinsame Impedanzkupplung zu beseitigen: eine ist, die Impedanz des gemeinsamen Bodenteils zu reduzieren, so dass auch die Spannung auf der gemeinsamen Erde reduziert wird, dadurch die gemeinsame Impedanzkupplung steuern. Eine andere Methode besteht darin, die gemeinsame Erdung von Schaltkreisen zu vermeiden, die sich leicht gegenseitig durch richtige Erdung stören lassen. Allgemein, Vermeidung der gemeinsamen Erdung von Hochstrom- und Schwachstromschaltungen, und die gemeinsame Erdung von digitalen und analogen Schaltungen. Wie bereits erwähnt, Das Kernproblem der Verringerung der Impedanz des Erdungskabels besteht darin, die Induktivität des Erdungskabels zu verringern. Dazu gehört auch die Verwendung eines flachen Leiters als Erdungskabel, und Verwendung mehrerer paralleler Leiter, die als Massedraht weit voneinander entfernt sind. Für Leiterplatten, Das Verlegen eines Erddrahtgitters auf einer Doppelschichtplatte kann die Erddrahtimpedanz effektiv reduzieren. In einem multilayer board, Eine spezielle Schicht aus Erdungsdraht hat eine geringe Impedanz, aber es erhöht die Kosten der Leiterplatte. . Die Erdungsmethode zur Vermeidung gemeinsamer Impedanz durch richtige Erdung ist die parallele Einpunkt-Erdung. Der Nachteil der Parallelerdung ist, dass es zu viele geerdete Drähte gibt. Daher, in der Praxis, Es ist nicht notwendig, dass alle Stromkreise parallel zur Einpunkt-Erdung angeschlossen werden. Für Schaltungen mit weniger gegenseitigen Störungen, Ein-Punkt-Erdung in Serie kann verwendet werden. Zum Beispiel, Schaltungen können nach starkem Signal klassifiziert werden, schwaches Signal, Analogsignal, digitales Signal, etc., und dann die Einpunkt-Erdung in Reihe innerhalb ähnlicher Schaltkreise verwenden, Parallele Einpunkt-Erdung für Schaltungen unterschiedlicher Art.

2.2 Kupplungskanal hemmen

Die wichtigsten Kopplungskanäle elektromagnetischer Störungen in Hochgeschwindigkeitsschaltkreisen umfassen Strahlungskopplung, Leitungskopplung, kapazitive Kopplung, induktive Kopplung, Leistungskopplung und Erdungskupplung.

Für die Strahlungskopplung besteht die Hauptunterdrückungsmethode darin, elektromagnetische Abschirmung zu verwenden, um die Störquelle effektiv vom empfindlichen Objekt zu isolieren.

Bei der leitfähigen Kopplung besteht die Hauptmethode darin, die Richtung von Hochgeschwindigkeitssignalleitungen während der Signalverdrahtung vernünftig anzuordnen. Die für die Ein- und Ausgangsklemmen verwendeten Drähte sollten so weit wie möglich vermieden werden, um Signalrückmeldungen oder Übersprechen zu vermeiden. Zwischen den beiden parallelen Drähten kann ein Massedraht hinzugefügt werden, um sie zu isolieren. Bei externen Anschlusssignalleitungen sollte die Eingangsleitung so weit wie möglich verkürzt und die Eingangsendimpedanz erhöht werden. Am besten schirmt man die analoge Signaleingangsleitung ab. Wenn die Impedanz des Signaldrahts auf der Platine nicht übereinstimmt, verursacht dies Signalreflexion. Wenn der gedruckte Draht lang ist, verursacht die Schaltungsinduktivität Dämpfung und Oszillation. Durch das Verbinden eines Dämpfungswiderstandes in Reihe (der Widerstandswert ist normalerweise 22～2 200 hm, und der typische Wert ist 470 hm), kann die Schwingung effektiv unterdrückt werden, die Anti-Interferenz-Fähigkeit kann verbessert werden, und die Wellenform kann verbessert werden.

Für die Kopplungsstörung von Induktivität und Kapazität können die folgenden zwei Aspekte verwendet werden, um zu unterdrücken: Einer ist, geeignete Komponenten auszuwählen, für Induktivität und Kapazität, sollte es entsprechend den Frequenzeigenschaften verschiedener Komponenten ausgewählt werden, und für andere Komponenten sollte es entsprechend den Frequenzeigenschaften verschiedener Komponenten ausgewählt werden. Wählen Sie ein Gerät mit geringer parasitärer Induktivität und Kapazität. Auf der anderen Seite sollten das Layout und die Verdrahtung vernünftig durchgeführt werden, und parallele Fernverdrahtung sollte so weit wie möglich vermieden werden. Die Verkabelung zwischen elektrischen Verbindungspunkten in der Schaltung sollte die kürzeste sein. Die Ecken der Signallinien (insbesondere Hochfrequenzsignale) sollten in 45-Grad-Richtung, Kreis- oder Bogenform ausgelegt sein und nicht in einem Winkel kleiner oder gleich 90 Grad gezeichnet werden. Angrenzende Verdrahtungsoberflächendrahte nehmen die Form von senkrechten, schrägen oder gekrümmten Leitern an, um die parasitäre Kapazität und Induktivität der Durchkontaktierungen zu reduzieren. Je kürzer die Leitung zwischen den Vias und den Pins, desto besser, und mehrere Vias können parallel betrachtet werden. Oder Miniatur-Durchgänge, um die äquivalente Induktivität zu reduzieren. Bei der Auswahl von Komponentenpaketen sollten Standardpakete ausgewählt werden, um die Bleiimpedanz und die parasitäre Induktivität zu reduzieren, die durch eine Fehlanpassung des Gehäuses verursacht werden.

Bei der Leistungskopplung und Erdungskupplung sollte zuerst darauf geachtet werden, die Impedanz der Stromleitung und der Erdungsleitung zu verringern, und die notwendigen Maßnahmen müssen für Wellenformverzerrungen und -schwingungen getroffen werden, die durch gemeinsame Impedanz, Übersprechen und Reflexion verursacht werden. Verbinden Sie Bypass-Kondensatoren zwischen den Strom- und Masseleitungen jedes integrierten Schaltkreises, um den Fließweg des Schaltstroms zu verkürzen. Die Stromleitung und die Erdleitung sind in eine Gitterform anstatt in eine Kammform ausgelegt. Dies liegt daran, dass die Netzform die Schaltungsschleife erheblich verkürzen, die Leitungsimedanz reduzieren und die Interferenz reduzieren kann. Wenn mehrere integrierte Schaltungen auf der Leiterplatte installiert sind und einige Komponenten große Mengen an Energie verbrauchen und der Massedraht einen großen Potentialunterschied aufweist und eine gemeinsame Impedanzstörung bildet, ist es ratsam, den Massedraht als geschlossene Schleife zu entwerfen, die kein Potential Schlecht hat, mit höherer Rauschtoleranz. Die Leitungen sollten so weit wie möglich verkürzt werden, und die Masse jeder integrierten Schaltung sollte mit der Eingangsmasse der Leiterplatte in kürzester Entfernung verbunden werden, um die durch die gedruckten Drähte erzeugten Spitzen zu reduzieren. Halten Sie den Erdungskabel und den Stromdraht in der gleichen Richtung wie die Datenübertragungsrichtung, um die Rauschtoleranz der Leiterplatte zu verbessern. Versuchen Sie, mehrschichtige Leiterplatten zu verwenden, um die Erdungspotenzialdifferenz zu verringern und die Impedanz der Stromleitung und Übersprechen zwischen Signalleitungen zu reduzieren. Wenn keine Mehrschichtplatte vorhanden ist und doppelseitige Platten verwendet werden müssen, muss der Erdungsdraht so weit wie möglich geweitet werden. Im Allgemeinen sollte der Erdungsdraht dicker sein, um das 3-fache des tatsächlichen Stroms zu passieren, der durch den Draht fließt. Die gemeinsame Stromleitung und Masseleitung sind so weit wie möglich an den Kanten beider Seiten der Leiterplatte verteilt. Schließen Sie einen Tantalkondensator von 1μF～10μF zum Entkopplung an den Netzbusstecker an und schließen Sie einen Hochfrequenz-Keramikkondensator von 0.01μFï½.1μF parallel zum Entkopplungskondensator an.

2.3 Schützen Sie empfindliche Objekte

Der Schutz empfindlicher Objekte konzentriert sich hauptsächlich auf zwei Aspekte. Zum einen wird der Kanal zwischen empfindlichen Objekten und elektromagnetischen Störungen abgeschnitten, zum anderen soll die Empfindlichkeit empfindlicher Objekte reduziert werden.

Die Empfindlichkeit elektronischer Geräte ist ein zweischneidiges Schwert. Auf der einen Seite wünschen sich Benutzer eine hohe Empfindlichkeit elektronischer Geräte, um die Fähigkeit zu verbessern, Signale zu empfangen; Andererseits bedeutet hohe Empfindlichkeit auch, dass sie eher von Rauschen betroffen sind. Daher sollte die Empfindlichkeit elektronischer Geräte nach bestimmten Bedingungen bestimmt werden.

Für analoge elektronische Geräte besteht die übliche Methode darin, bevorzugte Schaltungen zu verwenden, wie zum Beispiel rauscharme Schaltungen zu entwerfen, Bandbreite zu reduzieren, Störübertragung zu unterdrücken, den Eingang auszugleichen, Störungen zu unterdrücken und hochwertige Netzteile auszuwählen. Durch diese Methoden kann die Empfindlichkeit elektronischer Geräte gegenüber elektromagnetischen Störungen effektiv reduziert werden, und die Störschutzfähigkeit der Geräte kann verbessert werden.

Bei digitalen elektronischen Geräten sollten digitale Schaltungen mit hoher Gleichstrom-Rauschtoleranz verwendet werden, wenn der Arbeitsindex es zulässt. Zum Beispiel ist die DC-Rauschtoleranz von CMOS-Digitalschaltungen viel höher als die von TTL-Digitalschaltungen; Wenn der Index es zulässt, versuchen Sie, eine digitale Schaltung mit einer niedrigen Schaltgeschwindigkeit zu verwenden, denn je höher die Schaltgeschwindigkeit, desto schneller die dadurch verursachten Spannungs- oder Stromänderungen und desto einfacher ist es, Kopplungsstörungen zwischen Schaltungen zu erzeugen; Unter der Prämisse sollte die Schwellenspannung so weit wie möglich erhöht werden, und die Schwellenspannung sollte erhöht werden, indem ein Spannungsteiler oder ein Spannungsreglerrohr vor der Schaltung gesetzt wird; Das Lastimpedanzanpassungsverfahren wird verwendet, um die digitale Signalübertragung zu beseitigen, auch wenn die Lastimpedanz gleich der Wellenimpedanz der Signalleitung ist. Verzerrung durch Brechung und Reflexion im Prozess. Unter normalen Umständen muss der Schutz empfindlicher Objekte in Kombination mit der Abschirmung von Störquellen und der Unterdrückung von Kopplungskanälen verwendet werden, und in der Praxis sind wiederholte Versuche entsprechend der tatsächlichen Situation erforderlich, um die beste Schutzwirkung zu erzielen.

Zusammenfassen

Die elektromagnetische Verträglichkeitsanalyse und Auslegung von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten ist eine sehr systematische Arbeit und erfordert viel Arbeitserfahrung. Das Design der elektromagnetischen Kompatibilität ist einer der Schlüssel, ob elektronische Systeme Funktionen erreichen und Designindikatoren erfüllen können. Mit zunehmender Komplexität elektronischer Systeme und steigenden Betriebsfrequenzen, Die Position des elektromagnetischen Verträglichkeitsdesigns im elektronischen Design wird immer prominenter werden. Die wichtigsten.