PCB-Neuigkeiten - Sieben Tipps: Wie kann man elektromagnetische Probleme der Leiterplatte vermeiden?

Electromagnetic compatibility (EMC) and alssociated electromagnetic interference (EMI) have always required the eyes of system design engineers, insbesondere PCB Layout und Design Ingenieure, as Leiterplatte Konstruktions- und Komponentenpakete schrumpfen und Oems verlangen immer schnellere Systeme.

EMV steht in engem Zusammenhang mit der Erzeugung, Ausbreitung und dem Empfang elektromagnetischer Energie und ist im PCB-Design nicht wünschenswert. Elektromagnetische Energie kommt aus mehreren Quellen und wird miteinander gemischt. Daher muss besonders darauf geachtet werden, dass Signale kompatibel sind und sich nicht gegenseitig stören, wenn verschiedene Schaltungen, Verkabelungen, Perforationen und Leiterplattenmaterialien zusammenarbeiten.

EMI hingegen ist eine zerstörerische Wirkung, die durch EMV oder unerwünschte elektromagnetische Energie verursacht wird. In dieser elektromagnetischen Umgebung müssen PCB-Designer sicherstellen, dass die elektromagnetische Energieerzeugung reduziert wird, um Störungen zu verursachen.

Hier sind 7-Tipps, um elektromagnetische Probleme im PCB-Design zu vermeiden:

Tipp 1: Massen Sie die Leiterplatte

Eine wichtige Möglichkeit, EMI zu reduzieren, ist das Design der PCB-Erdung. Der Schritt besteht darin, die Erdungsfläche innerhalb der Gesamtfläche der Leiterplatte so groß wie möglich zu machen, was Emissionen, Übersprechen und Geräusche reduzieren kann. Beim Anschluss jedes Bauteils an die Boden- oder Bodenschicht ist Vorsicht geboten, da sonst die zuverlässige Neutralisierung der Bodenschicht nicht voll ausgenutzt werden kann.

Ein besonders komplexes Leiterplattendesign weist mehrere stabile Spannungen auf. Idealerweise hat jede Referenzspannung eine eigene Erdungsschicht. Wenn es jedoch zu viele Bodenschichten gibt, erhöht dies die Herstellungskosten der Leiterplatte und macht den Preis zu hoch. Der Kompromiss besteht darin, Erdungsebenen an drei bis fünf verschiedenen Stellen zu verwenden, von denen jede mehrere Erdungsabschnitte enthalten kann. Dies steuert nicht nur die Herstellungskosten der Leiterplatte, sondern reduziert auch EMV und EMV.

Niederohmige Erdungssysteme sind wichtig, wenn EMV implementiert werden soll. Auf mehrschichtigen PCBS gibt es eine zuverlässige Diebeschicht anstelle eines Kupfergegengewichts oder einer gestreuten Diebeschicht, da sie eine niedrige Impedanz hat und Strompfade bereitstellen kann, die die umgekehrte Signalquelle sind.

Um EMV-Probleme in mehrschichtigen PCBS zu beheben, gibt es eine solide Diebeschicht anstelle von Kupfer-Gegengewicht oder verstreuten Diebeschichten.

Wichtig ist auch die Zeit, die es braucht, bis das Signal zur Erde zurückkehrt. Die Zeit zwischen Signal und Quelle muss gleich sein; Andernfalls tritt ein antennenartiges Phänomen auf und die abgestrahlte Energie wird Teil des EMI. Ebenso sollte der Weg des Stroms zur/von der Signalquelle so kurz wie möglich sein. Wenn die Länge des Quellpfades und des Rücklaufpfades nicht gleich ist, gibt es einen Erdungspfad, der ebenfalls EMI erzeugt.

Wenn die Zeit des Signals in und aus der Signalquelle nicht synchronisiert ist, tritt ein antennenähnliches Phänomen auf, das Energie ausstrahlt und EMI verursacht.

Tipp 2: Unterscheiden Sie EMI

Aufgrund der EMV-Unterschiede ist es eine gute EMV-Designregel, analoge und digitale Schaltungen zu trennen. Analoge Schaltungen mit hohen Amperen oder hohem Strom sollten von Hochgeschwindigkeits-Verdrahtungs- oder Schaltsignalen ferngehalten werden. Wenn möglich, sollten sie durch Erdsignale geschützt werden. Auf mehrschichtigen PCBS sollte die analoge Verdrahtung auf einer Erdung und Schalterverdrahtung oder Hig sein

H-Speed-Verdrahtung sollte auf einer anderen Erdung sein. Dadurch werden Signale unterschiedlicher Eigenschaften getrennt.

Hochfrequentes Rauschen gekoppelt mit umgebendem Routing kann manchmal mit einem Tiefpassfilter eliminiert werden. Filter können Rauschen unterdrücken und einen konstanten Strom zurückgeben. Es ist wichtig, die Erdung von analogen und digitalen Signalen zu trennen. Da analoge und digitale Schaltungen einzigartige Eigenschaften haben, ist es wichtig, sie zu trennen. Digitale Signale müssen über eine digitale Erdung verfügen und analoge Signale müssen bei einer analogen Erdung enden.

Im digitalen Schaltungsdesign achten erfahrene Leiterplattenlayout- und Konstruktionsingenieure besonders auf Hochgeschwindigkeitssignale und Uhren. Bei hohen Geschwindigkeiten sollten Signal und Takt so kurz wie möglich und bodennah sein, was Übersprechen, Rauschen und Strahlung in überschaubaren Grenzen hält.

Digitale Signale sollten auch von der Leistungsebene ferngehalten werden. Wenn es zu nah ist, kann es Rauschen oder Induktion erzeugen, die das Signal schwächen kann.

Tipp 3: Übersprechen und Verkabelung stehen im Mittelpunkt

Die Verdrahtung ist besonders wichtig, um den normalen Stromfluss zu gewährleisten. Wenn der Strom von einem Oszillator oder einer ähnlichen Vorrichtung kommt, ist es besonders wichtig, den Strom von der Erdung getrennt zu halten oder den Strom nicht parallel zu einer anderen Leitung zu haben. Zwei parallele Hochgeschwindigkeitssignale können EMV und EMI erzeugen, insbesondere Übersprechen. Der Widerstandsweg muss kurz und der Rückstrompfad so kurz wie möglich sein. Die Länge der Rückreise muss mit der der Sende-Route übereinstimmen.

Für EMI wird eine "Intrusion wiring" und die andere "Viktimization wiring" genannt. Induktions- und Kapazitätskopplung können die "Opfer"-Verdrahtung aufgrund des Vorhandenseins von elektromagnetischen Feldern beeinflussen und so Vorwärts- und Rückwärtsströme auf der "Opfer-Verdrahtung" erzeugen. Auf diese Weise wird die Ripple in einer stabilen Umgebung erzeugt, in der die Länge des gesendeten und empfangenen Signals fast gleich ist.

In einer ausgewogenen und stabilen Verdrahtungsumgebung sollten sich die induzierten Ströme gegenseitig aufheben, um Übersprechen zu vermeiden. Aber wir leben in einer unvollkommenen Welt, und das passiert nicht. Daher muss das Ziel sein, alle Übersprechen auf einem Niveau zu halten. Wenn die Breite zwischen parallelen Linien doppelt so groß ist wie die Breite der Linien, kann der Effekt des Übersprechens reduziert werden.

PCB-Designer müssen sich auch weiterhin mit EMC- und Interferenzproblemen auseinandersetzen, wenn neue Materialien und Komponenten entstehen.

Tipp 4: Entkopplungskondensatoren

Entkopplungskondensatoren reduzieren die negativen Auswirkungen von Übersprechen. Sie sollten sich zwischen den Strom- und Massepunkten des Geräts befinden, um eine niedrige AC-Impedanz zu gewährleisten und Rauschen und Übersprechen zu reduzieren. Um eine niedrige Impedanz über einen weiten Frequenzbereich zu erreichen, sollten mehrere Entkopplungskondensatoren verwendet werden.

Übersprechen kann reduziert werden, indem ein Entkopplungskondensator um ein sphärisches Rasterarray herum verwendet wird. (Bild: NexLogic) Ein wichtiges Prinzip für die Platzierung von Entkopplungskondensatoren besteht darin, Kondensatoren mit Kapazitätswerten so nah wie möglich am Gerät zu platzieren, um die induktiven Auswirkungen auf die Verdrahtung zu reduzieren. Dieser spezielle Kondensator wird so nah wie möglich an den Stromstift oder das Stromkabel der Ausrüstung platziert und das Pad des Kondensators ist direkt mit dem Durchgangsloch oder der Masse verbunden. Wenn das Kabel lang ist, verwenden Sie mehrere Durchgangslöcher, um die Erdungsimpedanz sicherzustellen.

Tipp 5: Vermeiden Sie 90°-Winkel

Um EMI zu reduzieren, vermeiden Sie 90°-Winkel, die durch Verdrahtung, Perforationen und andere Komponenten gebildet werden, da der rechte Winkel Strahlung erzeugt. In diesem Winkel steigt die Kapazität und die charakteristische Impedanz ändert sich, was zu Reflexion und damit EMI führt. Um 90°-Winkel zu vermeiden, sollte die Verdrahtung mindestens zwei 45°-Winkel zu Ecken geführt werden.

Tipp 6: Verwenden Sie Löcher mit Vorsicht

In fast allen Leiterplattenlayouts müssen Perforationen verwendet werden, um eine leitfähige Verbindung zwischen den verschiedenen Schichten herzustellen. PCB-Layoutingenieure müssen aufgrund der Induktivität und Kapazität, die durch die Löcher erzeugt werden, besonders vorsichtig sein. In einigen Fällen spiegeln sie sich auch wider, weil sich die charakteristische Impedanz ändert, wenn Löcher in der Verdrahtung gemacht werden.

Beachten Sie auch, dass Perforationen die Länge der Linie erhöhen und angepasst werden müssen. Bei Differenzverdrahtung sollten Durchgangslöcher so weit wie möglich vermieden werden. Ist dies nicht zu vermeiden, sollten in beiden Strecken Durchgangslöcher verwendet werden, um Verzögerungen im Signal- und Rückweg auszugleichen.

Tipp 7: Kabel und physische Abschirmung

Kabel mit digitalen Schaltungen und analogen Strömen können parasitäre Kondensatoren und Induktivitäten erzeugen, was viele EMV-bezogene Probleme verursacht. Bei Verwendung von Twisted Pair Kabeln wird der Kupplungspegel niedrig gehalten, wodurch das resultierende Magnetfeld eliminiert wird. Bei Hochfrequenzsignalen müssen abgeschirmte Kabel sowohl vorne als auch hinten geerdet werden, um EMI-Störungen zu vermeiden.

Physikalische Abschirmung ist ein Metallpaket, das das gesamte oder einen Teil des Systems abdeckt und verhindert, dass EMI in die Leiterplattenschaltung eindringt. Diese Abschirmung fungiert als geschlossener leitfähiger Erdungsbehälter, reduziert die Größe der Antennenschleife und absorbiert EMI.