PCB-Neuigkeiten - EMV Design von Leiterplatten

Elektromagnetische Verträglichkeit bezieht sich auf die Fähigkeit eines Geräts oder Systems, normal in seiner elektromagnetischen Umgebung zu arbeiten und keine unerträglichen elektromagnetischen Störungen in der Umgebung zu verursachen. Der Zweck des elektromagnetischen Kompatibilitätsdesigns besteht darin, elektronische Geräte zu ermöglichen, alle Arten von externen Störungen zu unterdrücken, so dass die elektronischen Geräte normalerweise in einer bestimmten elektromagnetischen Umgebung arbeiten können, und die elektromagnetischen Störungen der elektronischen Geräte selbst auf andere elektronische Geräte zu reduzieren.

Da die Empfindlichkeit elektronischer Geräte immer höher wird, wird die Fähigkeit, schwache Signale zu empfangen, stärker und das Frequenzband elektronischer Produkte wird breiter und kleiner, und die elektronische Ausrüstung muss eine stärkere Störschutzfähigkeit haben. Die elektromagnetischen Wellen, die von einigen elektronischen Geräten erzeugt werden, können leicht elektromagnetische Störungen zu anderen elektronischen Geräten in ihrer Umgebung verursachen, Störungen verursachen oder die Signalübertragung beeinträchtigen. Darüber hinaus werden übermäßige elektromagnetische Störungen elektromagnetische Verschmutzungen verursachen, die Gesundheit der Menschen gefährden und die ökologische Umwelt zerstören. Der Artikel analysiert mehrere Schlüsseltechnologien der elektromagnetischen Verträglichkeit im PCB-Design (Leiterplatte, auch Leiterplatte genannt).

1. Entwurf der Stromversorgung

Die Stromversorgung elektronischer Geräte ist weit mit anderen Funktionseinheiten verbunden. Zum einen können unnötige Signale, die im Netzteil erzeugt werden, problemlos an jede Funktionseinheit gekoppelt werden. Andererseits können unnötige Signale in einer Einheit an die gemeinsame Impedanz der Stromversorgung gekoppelt werden. Geht zu anderen Einheiten. Daher sollten folgende Maßnahmen bei der Auslegung der Stromversorgung getroffen werden.

(1) Versuchen Sie entsprechend der aktuellen Größe der Leiterplatte, die Breite der Stromleitung so weit wie möglich zu erhöhen, den Schleifenwiderstand zu verringern und die Richtung der Stromleitung und der Erdleitung mit der Richtung der Datenübertragung konsistent zu machen; Verwenden Sie gleichzeitig die Leistungsschicht und die Bodenschicht in der mehrschichtigen Leiterplatte, um die Leitungslänge von der Stromleitung auf die Leistungsschicht oder Bodenschicht zu reduzieren. Dies hilft, die Anti-Lärm-Fähigkeit zu verbessern;

(2) Wenn möglich, muss das Netzteil jede Funktionseinheit separat mit Strom versorgen, und alle Stromkreise, die das gemeinsame Netzteil verwenden, sind so nah wie möglich zueinander und miteinander kompatibel;

(3) Verwenden Sie einen Leistungsfilter am Wechselstrom- und Gleichstromnetz, um zu verhindern, dass externe Störungen durch die Stromversorgung in die Ausrüstung gelangen, verhindern Sie, dass Schalttransienten und andere Signale, die innerhalb der Ausrüstung erzeugt werden, in die primäre Stromversorgung gelangen, und isolieren Sie effektiv die Eingangs- und Ausgangsleitungen der Stromversorgung und den Eingang des Filters und der Ausgangsleitung;

(4) Führen Sie eine effektive elektromagnetische Feldabschirmung auf der Stromversorgung durch und isolieren Sie die Hochspannungs-Stromversorgung so weit wie möglich von empfindlichen Schaltkreisen, insbesondere von der Schaltnetzversorgung, die Hochfrequenzstrahlung und Leitungsstörung verursachen wird. Verwenden Sie einen elektrostatisch geschirmten Leistungstransformator, um den gemeinsamen Modus auf der Stromleitung Interferenz zu unterdrücken, mehrere Abschirmungsisolationstransformatoren haben eine bessere Leistung;

(5) Die Stromversorgung sollte eine niedrige Ausgangsimpedanz für alle Schaltungsfunktionszustände beibehalten. Selbst im Hochfrequenzbereich sollte der Ausgangskondensator eine niedrige Impedanz aufweisen und gleichzeitig sicherstellen, dass der Regler eine schnelle Ansprechzeit hat, um Hochfrequenzwelligkeit und Transienten zu unterdrücken. Ladeeffekt

(6) Die Gleichrichterdiode sollte bei der niedrigsten Stromdichte arbeiten, um ausreichenden HF-Bypass für die Zenerdiode bereitzustellen;

(7) Der Leistungstransformator sollte symmetrisch ausbalanciert sein, kein Leistungsausbalancierter Transformator, und das verwendete Kernmaterial sollte die untere Grenze seiner Sättigungsmagnetinduktion (Bm) sein. In jedem Fall muss sichergestellt werden, dass der Eisenkern nicht in einen gesättigten Zustand getrieben wird. Die Kernstruktur des Transformators sollte D-Typ und C-Typ sein, und E-Typ ist der zweite.

2. Ausführung des Erddrahtes

Erdgeräusche, das heißt, die Potentialdifferenz zwischen den Erddrähten jedes Teils des Systems oder das Erdgeräusch, das durch das Vorhandensein von Erdimpedanz verursacht wird. Da das Erdungssystem das Problem der Erdungspotenzialdifferenz hat, muss das entsprechende Erdungsverfahren entsprechend den Eigenschaften der Leiterplatte während des Entwurfs der Erdung des Produkts ausgewählt werden. Bei der Entwicklung elektronischer Produkte ist Erdung eine wichtige Methode zur Kontrolle von Störungen. Wenn Erdung und Abschirmung richtig kombiniert werden können, können die meisten Störprobleme gelöst werden. Die Erdungsdrahtstruktur in elektronischen Produkten umfasst grob Systemerde, Chassis Masse, digitale Masse und analoge Masse. Folgende Punkte sollten bei der Erdungsdrahtdesign beachtet werden:

(1) Der Erdungsdraht sollte so dick wie möglich sein. Wenn die Erdungsleitung sehr dünn ist, schwankt das Erdungspotenzial mit der Änderung des Stroms, wodurch der Zeitsignalpegel des elektronischen Produkts instabil ist, und die Rauschfestigkeit wird reduziert. Daher sollte der Massedraht im Design so dick wie möglich sein, damit er dreimal den zulässigen Strom der Leiterplatte passieren kann. Wenn möglich, sollte die Breite des Erdungsdrahts größer als 3mm sein.

(2) Wählen Sie die Erdungsmethode richtig aus. Der Zweck der Einpunkt-Erdungseinstellung besteht darin, zu verhindern, dass der Strom und der Hochfrequenzstrom aus den Teilsystemen zweier unterschiedlicher Bezugsstufen denselben Rückweg passieren und eine gemeinsame Impedanzkopplung verursachen. Diese Erdungsmethode eignet sich besser für niederfrequente Leiterplatten, die den Einfluss der verteilten Übertragungsimedanz verringern können. Bei einer Hochfrequenz-Leiterplatte wird die Induktivität des Rücklaufweges jedoch der Hauptteil der Leitungsimedanz bei hohen Frequenzen. Um die Erdungsimpedanz in einer Hochfrequenz-Leiterplatte zu minimieren, wird daher in der Regel ein Mehrpunkt-Erdungsverfahren verwendet. Das Wichtigste bei der Mehrpunkt-Erdung ist, die Mindestlänge der Erdungsleitung zu verlangen, da eine längere Leitung eine größere Induktivität bedeutet, wodurch die Erdungsimpedanz erhöht und eine Erdungspotenzialdifferenz verursacht wird. Die gemischte Erdungsstruktur ist eine Kombination aus Einpunkt-Erdung und Mehrpunkt-Erdung. Diese Art von Struktur wird häufig verwendet, wenn es hohe und niedrige Mischfrequenzen in der Leiterplatte gibt, das heißt, Einpunkt-Erdung ist bei niedrigen Frequenzen vorhanden, und Mehrpunkt-Erdung ist bei hohen Frequenzen vorhanden.

(3) Die digitale Masse wird von der analogen Masse getrennt. Auf der Platine befinden sich sowohl Hochgeschwindigkeits-Logikschaltungen als auch Linearschaltungen. Sie sollten so weit wie möglich getrennt werden. Die Massedrähte der beiden sollten nicht gemischt werden, und sie sollten mit den Massedrähten der Stromversorgung verbunden werden. Der Erdungskabel der Niederfrequenzschaltung sollte möglichst parallel an einem einzigen Punkt geerdet werden. Wenn die eigentliche Verkabelung schwierig ist, kann sie teilweise in Reihe geschaltet und dann parallel geerdet werden. Die Hochfrequenzschaltung sollte an mehreren Punkten in Reihe geerdet werden, der Erdungsdraht sollte kurz und dick sein, und die gitterförmige großflächige Erdungsfolie sollte so weit wie möglich um die Hochfrequenzkomponente herum verwendet werden. Versuchen Sie, die Erdungsfläche der Linearschaltung so weit wie möglich zu erhöhen.

(4) Der Erdungsdraht bildet eine geschlossene Schleife. Bei der Entwicklung des Erdungssystems einer Leiterplatte, die nur aus digitalen Schaltungen besteht, kann die Rauschfestigkeit erheblich verbessert werden, wenn der Erdungsdraht zu einem geschlossenen Schaltkreis wird. Da es viele integrierte Schaltungskomponenten auf der Leiterplatte gibt, insbesondere wenn es Komponenten gibt, die aufgrund der Begrenzung der Dicke des Erdungskabels mehr Strom verbrauchen, wird auf dem Erdungskabel ein großer Potentialunterschied erzeugt, der dazu führt, dass die Störfestigkeit abnimmt. Der Erdungsdraht bildet eine Schleife, die den Potenzialunterschied verringert und die Geräuschschutzfähigkeit elektronischer Geräte verbessert.

(5) Verwenden Sie einen optischen Isolator, um die Störung der Erdschleife abzuschneiden. Optische Verbindung verwendet normalerweise optische Koppler und Glasfaserverbindung. Die parasitäre Kapazität des Optokopplers beträgt im Allgemeinen 2pF, was eine gute Isolierung für hohe Frequenzen bieten kann. Glasfaserverbindung hat fast keine parasitäre Kapazität, aber es ist teuer und unbequem zu installieren und zu warten.

3. Umgehungs- und Entkopplungskonstruktion

Bypass ist die Übertragung unerwünschter Gleichtakt-HF-Energie von Komponenten oder Kabeln. Die Hauptfunktion von Bypass-Kondensatoren besteht darin, eine Wechselstromkomponente zu erzeugen, um unerwünschte Energie zu eliminieren, die in den anfälligen Bereich eindringt. Die Hauptfunktion des Entkopplungskondensators besteht darin, den Komponenten eine lokale Gleichstromversorgung bereitzustellen, um die Ausbreitung von Schaltrauschen auf der Platine zu reduzieren und das Rauschen zum Boden zu führen.

3.1 Auswahl des Kondensators

Durch Auswahl der Bypass- und Entkopplungskondensatoren kann die Eigenresonanzfrequenz des erforderlichen Kondensators durch die verwendete Logikserie und die verwendete Taktgeschwindigkeit berechnet werden, und der Kondensatorwert kann entsprechend der Frequenz und der kapazitiven Reaktanz in der Schaltung ausgewählt werden. Versuchen Sie, für die Gehäusegröße SMT-Kondensatoren mit geringerer Leadinduktivität anstelle von Durchgangskondensatoren zu wählen. Darüber hinaus verwenden Produktdesigns häufig parallele Entkopplungskondensatoren, um ein größeres Betriebsfrequenzband bereitzustellen und Erdungleichgewicht zu reduzieren. Parallelkondensatorsystem, wenn die Betriebsfrequenz höher als die Selbstresonanzfrequenz ist, weist der große Kondensator induktive Impedanz auf und steigt mit der Zunahme der Frequenz; Während der kleine Kondensator eine kapazitive Impedanz aufweist und mit der Zunahme der Frequenz abnimmt, und zu diesem Zeitpunkt die Kapazität der gesamten Kondensatorschaltung Die Impedanz ist kleiner als die Impedanz eines einzelnen Kondensators.

3.2 Bypass Kondensator Konfiguration

Bypass-Kondensatoren werden im Allgemeinen als Hochfrequenz-Bypass-Geräte verwendet, um die transienten Leistungsanforderungen des Leistungsmoduls zu reduzieren. Im Allgemeinen sind Aluminium-Elektrolytkondensatoren und Tantal-Kondensatoren für Bypass-Kondensatoren besser geeignet. Der Kapazitätswert hängt von den transienten Stromanforderungen an die Leiterplatte ab. Im Bereich von 10~470LF, wenn es viele integrierte Schaltkreise, Hochgeschwindigkeitsschaltkreise und Netzteile mit langen Leitungen auf der Leiterplatte gibt, sollten Kondensatoren mit großer Kapazität ausgewählt werden.

3.3 Entkopplungskondensator Konfiguration

(1) Die Eingangsklemme wird mit einem elektrolytischen Kondensator von 10~100LF verbunden. Wenn möglich, ist es besser, sich mit mehr als 100LF zu verbinden;

(2) Grundsätzlich sollte jeder integrierte Schaltungschip mit einem 0.01pF Keramikkondensator ausgestattet werden. Wenn der Leiterplattenspalt nicht ausreicht, kann ein Tantalkondensator 1~10pF für jeden 4~8 Chip angeordnet werden;

(3) Bei Geräten mit schwacher Rauschunterdrückung und großen Leistungsänderungen beim Herunterfahren, wie RAM- und ROM-Speichergeräten, sollte ein Entkopplungskondensator direkt zwischen der Stromleitung des Chips und der Erdungsleitung angeschlossen werden;

(4) Kondensatorleitungen sollten nicht zu lang sein, besonders für Hochfrequenz-Bypass-Kondensatoren;

(5) Da es Schütze, Relais, Tasten und andere Komponenten in der Leiterplatte gibt, werden während des Betriebs große Funkenentladungen erzeugt, und RC-Schaltungen müssen verwendet werden, um den Entladestrom zu absorbieren. Im Allgemeinen nimmt R 1~2K, und C nimmt 2.2~47LF;

(6) Die Eingangsimpedanz von CMOS ist sehr hoch, und es ist anfällig für Induktion, so dass bei Verwendung der ungenutzte Anschluss geerdet oder an eine positive Stromversorgung angeschlossen werden sollte.

4. Design der gemischten Signal-Leiterplatte

Die Kenntnis des Pfades und der Methode der Stromrückgabe zur Masse ist der Schlüssel zur Optimierung des Mixed-Signal-Leiterplattendesigns. Man kann nicht einfach überlegen, wo der Signalstrom fließt, und den spezifischen Pfad des Stroms ignorieren. Wenn die Erdungsschicht geteilt werden muss und die Verkabelung durch den Spalt zwischen den Abteilungen geführt werden muss, kann eine Einpunktverbindung zwischen den geteilten Erdungen hergestellt werden, um eine Verbindungsbrücke zwischen den beiden Erdungen zu bilden, und dann Verkabelung durch die Verbindungsbrücke. Auf diese Weise kann unter jeder Signalleitung ein Gleichstrom-Rückweg vorgesehen werden, so dass die gebildete Schleifenfläche klein ist. Achten Sie auf die folgenden Punkte im Mixed-Signal PCB Design Prozess:

(1) Teilen Sie die Leiterplatte in unabhängige analoge und digitale Teile, verwirklichen Sie die Aufteilung der analogen und digitalen Energie und platzieren Sie den A/D-Konverter über die Partitionen;

(2) Die Erde nicht teilen. Legen Sie eine gleichmäßige Masse unter dem analogen Teil und dem digitalen Teil der Leiterplatte;

(3) In allen Schichten der Leiterplatte können digitale Signale nur auf dem digitalen Teil der Leiterplatte verdrahtet werden, und analoge Signale können nur auf dem analogen Teil der Leiterplatte verdrahtet werden;

(4) Die Verdrahtung kann den Spalt zwischen den geteilten Stromversorgungsebenen nicht überqueren, und die Signalleitung, die den Spalt zwischen den geteilten Stromversorgungen überqueren muss, sollte auf der Verdrahtungsschicht in der Nähe der großflächigen Masse angeordnet sein;

(5) Analysieren Sie den Pfad und die Methode des tatsächlichen Rücklaufbodenstromflusses;

(6) Nehmen Sie korrekte Layout- und Verdrahtungsregeln an.

Kurz gesagt, da elektronische Produkte komplexer, schneller und dichter werden, werden die Designanforderungen für Leiterplatten immer höher, insbesondere die Designprobleme der elektromagnetischen Verträglichkeit werden immer prominenter., Umgehung, Entkopplung und Mixed-Signal Schaltungen und andere vernünftige Design.