PCB-Neuigkeiten - Leiterplattendesign basierend auf elektromagnetischer Verträglichkeit

0 Vorwort

PCB ist die Abkürzung für Printed Circuit Board in Englisch. Allgemein, Leitfähige Muster aus gedruckten Schaltungen, gedruckte Bauteile oder eine Kombination beider auf Dämmstoffen nach einem vorgegebenen Design werden als gedruckte Schaltungen bezeichnet. Das leitfähige Muster, das elektrische Verbindungen zwischen Komponenten auf einem isolierenden Substrat bereitstellt, wird als gedruckte Schaltung bezeichnet. Auf diese Weise, Die Leiterplatte oder die fertige Platine der Leiterplatte wird als Leiterplatte bezeichnet, auch Leiterplatte oder Leiterplatte genannt. Leiterplatte ist untrennbar mit fast allen elektronischen Geräten, die wir sehen können, aus elektronischen Uhren, Rechner, Universalgeräte, zu Computern, Kommunikationselektronik, Luftfahrt, Luft- und Raumfahrt, militärische Waffensysteme, solange elektronische Komponenten wie integrierte Schaltungen vorhanden sind. Geräte und ihre elektrische Verbindung verwenden alle PCB, und seine Leistung hängt direkt mit der Qualität der elektronischen Ausrüstung zusammen. Mit der rasanten Entwicklung der elektronischen Technologie, Elektronische Produkte werden immer schneller, hohe Empfindlichkeit, und hohe Dichte. This trend has led to serious electromagnetic compatibility (EMC) and electromagnetic interference problems in PCB circuit board design. Elektromagnetische Verträglichkeit Design ist zu technischen Problemen geworden, die dringend in PCB-Design.

1 Elektromagnetische Verträglichkeit

Elektromagnetische Verträglichkeit (kurz EMV) ist eine aufstrebende umfassende Disziplin, die hauptsächlich elektromagnetische Störungen und Anti-Interferenz-Probleme untersucht. Elektromagnetische Verträglichkeit bedeutet, dass die elektronische Ausrüstung oder das elektronische System den Leistungsindex aufgrund elektromagnetischer Störungen unter dem angegebenen elektromagnetischen Umgebungsniveau nicht verringert und die von ihnen erzeugte elektromagnetische Strahlung nicht größer als das begrenzte Grenzniveau ist und den normalen Betrieb anderer Systeme nicht beeinträchtigt. Und erreichen Sie das Ziel der Störungsfreiheit zwischen Ausrüstung und Ausrüstung, System und System und arbeiten zuverlässig zusammen. Elektromagnetische Störungen (EMI) werden durch elektromagnetische Störquellen verursacht, die Energie über Kopplungspfade an empfindliche Systeme übertragen. Es umfasst drei Grundformen: Leitung durch Drähte und Erdungskabel sowie durch Raumstrahlung oder Nahfeld-Kopplung. Die Praxis hat bewiesen, dass selbst wenn der Schaltplan richtig entworfen ist und die Leiterplatte nicht richtig entworfen ist, dies sich nachteilig auf die Zuverlässigkeit elektronischer Geräte auswirkt. Daher ist die Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit der Leiterplatte der Schlüssel für das gesamte Systemdesign.

1.1 Elektromagnetische Störung (EMI)

Wenn ein EMI-Problem auftritt, muss es durch drei Elemente beschrieben werden: die Störquelle, der Ausbreitungspfad und der Empfänger.

Wenn wir also elektromagnetische Störungen reduzieren wollen, müssen wir eine Lösung für diese drei Elemente finden. Im Folgenden diskutieren wir hauptsächlich die Verdrahtungstechnik von Leiterplatten.

2 Verdrahtungstechnik für Leiterplatten

Eine gute Verdrahtung von Leiterplatten (PCB) ist ein sehr wichtiger Faktor für die elektromagnetische Verträglichkeit.

2.1 Grundlegende Eigenschaften der Leiterplatte

Eine Leiterplatte besteht aus einer Reihe von Laminierungs-, Verdrahtungs- und Prepreg-Behandlungen auf dem vertikalen Stapel. Bei einer mehrschichtigen Leiterplatte legt der Designer die Signalleitungen auf der äußersten Schicht aus, um das Debuggen zu erleichtern.

Die Verdrahtung auf der Leiterplatte hat Impedanz-, Kapazitäts- und Induktivitätseigenschaften.

Impedanz: Die Impedanz der Verkabelung wird durch das Gewicht des Kupfers und die Querschnittsfläche bestimmt. Beispielsweise hat eine Unze Kupfer O. 49 mΩ/Impedanz pro Flächeneinheit. Kapazität: Die Kapazität der Verkabelung wird durch den Isolator (EoEr), die Reichweite des Stroms (A) und den Leitungsabstand (h) bestimmt. Ausgedrückt durch die Gleichung als C=EoEroA/h, ist Eo die dielektrische Konstante des freien Raumes (8.854 pF/m), und Er ist die relative dielektrische Konstante des Leiterplattensubstrates (4.7 beim FR4-Walzen).

Induktivität: Die Induktivität der Verdrahtung ist gleichmäßig in der Verdrahtung verteilt, ca. 1 nH/m.

Für 1-Unzen-Kupferdraht, in O.D. Im Fall von 25-mm (10-mil) dickem FR4 Rollen, kann der 0.5 mm (20 mil) breite und 20 mm (800 mil) lange Draht über der Erdungsschicht 9.8 mâ���Impedanz, 20 nH Die Induktivität und die Kopplungskapazität von 1.66 pF mit der Erde erzeugen. Vergleicht man die oben genannten Werte mit den parasitären Effekten der Komponenten, sind diese vernachlässigbar, aber die Summe aller Verkabelungen kann die parasitären Effekte übersteigen. Daher muss der Designer dies berücksichtigen. Allgemeine Richtlinien für Leiterplattenverkabelung:

(1) Erhöhen Sie den Abstand der Leiterbahnen, um das Übersprechen der kapazitiven Kopplung zu verringern;

(2) Legen Sie die Stromleitung und die Erdungsleitung parallel, um die PCB-Kapazität zu optimieren;

(3) Sensible Hochfrequenzleitungen von rauschgeladenen Stromleitungen wegleiten;

(4) Verbreiten Sie die Stromleitung und die Erdungsleitung, um die Impedanz der Stromleitung und der Erdungsleitung zu verringern.

2.2 Division

Segmentierung bezieht sich auf die Verwendung physikalischer Segmentierung, um die Kopplung zwischen verschiedenen Arten von Leitungen, insbesondere durch Stromleitungen und Erdleitungen zu reduzieren.

Ein Beispiel für die Aufteilung von vier verschiedenen Arten von Schaltungen mit der Teilungstechnik. Auf der Bodenebene werden nichtmetallische Gräben verwendet, um die vier Bodenebenen zu isolieren. L und C werden als Filter für jeden Teil der Platine verwendet. Reduzieren Sie die Kopplung zwischen den Leistungsebenen verschiedener Schaltkreise. Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen müssen aufgrund ihres höheren momentanen Strombedarfs am Stromeingang platziert werden. Grenzflächenschaltungen können elektrostatische Entladung (ESD) und transiente Unterdrückungseinrichtungen oder Schaltungen erfordern. Für L und C ist es besser, verschiedene Werte von L und C zu verwenden, anstatt ein großes L und C, weil es unterschiedliche Filtereigenschaften für verschiedene Schaltungen bieten kann.

2.3 Entkopplung zwischen lokaler Stromversorgung und IC

Eine lokale Entkopplung kann die Geräuschausbreitung entlang des Stromnetzes reduzieren. Der Bypass-Kondensator mit großer Kapazität, der zwischen dem Eingangsanschluss und der Leiterplatte angeschlossen ist, fungiert als niederfrequenter Ripple-Filter und gleichzeitig als Potenzialspeicher, um den plötzlichen Strombedarf zu decken. Darüber hinaus sollten Entkopplungskondensatoren zwischen Stromversorgung und Masse jedes IC vorhanden sein. Diese Entkopplungskondensatoren sollten so nah wie möglich an den Pins sein. Dies hilft, das Schaltrauschen des IC herauszufiltern.

2.4 Erdungstechnik

Erdungstechnologie wird für beide Mehrschichtige Leiterplattes und einlagige Leiterplatten. Das Ziel der Erdungstechnik ist es, die Erdungsimpedanz zu minimieren, Dadurch wird das Potential der Masseschleife von der Schaltung zurück zur Stromquelle reduziert.

(1) Ground wire of einlagige Leiterplatte

Bei einer einlagigen (einseitigen) Leiterplatte sollte die Breite des Massedrahts so breit wie möglich sein und mindestens 1,5 mm (60 mil) betragen. Da Sternverdrahtung nicht auf einer einlagigen Leiterplatte implementiert werden kann, sollte die Änderung der Jumper- und Massedrahtbreite auf ein Minimum beschränkt werden, da sonst Änderungen der Leitungsimedanz und Induktivität auftreten.

(2) Erdungsdraht von doppelschichtiger Leiterplatte

In the double-layer (double-sided) PCB, Bodengitter/Dot Matrix Verdrahtung wird bevorzugt für digitale Schaltungen. Diese Verdrahtungsmethode kann die Erdungsimpedanz reduzieren, Masseschleifen und Signalschleifen. Wie in einem einlagige Leiterplatte, die Breite der Erd- und Stromleitungen sollte mindestens 1 betragen.5 mm. Ein anderes Layout besteht darin, die Erdungsebene auf einer Seite und die Signal- und Stromleitungen auf der anderen Seite zu platzieren. In dieser Anordnung, Die Masseschleife und Impedanz werden weiter reduziert, und der Entkopplungskondensator kann so nah wie möglich zwischen der IC-Stromversorgungsleitung und der Masseschicht platziert werden.

(3) Schutzring

Der Schutzring ist eine Erdungstechnologie, die eine laute Umgebung (wie Hochfrequenzstrom) außerhalb des Rings isolieren kann. Denn im Normalbetrieb fließt kein Strom durch den Schutzring.

(4) PCB-Kapazität

Auf einem Mehrschichtige Platine, PCB-Kapazität wird durch eine dünne Isolierschicht erzeugt, die die Stromversorgungsoberfläche und den Boden trennt. Auf einer einlagigen Platte, Die parallele Anordnung der Stromleitung und der Erdungsleitung verursacht auch diesen kapazitiven Effekt. Ein Vorteil des Leiterplattenkondensators ist, dass er einen sehr hohen Frequenzgang und eine niedrige Serieninduktivität aufweist, die gleichmäßig über die gesamte Oberfläche oder die gesamte Leitung verteilt ist.. Es entspricht einem Entkopplungskondensator, der gleichmäßig über die Platine verteilt ist. Keine einzelne diskrete Komponente hat diese Eigenschaft.

(5) Hochgeschwindigkeits- und Niedriggeschwindigkeitskreis

Hochgeschwindigkeitsschaltkreise sollten näher an der Erdungsebene platziert werden, und Low-Speed-Schaltkreise sollten näher an der Leistungsebene platziert werden.

(6) Kupferfüllung des Bodens

In einigen analogen Schaltungen wird der ungenutzte Leiterplattenbereich durch eine große Masseebene abgedeckt, um Abschirmung zu bieten und die Entkopplungsfähigkeit zu erhöhen. Wenn der Kupferbereich jedoch aufgehängt ist (zum Beispiel ist er nicht mit der Erde verbunden), dann kann er sich wie eine Antenne verhalten und elektromagnetische Kompatibilitätsprobleme verursachen.

(7) Ground plane and power plane in Mehrschichtige Leiterplatte

In einem Mehrschichtige Leiterplatte, Es wird empfohlen, die Leistungsebene und die Masseebene in benachbarten Schichten so nah wie möglich zu platzieren, um eine große PCB-Kapazität auf der gesamten Platine zu erzeugen. Die schnellsten kritischen Signale sollten nah an einer Seite der Bodenebene sein, und nicht kritische Signale sollten in der Nähe der Leistungsebene platziert werden.

(8) Leistungsanforderungen

Wenn der Stromkreis mehr als ein Netzteil benötigt, verwenden Sie Erdung, um jedes Netzteil zu trennen. Es ist jedoch unmöglich, mehrere Punkte in einer einlagigen Leiterplatte zu erden. Eine Lösung besteht darin, Netzkabel und Erdungskabel von einem Netzteil von anderen Netzkabeln und Erdungskabeln zu trennen. Dies hilft auch, Geräuschkopplungen zwischen Netzteilen zu vermeiden.

3 Schlussbemerkungen

Die verschiedenen Methoden und Techniken, die in diesem Artikel vorgestellt werden, tragen zur Verbesserung der EMV-Eigenschaften der Leiterplatte bei. Diese sind natürlich nur ein Teil des EMV-Designs. In der Regel sind Reflexionsgeräusche, Strahlungsgeräusche und Störungen durch andere verfahrenstechnische Probleme zu berücksichtigen. Im eigentlichen Design sollten entsprechend den Zielanforderungen und Designbedingungen des Designs angemessene anti-elektromagnetische Interferenzmaßnahmen ergriffen werden, um eine Leiterplatte mit guter EMV-Leistung zu entwerfen.