Leiterplatte Blog - EMI Control Technology in Digital Circuit PCB Design

1. EMI generation and suppression principle
EMI in Leiterplatten Design wird durch elektromagnetische Störquellen verursacht, die Energie über Kopplungspfade an empfindliche Systeme übertragen. Es umfasst drei Grundformen: Leitung durch Draht oder gemeinsame Masse, Strahlung durch den Weltraum, oder Kopplung durch Nahfeld. Der Schaden von EMI manifestiert sich in der Verringerung der Qualität des Übertragungssignals, Störung oder sogar Beschädigung der Schaltung oder Ausrüstung, so dass das Gerät die Anforderungen an den technischen Index nicht erfüllen kann, die in der Norm für elektromagnetische Verträglichkeit festgelegt sind.
Zur Unterdrückung des EWI, the EMI-Design of digital circuits should be carried out according to the following principles:
1.1 Entsprechend der einschlägigen EMV/Technische Spezifikationen des EWI, Die Indikatoren werden zur hierarchischen Steuerung in Einplatinenschaltungen zerlegt.
1.2 Kontrolle aus den drei Elementen des EMI, nämlich, die Störquelle, der Energiekopplungspfad und das empfindliche System, so dass die Schaltung einen flachen Frequenzgang hat und den normalen und stabilen Betrieb der Schaltung gewährleistet.
1.3 Beginnen Sie mit dem Frontend-Design der Ausrüstung, auf EMV achten/EMI design, und reduzieren Sie die Konstruktionskosten.

2. EMI-Steuerungstechnik der digitalen Schaltung Leiterplatte
Bei verschiedenen Formen des EWI, spezifische Probleme müssen analysiert werden. In der Leiterplatte Entwurf digitaler Schaltungen, EMI-Kontrolle kann aus folgenden Aspekten durchgeführt werden.
2.1 Device Selection
Im EMI-Design, Das erste, was zu beachten ist, ist die Geschwindigkeit des ausgewählten Geräts. Jede Schaltung, die ein Gerät mit einer Anstiegszeit von 5ns durch ein Gerät mit einer Anstiegszeit von 2 ersetzt.5ns wird das EMI um einen Faktor von etwa 4 erhöhen. Die abgestrahlte Intensität der EMI ist proportional zum Quadrat der Frequenz, auch bekannt als EMI-Emissionsbandbreite, Dies ist eine Funktion der Signalanstiegszeit und nicht der Signalfrequenz: fknee =0.35/Tr (where Tr is the signal rise time of the device). Der Frequenzbereich dieser Art von abgestrahlten EMI beträgt 30MHz bis mehrere GHz, und in diesem Frequenzband, Die Wellenlängen sind so kurz, dass selbst sehr kurze Verdrahtungen auf der Leiterplatte zu einer Sendeantenne werden können. Bei hohem EMI, die Schaltung neigt dazu, normale Funktion zu verlieren. Daher, in Bezug auf die Geräteauswahl, unter der Voraussetzung, dass die Anforderungen an die Schaltungsleistung sichergestellt werden, Low-Speed Chips sollten so viel wie möglich verwendet werden, und angemessenes Fahren/Empfangsschaltungen sollten verwendet werden. Darüber hinaus, da die Bleistifte des Geräts parasitäre Induktivität und parasitäre Kapazität haben, in High-Speed-Ausführung, Der Einfluss der Geräteverpackungsform auf das Signal kann nicht ignoriert werden, weil es auch ein wichtiger Faktor zur Erzeugung von EMI-Strahlung ist. Allgemein, Die parasitären Parameter von SMD-Geräten sind kleiner als die von Plug-in-Geräten, und die parasitären Parameter von BGA-Paketen sind kleiner als die von QFP-Paketen.

2.2 Connector selection and signal terminal definition
Connector is the key link of high-speed signal transmission, und es ist auch das schwache Glied, das anfällig für EMI ist. In der Klemmenausführung des Steckers, Weitere Massepunkte können angeordnet werden, um den Abstand zwischen Signal und Masse zu verringern, Reduzieren Sie den effektiven Signalschleifenbereich, der Strahlung im Stecker erzeugt, und bieten einen niederohmigen Rückweg. Falls nötig, Erwägen Sie, einige Schlüsselsignale mit Massepunkten zu isolieren.

2.3 Laminate Design
If the cost permits, Erhöhung der Anzahl der Masseschichten und Platzierung der Signalschicht neben der Masseschicht kann EMI-Strahlung reduzieren. Für hohe Geschwindigkeiten Leiterplattes, Die Leistungs- und Masseebenen sind in unmittelbarer Nähe gekoppelt, um die Impedanz der Stromversorgung zu reduzieren, dadurch die Verringerung des EWI.

2.4 Layout
According to the signal current flow, Ein vernünftiges Layout kann die Interferenz zwischen Signalen reduzieren. Richtiges Layout ist der Schlüssel zur Steuerung von EMI. The basic principles of layout are:
(1) The analog signal is easily interfered by the digital signal, and the analog circuit should be separated from the digital circuit;
(2) The clock line is the main source of interference and radiation, so keep it away from sensitive circuits and keep the clock line short;
(3) Circuits with high current and high power consumption should be avoided as far as possible in the central area of the board, and the influence of heat dissipation and radiation should be considered at the same time;
(4) The connectors should be arranged on one side of the board as far as possible and away from high-frequency circuits;
(5) The input/Ausgangsschaltung befindet sich in der Nähe des entsprechenden Steckers, and the decoupling capacitor is close to the corresponding Stromversorgung pin;
(6) Fully consider the feasibility of layout for power splitting, and multi-power devices should be placed across the boundary of die Macht splitting area to effectively reduce the impact of plane splitting on EMI;
(7) The reflow plane (path) is not divided.

2.5 Wiring
(1) Impedance control: High-speed signal lines will exhibit the characteristics of transmission lines, und Impedanzsteuerung ist erforderlich, um Signalreflexion zu vermeiden, Überschuss und Klingeln, und EMI-Strahlung reduzieren.
(2) Classify the signals, according to the EMI radiation intensity and sensitivity of different signals (analog signal, Taktsignal, I/O-Signal, Bus, power supply, etc.), Trennen Sie die Störquelle so weit wie möglich vom empfindlichen System, um Kopplung zu reduzieren.
(3) Strictly control the trace length, Anzahl der Durchkontaktierungen, Querpartitionen, Beendigungen, Verdrahtungsschichten, Rückgabepfade, etc. of clock signals (especially high-speed clock signals).
(4) The signal loop, das ist, die Schleife, die durch das Signal gebildet wird, das zu dem Signal fließt, das hereinkommt, ist der Schlüssel zur EMI-Steuerung im PCB-Design und muss während der Verdrahtung gesteuert werden. Um die Strömungsrichtung jedes Schlüsselsignals zu verstehen, Leiten Sie das Schlüsselsignal nahe an den Rückweg, um seine Schleifenfläche sicherzustellen. Für niederfrequente Signale, den Strom durch den Weg des Widerstands fließen lassen; für Hochfrequenzsignale, Den Hochfrequenzstrom durch den Weg der Induktivität fließen lassen, nicht der Pfad des Widerstands. Für differentielle Strahlung, the EMI radiation intensity (E) is proportional to the current, die Fläche der Stromschleife, und das Quadrat der Frequenz. (where I is the current, A ist der Schleifenbereich, f ist die Frequenz, r ist der Abstand zur Mitte der Schleife, und k ist eine Konstante.) So when the inductor return path is just below the signal conductor, die Stromschleifenfläche kann reduziert werden, Dadurch reduzierte EMI-Strahlungsenergie. Kritische Signale dürfen den segmentierten Bereich nicht überqueren. Hochgeschwindigkeits-Differenzsignalspuren sollten so eng wie möglich gekoppelt sein. Stellen Sie sicher, dass Streifen, Mikrostreifenlinien, und ihre Bezugsebenen erfüllen die Anforderungen. Die Leitungen der Entkopplungskondensatoren sollten kurz und breit sein. Alle Signalspuren sollten so weit wie möglich vom Rand der Platine entfernt gehalten werden. Für Mehrpunkt-Verbindungsnetze, Wählen Sie eine geeignete Topologie, um Signalreflexionen zu reduzieren und EMI-Emissionen zu reduzieren.

2.6 Split Processing of Power Plane
(1) Division of the power supply layer
When there are one or more sub-power supplies on a main power supply plane, Sicherstellung der Kontinuität jedes Stromversorgungsbereichs und ausreichender Kupferfolienbreite. Die Trennlinie muss nicht zu breit sein, Generell reicht eine Linienbreite von 20-50 mil aus, um die Spaltstrahlung zu reduzieren.
(2) Division of the ground layer
The ground plane layer should remain intact to avoid fragmentation. Wenn es geteilt werden muss, Unterscheiden Sie den digitalen Boden, die analoge Masse und die Rauschmasse, und verbinden Sie es mit der externen Masse durch einen gemeinsamen Massepunkt am Ausgang. Um die Randstrahlung des Netzteils zu reduzieren, the power/Bodenebene sollte dem 20H-Entwurfsprinzip folgen, das ist, Die Größe der Grundebene ist 20H größer als die Größe der Leistungsebene, so dass die Streifenfeldstrahlungsintensität um 70%reduziert werden kann.

3. Other control methods for EMI
3.1 Power System Design
(1) Design a low impedance power system to ensure that the impedance of the power distribution system in the frequency range below fknee is lower than the target impedance.
(2) Use a filter to control conducted interference.
(3) Power supply decoupling. In EMI design, Die Bereitstellung angemessener Entkopplungskondensatoren kann den Chip zuverlässig arbeiten lassen, und reduzieren Hochfrequenzgeräusche in der Stromversorgung, Verringerung des EWI. Aufgrund des Einflusses der Drahtinduktivität und anderer parasitärer Parameter, Das Netzteil und seine Versorgungsleitungen reagieren langsam, die den vom Fahrer im Hochgeschwindigkeitskreis benötigten momentanen Strom unzureichend machen kann. Angemessener Entwurf von Bypass- oder Entkopplungskondensatoren und verteilter Kapazität der Stromversorgungsschicht kann das Gerät schnell mit Strom versorgen, indem der Energiespeichereffekt des Kondensators ausgenutzt wird, bevor die Stromversorgung reagiert. Die richtige kapazitive Entkopplung sorgt für einen niederohmigen Leistungspfad, der Schlüssel zur Verringerung des Gleichtakt-EMI ist.

3.2 Grounding
Grounding design is the key to reducing the EMI of the whole board.
(1) Make sure to use single-point grounding, Mehrpunkterdung oder Mischerdung.
(2) Separate digital ground, analoge Masse und Rauschunterung, und einen geeigneten gemeinsamen Bodenpunkt bestimmen.
(3) If there is no ground wire layer in the double-sided design, Es ist sehr wichtig, das Erdungskabelgitter vernünftig zu gestalten, und die Breite des Erdungskabels, die Breite des Stromkabels, und die Breite des Signaldrahts sollte garantiert werden. Es ist auch möglich, eine großflächige Pflastermethode zu verwenden, aber es sollte angemerkt werden, dass die Kontinuität des großflächigen Bodens auf der gleichen Schicht besser ist.
(4) For the multi-layer board design, Stellen Sie sicher, dass es eine Masseebene-Schicht gibt, um die gemeinsame Erdimpedanz zu reduzieren.

3.3 Damping resistor in series
Under the premise that the circuit timing requirements allow, Die Grundtechnologie zur Unterdrückung der Störquelle besteht darin, einen kleinen Widerstandswert in Reihe am Schlüsselsignalausgang einzufügen, normalerweise 22-33Ω Widerstand. Der Reihenanschluss kleiner Widerstände an den Ausgangsklemmen kann den Anstieg verlangsamen/Fallzeit und Glätten der Über- und Unterschwingsignale, Dadurch wird die hochfrequente harmonische Amplitude der Ausgangswellenform reduziert und EMI effektiv unterdrückt.

3.4 Shield
(1) Key devices can use EMI shielding material or shielding mesh.
(2) The shielding of key signals can be designed as strip lines or isolated by ground wires on both sides of key signals.

3.5 Spread Spectrum
Spread spectrum (spread spectrum) method is a new effective method to reduce EMI. Spread-Spektrum ist, das Signal zu modulieren, um die Signalenergie auf einen relativ breiten Frequenzbereich zu erweitern. In der Tat, Dieses Verfahren ist eine kontrollierte Modulation des Taktsignals, das den Jitter des Taktsignals nicht signifikant erhöht. Praktische Anwendungen haben bewiesen, dass Spread-Spektrum-Techniken effektiv sind, Reduzierung der Emissionen um 7 bis 20 dB.

3.6 EMI Analysis and Testing
(1) Simulation analysis. Nach dem Leiterplatte Verkabelung abgeschlossen, Die EMI-Simulationssoftware und das System können zur Simulationsanalyse verwendet werden, um die EMV zu simulieren/EMI-Umgebung zur Bewertung, ob das Produkt die Anforderungen der relevanten elektromagnetischen Verträglichkeitsnormen erfüllt.
(2) Scanning test, Verwenden Sie einen elektromagnetischen Strahlungsscanner, um die Maschinenscheibe zu scannen, nachdem die Baugruppe angeschlossen und eingeschaltet ist.

4. Summary
With the continuous development and application of new high-speed chips, die Signalfrequenzen werden immer höher, und die Leiterplatten, die sie tragen, können kleiner und kleiner werden. Leiterplatte Design wird sich schwerwiegenderen EMI-Herausforderungen stellen. Nur durch kontinuierliche Exploration und Innovation kann die EMV/EMI-Design von Leiterplatten erfolgreich sein.