Leiterplatte Blog - 7 Tipps, um elektromagnetische Probleme im PCB Board Design zu vermeiden

Elektromagnetische Kompatibilität und die damit verbundenen elektromagnetischen Störungen haben Systementwickler in der Vergangenheit gefordert, ihre Augen offen zu halten, vor allem in der heutigen Welt des Schrumpfens Leiterplatte Konstruktionen und Komponentenverpackungen und OEMs, die Hochgeschwindigkeitssysteme fordern Ein Kopfschmerzen für PCB-Layout- und Konstruktionsingenieure. EMV steht in engem Zusammenhang mit der Erzeugung, Vermehrung, und Empfang elektromagnetischer Energie, und EMV wird nicht erwartet in Leiterplatte Design. Elektromagnetische Energie kommt aus mehreren Quellen gemischt, Daher muss besonders darauf geachtet werden, dass bei unterschiedlichen Schaltkreisen, Spuren, Durchkontaktierungen, und Leiterplatte Materialien arbeiten zusammen, Die verschiedenen Signale sind kompatibel und stören sich nicht. EWI, auf der anderen Seite, ist eine zerstörerische Wirkung, die durch EMV oder unerwünschte elektromagnetische Energie erzeugt wird. In dieser elektromagnetischen Umgebung, Leiterplatte Konstrukteure müssen sicherstellen, dass die Erzeugung elektromagnetischer Energie reduziert wird, so dass Störungen minimal sind.

Hier sind 7-Tipps, um elektromagnetische Probleme in Leiterplatte Design:

Tipp 1: Massen Sie die Leiterplatte

Eine wichtige Möglichkeit, EMI zu reduzieren, besteht darin, die Masseebene der Leiterplatte zu entwerfen. Der erste Schritt besteht darin, die Bodenfläche innerhalb der Gesamtfläche der Leiterplatte so groß wie möglich zu machen, was Emissionen, Übersprechen und Lärm reduzieren kann. Besondere Vorsicht ist geboten, wenn jede Komponente an einen Erdungspunkt oder eine Ebene angeschlossen wird, da sonst die neutralisierende Wirkung einer zuverlässigen Erdungsebene nicht voll ausgenutzt werden kann. Ein besonders komplexes Leiterplattendesign weist mehrere stabile Spannungen auf. Idealerweise hat jede Referenzspannung eine eigene entsprechende Masseebene. Wenn es jedoch zu viele Masseebenen gibt, erhöht dies die Herstellungskosten der Leiterplatte und macht den Preis zu hoch. Der Kompromiss besteht darin, Bodenflächen an drei bis fünf verschiedenen Standorten zu verwenden, die jeweils mehrere Bodenabschnitte enthalten können. Dies steuert nicht nur die Herstellungskosten der Leiterplatte, sondern reduziert auch EMI und EMV. Ein niederohmiges Erdungssystem ist wichtig, wenn Sie die EMV klein halten möchten. Bei einer mehrschichtigen Leiterplatte ist es gut, eine feste Masseebene anstelle eines Kupferausgleichsblocks oder einer gestreuten Masseebene zu haben, da sie eine niedrige Impedanz hat, einen Strompfad bereitstellt und eine gute Quelle für umgekehrte Signale ist. Um EMV-Probleme in mehrschichtigen Leiterplatten zu lösen, ist es gut, eine feste Masseebene anstelle von Kupferdiebstahl oder verstreuten Masseebenen zu haben. Die Zeit, die das Signal benötigt, um zum Boden zurückzukehren, ist ebenfalls sehr wichtig. Die Zeit für das Signal zur und von der Quelle muss vergleichbar sein, ansonsten tritt ein antennenähnliches Phänomen auf, bei dem die abgestrahlte Energie Teil des EMI wird. Außerdem sollten Leiterbahnen, die Strom zur/von der Signalquelle tragen, so kurz wie möglich sein, wenn die Quelle und der Rückweg nicht gleich lang sind, wird es einen Ground Bounce geben, der auch EMI erzeugt. Wenn das Timing des Signals, das die Quelle betritt und verlässt, nicht synchronisiert ist, tritt ein antennenähnliches Phänomen auf, das Energie ausstrahlt und EMI verursacht.

Tipp 2: EMI differenzieren

Da EMI unterschiedlich ist, ist es eine gute EMV-Designregel, analoge und digitale Schaltungen zu trennen. Analoge Schaltungen mit höherer Stromstärke oder höherem Strom sollten von Hochgeschwindigkeitsstrecken oder Schaltsignalen ferngehalten werden. Wenn möglich, sollten sie mit einem geerdeten Signal geschützt werden. Auf einer mehrschichtigen Leiterplatte sollten analoge Leiterbahnen auf einer Erdungsebene verlegt werden, während Schalter- oder Hochgeschwindigkeitsstrecken auf der anderen liegen sollten. Daher werden Signale unterschiedlicher Eigenschaften getrennt. Ein Tiefpassfilter kann manchmal verwendet werden, um hochfrequentes Rauschen in Verbindung mit umgebenden Leiterbahnen zu entfernen. Der Filter unterdrückt Rauschen und gibt einen stabilen Strom zurück. Es ist wichtig, die Masseebenen für analoge und digitale Signale zu trennen. Da analoge und digitale Schaltungen ihre eigenen einzigartigen Eigenschaften haben, ist es wichtig, sie zu trennen. Digitale Signale sollten eine digitale Masse haben, und analoge Signale sollten an der analogen Masse enden. Im digitalen Schaltungsdesign achten erfahrene Leiterplattenlayout- und Konstruktionsingenieure besonders auf Hochgeschwindigkeitssignale und Uhren. Bei hohen Geschwindigkeiten sollten die Signale und Uhren so kurz wie möglich und neben der Erdungsebene sein, da die Erdungsebene Übersprechen, Rauschen und Strahlung unter Kontrolle hält. Digitale Signale sollten auch von Leistungsebenen ferngehalten werden. Wenn der Abstand nahe ist, kann Rauschen oder Induktion erzeugt werden, was das Signal schwächen kann.

Tipp 3: Übersprechen und Spuren stehen im Mittelpunkt

Spuren sind besonders wichtig, um einen ordnungsgemäßen Stromfluss zu gewährleisten. Wenn der Strom von einem Oszillator oder einer ähnlichen Vorrichtung kommt, ist es besonders wichtig, den Strom von der Erdungsebene getrennt zu halten oder den Strom nicht parallel mit einer anderen Leiterbahn zu laufen. Zwei parallele Hochgeschwindigkeitssignale erzeugen EMV und EMI, insbesondere Übersprechen. Der Widerstandsweg muss kurz gehalten und der Rückstrompfad so kurz wie möglich gehalten werden. Der Rückweg-Trace sollte die gleiche Länge wie der Sende-Trace haben. Für EMI wird eine die "Aggressorspur" und die andere die "Opferspur" genannt. Induktive und kapazitive Kopplung kann "Opfer"-Spuren aufgrund des Vorhandenseins elektromagnetischer Felder beeinflussen und Vorwärts- und Rückwärtsströme auf den "Opfer-Spuren" verursachen. In diesem Fall werden Ripples in einer stabilen Umgebung erzeugt, in der die Sende- und Empfangslängen des Signals nahezu gleich sind. In einer ausgewogenen Umgebung mit stabilen Leiterbahnen sollten sich die induzierten Ströme gegenseitig aufheben, um Übersprechen zu vermeiden. Wir leben jedoch in einer unvollkommenen Welt, in der so etwas nicht geschieht. Deshalb muss es unser Ziel sein, das Übersprechen aller Spuren auf einem sehr kleinen Niveau zu halten. Ist die Breite zwischen parallelen Leiterbahnen doppelt so groß wie die Leiterbahnbreite, kann der Effekt von Übersprechen minimiert werden. Wenn die Leiterbahnbreite beispielsweise 5 mils beträgt, sollte der kleine Abstand zwischen zwei parallelen Leiterbahnen 10 mils oder mehr betragen. Da neue Materialien und neue Komponenten entstehen, müssen sich Leiterplattendesigner auch weiterhin mit Problemen der elektromagnetischen Verträglichkeit und Interferenz auseinandersetzen.

Tipp 4: Entkopplungskondensatoren

Entkopplungskondensatoren reduzieren die unerwünschten Effekte von Übersprechen und sollten zwischen den Strom- und Massepunkten des Geräts platziert werden, um eine niedrige AC-Impedanz zu gewährleisten, Rauschen und Übersprechen zu reduzieren. Um eine niedrige Impedanz über einen weiten Frequenzbereich zu erreichen, sollten mehrere Entkopplungskondensatoren verwendet werden. Die Verwendung von Entkopplungskondensatoren um das Kugelgitter-Array reduziert Übersprechen. Eine wichtige Faustregel für die Platzierung von Entkopplungskondensatoren ist, Kleinwertkondensatoren so nah wie möglich am Gerät zu platzieren, um induktive Effekte auf Leiterbahnen zu reduzieren. Dieser Kondensator wird so nah wie möglich an den Stromanschlüssen oder Stromleitungen des Geräts platziert und verbindet die Pads des Kondensators direkt mit Durchkontaktierungen oder Masseebenen. Wenn die Spuren lang sind, verwenden Sie mehrere Durchgänge, so dass die Erdungsimpedanz niedrig ist.

Tipp 5: Vermeiden Sie 90-Grad-Winkel

Um EMI zu reduzieren, vermeiden Sie Spuren, Durchkontaktierungen und andere Komponenten, die einen 90°-Winkel bilden, da rechte Winkel Strahlung erzeugen. An dieser Ecke erhöht sich die Kapazität und die charakteristische Impedanz ändert sich, was Reflexionen verursacht, die wiederum EMI verursachen. Um 90° Ecken zu vermeiden, sollten Leiterbahnen zu den Ecken mit mindestens zwei 45° Ecken geführt werden.

Tipp 6: Verwenden Sie Vias mit Vorsicht

In fast allen LeiterplattenLayouts müssen Vias verwendet werden, um leitfähige Verbindungen zwischen verschiedenen Schichten herzustellen. PCB-Layout-Ingenieure müssen besonders vorsichtig sein, da Durchkontaktierungen Induktivität und Kapazität erzeugen. In einigen Fällen erzeugen sie auch Reflexionen, weil sich die charakteristische Impedanz ändert, wenn Durchgänge in der Spur gemacht werden. Denken Sie auch daran, dass Vias die Spurenlänge erhöhen und angepasst werden müssen. Bei differentiellen Spuren sollten Vias so weit wie möglich vermieden werden. Falls dies unvermeidbar ist, sollten Vias in beiden Leiterbahnen verwendet werden, um Verzögerungen im Signal- und Rückweg auszugleichen.

Tipp 7: Kabel und physische Abschirmung

Kabel mit digitalen Schaltungen und analogen Strömen erzeugen parasitäre Kapazität und Induktivität, die viele EMV-bezogene Probleme verursachen. Wenn ein Twisted Pair Kabel verwendet wird, das Kupplungsniveau niedrig gehalten wird, Beseitigung des resultierenden Magnetfeldes. Für Hochfrequenzsignale, geschirmte Kabel müssen verwendet werden, mit Front- und Hintergrund zur Vermeidung von EMI-Störungen. Physikalische Abschirmung ist die Verkapselung des gesamten oder eines Teils des Systems mit einem Metallpaket, um zu verhindern, dass EMI in den Schaltkreis auf dem Leiterplatte. Dieser Schirm wirkt wie ein geschlossener geerdeter leitfähiger Behälter, Reduzierung der Antennenschleifengröße und Absorption von EMI.