Leiterplattentechnisch - EMV-Überlegungen beim Leiterplattendesign

EMV-Erwägungen in PCB-Design

Mit der Entwicklung des elektrischen Zeitalters, Es gibt immer mehr elektromagnetische Wellenquellen in der menschlichen Lebensumgebung, wie Rundfunk, Fernsehen, Mikrowellenkommunikation; Haushaltsgeräte; elektromagnetische Felder der Leistungsfrequenz von Übertragungsleitungen; Hochfrequente elektromagnetische Felder, etc. Wenn die Feldstärke dieser elektromagnetischen Felder eine bestimmte Grenze überschreitet und die Aktionszeit lang genug ist, sie kann die menschliche Gesundheit gefährden; zur gleichen Zeit, es wird auch andere elektronische Geräte und Kommunikationen stören. In dieser Hinsicht, Schutz ist erforderlich. Konzepte wie elektromagnetische Störung und Abschirmung werden oft während der Entwicklung vorgebracht, Herstellung und Verwendung elektronischer Produkte. Kern elektronischer Produkte im Normalbetrieb ist ein koordinierter Arbeitsprozess zwischen der Leiterplatte und den darauf installierten Komponenten und Teilen. Es ist sehr wichtig, den Leistungsindex elektronischer Produkte zu verbessern und den Einfluss elektromagnetischer Störungen zu reduzieren.

1 Leiterplattendesign

Leiterplatte (PCB) ist die Unterstützung von Schaltungskomponenten und Geräten in elektronischen Produkten. Es stellt elektrische Verbindungen zwischen Schaltungskomponenten und Geräten zur Verfügung. Es ist die grundlegendste Komponente verschiedener elektronischer Geräte. Die Leistung von Leiterplatten steht in direktem Zusammenhang mit Elektronik. Die Qualität und Leistung der Geräte sind gut oder schlecht. Mit der Entwicklung von integrierten Schaltungen, SMT-Technologie und Mikromontagetechnologie gibt es immer mehr hochdichte, multifunktionale elektronische Produkte, die zu einem komplizierten Drahtlayout auf Leiterplatte, vielen Teilen und Komponenten und einer dichten Installation führen, die unweigerlich mehr Interferenzen zwischen ihnen verursachen wird. Es wird immer ernster, so dass das Problem der Unterdrückung elektromagnetischer Störungen zum Schlüssel geworden ist, ob ein elektronisches System normal funktionieren kann. Ähnlich wird mit der Entwicklung der elektrischen Technologie die Dichte der Leiterplatte immer höher, und die Qualität des Leiterplattendesigns hat einen großen Einfluss auf die Interferenz- und Interferenzschutzfähigkeit der Schaltung. Um die beste Leistung elektronischer Schaltungen zu erhalten, ist neben der Auswahl der Komponenten und dem Schaltungsdesign ein gutes Leiterplattendesign auch ein sehr wichtiger Faktor für die elektromagnetische Verträglichkeit.

1.1 Angemessener PCB-Schichtentwurf

Entsprechend der Komplexität der Schaltung kann eine vernünftige Wahl der Anzahl der Schichten der Leiterplatte elektromagnetische Störungen effektiv reduzieren, die Größe der Leiterplatte und die Länge der Stromschleife und Verzweigungsverdrahtung erheblich reduzieren und die Kreuzstörung zwischen Signalen erheblich reduzieren. Experimente zeigen, dass bei Verwendung des gleichen Materials das Rauschen der Vierschichtplatte 20dB niedriger ist als das der Doppelschichtplatte. Je höher die Anzahl der Schichten, desto komplizierter der Herstellungsprozess und desto höher die Herstellungskosten. Bei mehrschichtiger Leiterplattenverdrahtung ist es besser, eine "gut"-geformte Netzverdrahtungsstruktur zwischen benachbarten Schichten zu verwenden, das heißt, die Richtungen der jeweiligen Verdrahtung der benachbarten Schichten sind senkrecht zueinander. Zum Beispiel wird die Oberseite der Leiterplatte horizontal verdrahtet und die Unterseite vertikal verdrahtet und dann durch Durchkontaktierungen verbunden.

1.2 Angemessener PCB Größe Design

Wenn die Leiterplatte Größe ist zu groß, die gedruckten Drähte erhöhen sich, die Impedanz steigt, die Anti-Lärm Fähigkeit wird abnehmen, und das Gerätevolumen wird steigen und die Kosten werden entsprechend steigen. Wenn die Größe zu klein ist, Wärmeableitung ist nicht gut, und angrenzende Linien leicht gestört werden. Allgemein, the mechanical layer (Mechanical Layer) determines the physical frame, das ist, die Umrissgröße der Leiterplatte, and the Keepout Layer (Keepout Layer) is forbidden to determine the effective area of layout and wiring. Allgemein, entsprechend der Anzahl der Funktionseinheiten der Schaltung, alle Komponenten der Schaltung sind integriert, und die beste Form und Größe der Leiterplatte werden endgültig bestimmt. Normalerweise wird ein Rechteck ausgewählt, und das Seitenverhältnis ist 3:2. Wenn die Größe der Leiterplatte größer als 150 mmx200 mm ist, die mechanische Festigkeit der Leiterplatte sollte berücksichtigt werden.

2 PCB Layout

Im PCB-Design konzentrieren sich Produktdesigner oft nur auf die Erhöhung der Dichte, die Verringerung des belegten Raumes, die Vereinfachung oder die Verfolgung von Ästhetik und einheitlichem Layout, wobei der Einfluss des Schaltungslayouts auf die elektromagnetische Verträglichkeit ignoriert wird. Ein schlechtes PCB-Layout kann zu mehr elektromagnetischen Kompatibilitätsproblemen führen, anstatt sie zu beseitigen.

Die Eigenschaften des Bauteillayouts und der Verdrahtung von digitalen Schaltungen, analogen Schaltungen und Stromkreisen in elektronischen Geräten sind unterschiedlich, und die Interferenzen, die sie erzeugen, und die Methoden zur Unterdrückung von Störungen sind unterschiedlich. Aufgrund der unterschiedlichen Frequenzen von Hoch- und Niederfrequenzschaltungen unterscheiden sich auch deren Störungen und Methoden zur Unterdrückung von Störungen. Daher sollten im Komponentenlayout die digitale Schaltung, die analoge Schaltung und der Stromkreis getrennt platziert werden, und die Hochfrequenzschaltung und die Niederfrequenzschaltung sollten getrennt werden. Wenn möglich, sollten sie isoliert oder separat zu einer Leiterplatte verarbeitet werden. Im Layout sollte besonderes Augenmerk auf die Geräteverteilung von starken und schwachen Signalen und die Signalübertragungsrichtung gelegt werden.

2.1 PCB-Bauteillayout

Das Layout von Leiterplattenkomponenten ist dasselbe wie bei anderen Logikschaltungen, und die miteinander verbundenen Komponenten sollten so nah wie möglich platziert werden, damit ein besserer Rauschschutz erzielt werden kann. Die Position der Komponenten auf der Leiterplatte sollte das Problem der anti-elektromagnetischen Störungen vollständig berücksichtigen. Einer der Grundsätze ist, dass die Leitungen zwischen den Komponenten so kurz wie möglich sein sollten. Im Layout sollten der analoge Signalteil, der digitale Hochgeschwindigkeitsschaltteil und der Rauschquellenteil (wie Relais, Hochstromschalter usw.) angemessen getrennt werden, um die Signalkopplung untereinander zu minimieren.

Taktgeneratoren, Kristalloszillatoren und CPU-Takteingänge sind alle anfällig für Rauschen, daher sollten sie näher beieinander sein. Rauschanfällige Geräte, Niederstrom- und Hochstromschaltungen sollten so weit wie möglich von Logikschaltungen ferngehalten werden. Wenn möglich, sollte eine andere Leiterplatte hergestellt werden, was sehr wichtig ist.

Allgemeine Layoutanforderungen für Leiterplattenkomponenten: Das Layout von Schaltungskomponenten und Signalpfaden muss die Kopplung unnötiger Signale minimieren.

1) Low-Level-Signalkanäle können nicht in der Nähe von High-Level-Signalkanälen und ungefilterten Stromleitungen sein, einschließlich Schaltungen, die transiente Prozesse erzeugen können.

2) Trennen Sie analoge Low-Level-Schaltungen und digitale Schaltungen, um eine gemeinsame Impedanzkopplung zwischen analogen Schaltungen, digitalen Schaltungen und Stromkreisen zu vermeiden.

3) Logikschaltungen mit hoher, mittlerer und niedriger Geschwindigkeit verwenden verschiedene Bereiche auf der Leiterplatte.

4) Bei der Anordnung der Schaltung sollte die Signalleitungslänge minimiert werden.

5) Stellen Sie sicher, dass es keine übermäßig langen parallelen Signalleitungen zwischen benachbarten Leiterplatten, zwischen benachbarten Ebenen derselben Leiterplatte und zwischen benachbarten Verkabelungen auf derselben Ebene gibt.

6) Der Filter für elektromagnetische Störungen (EMI) sollte so nah wie möglich an der elektromagnetischen Störquelle sein und auf derselben Platine platziert werden.

7) DC/DC-Wandler, Schaltkomponenten und Gleichrichter sollten so nah wie möglich am Transformator platziert werden, um die Länge ihrer Drähte zu minimieren.

8) Platzieren Sie die Spannungsregelkomponente und den Filterkondensator so nah wie möglich an der Gleichrichterdiode.

9) Die Leiterplatte wird entsprechend Frequenz- und Stromschalteigenschaften unterteilt, und der Abstand zwischen lauten Komponenten und rauschfreien Komponenten sollte weiter sein.

10) Die lärmempfindliche Verdrahtung sollte nicht parallel zur Hochstrom- und Hochgeschwindigkeitsschaltleitung sein.

11) Das Bauteillayout sollte dem Wärmeableitungsproblem besondere Aufmerksamkeit schenken. Für Hochleistungskreise sollten solche Heizkomponenten wie Leistungsrohre und Transformatoren so weit wie möglich platziert werden, um die Wärmeableitung zu erleichtern. Konzentrieren Sie sich nicht an einem Ort und haben Sie keine hohe Kapazität zu nahe, um zu vermeiden, dass der Elektrolyt vorzeitig altert.

2.2 Leiterplattenverdrahtung

Die Zusammensetzung einer Leiterplatte ist eine Reihe von mehrschichtigen Strukturen aus Laminierung, Verdrahtung und Prepreg auf dem vertikalen Stapel. Bei einer mehrschichtigen Leiterplatte wird die Signalleitung auf der äußersten Schicht ausgelegt, um das Debuggen zu erleichtern.

Im Falle von Hochfrequenz können die Verdrahtung, Durchkontaktierungen, Widerstände, Kondensatoren und die verteilte Induktivität und verteilte Kapazität der Steckverbinder auf der Leiterplatte nicht ignoriert werden. Widerstand verursacht Reflexion und Absorption von hochfrequenten Signalen. Die verteilte Kapazität der Leiterbahn spielt ebenfalls eine Rolle. Wenn die Länge der Spur größer als 1/20 der entsprechenden Wellenlänge der Rauschfrequenz ist, tritt ein Antenneneffekt auf, und Rauschen wird durch die Spur emittiert.

Die meisten Drahtverbindungen der Leiterplatte werden über Vias abgeschlossen. Ein Durchgang kann 0,5 pF verteilte Kapazität bewirken, und die Verringerung der Anzahl der Durchgänge kann die Geschwindigkeit erheblich erhöhen.

Das Verpackungsmaterial einer integrierten Schaltung selbst führt eine Kapazität von 2 bis 6 pF ein. Ein Stecker auf einer Leiterplatte hat eine verteilte Induktivität von 520 nH. Eine Dual-in-Line 24-Pin-Buchse für integrierte Schaltungen führt 4-18 nH verteilte Induktivität ein.

Die allgemeinen Anforderungen, die befolgt werden sollten, um den Einfluss der PCB-Verdrahtungsverteilungsparameter zu vermeiden:

1) Erhöhen Sie den Abstand der Spuren, um das Übersprechen der kapazitiven Kopplung zu reduzieren.

2) Bei der Doppelwandverdrahtung sollten die Drähte auf beiden Seiten senkrecht, schräg oder gekrümmt sein, um zu vermeiden, parallel zueinander zu sein, um parasitäre Kopplung zu reduzieren; Gedruckte Drähte, die als Ein- und Ausgang der Schaltung verwendet werden, sollten so weit wie möglich vermieden werden. Um Rückkopplungen zu vermeiden, ist es am besten, einen Erdungskabel zwischen diesen Drähten hinzuzufügen.

3) Legen Sie empfindliche Hochfrequenzleitungen weg von hochrauschenden Stromleitungen, um gegenseitige Kopplung zu reduzieren; Die hochfrequenten digitalen Schaltungsspuren sollten dünner und kürzer sein.

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

5) Versuchen Sie, 45° Falzlinien anstelle von 90° Falzlinien zu verwenden, um die externe Emission und Kopplung von Hochfrequenzsignalen zu reduzieren.

6) Die Länge der Adresszeile oder der Datenleitung sollte nicht zu unterschiedlich sein, sonst muss der kurze Leitungsteil zum Ausgleich künstlich gebogen werden.

7) Achten Sie auf die Isolierung zwischen großen Stromsignalen, Hochspannungssignale und kleine Signale (der Isolationsabstand hängt von der zu widerstehenden Widerstandsspannung ab. Normalerweise beträgt der Abstand zwischen den Leiterplatten 2 mm bei 2 kV, und das Verhältnis wird darüber berechnet. Zum Beispiel, um den 3 kV Widerstandsspannungstest zu widerstehen, sollte der Abstand zwischen den Hochspannungsleitungen und Niederspannungsleitungen über 3,5 mm liegen. Um Kriechen zu vermeiden, sollten in vielen Fällen die Hoch- und Niederspannungsleitungen auf der Leiterplatte geöffnet werden. Nut).

3-Schaltungsdesign in PCB

Bei der Entwicklung elektronischer Schaltungen wird mehr auf die tatsächliche Leistung des Produkts geachtet, anstatt zu viel auf die elektromagnetischen Kompatibilitätseigenschaften des Produkts und die elektromagnetische Störunterdrückung und elektromagnetische Störschutzeigenschaften zu berücksichtigen. Um den Zweck der elektromagnetischen Verträglichkeit bei Verwendung des Schaltplans für das Leiterplattenlayout zu erreichen, müssen notwendige Maßnahmen ergriffen werden, das heißt, notwendige zusätzliche Schaltungen auf der Grundlage des Schaltplans hinzuzufügen, um die elektromagnetische Verträglichkeit seiner Produkte zu verbessern. Folgende Schaltungsmaßnahmen können im eigentlichen Leiterplattendesign verwendet werden:

1) Ein Widerstand kann in Reihe auf der Leiterplattenführung angeschlossen werden, um die Übergangsgeschwindigkeit der unteren Kante der Steuersignalleitung zu verringern.

2) Versuchen Sie, irgendeine Form der Dämpfung (Hochfrequenzkondensatoren, Reverse Dioden, etc.) für Relais usw. bereitzustellen.

3) Filtern Sie das Signal, das in die Leiterplatte eintritt, und filtern Sie das Signal vom Rauschbereich zum Rauscharmen Bereich. Verwenden Sie gleichzeitig eine Reihe von Anschlusswiderständen, um die Signalreflexion zu reduzieren.

4) Das nutzlose Ende der MCU sollte mit der Stromversorgung oder Masse durch den entsprechenden übereinstimmenden Widerstand verbunden oder als Ausgangsende definiert werden. Die Klemmen des integrierten Schaltkreises, die an die Stromversorgung und die Masse angeschlossen werden sollen, müssen angeschlossen sein und dürfen nicht schwimmend gelassen werden.

5) Verlassen Sie nicht die Eingangsklemme der Gate-Schaltung, die nicht in Gebrauch ist, sondern schließen Sie die Stromversorgung oder Masse durch den entsprechenden passenden Widerstand an. Die positive Eingangsklemme des ungenutzten Operationsverstärker ist geerdet, und die negative Eingangsklemme ist mit der Ausgangsklemme verbunden.

6) Richten Sie für jede integrierte Schaltung einen Hochfrequenz-Entkopplungskondensator ein. Zu jedem Elektrolytkondensator muss ein kleiner Hochfrequenz-Bypass-Kondensator hinzugefügt werden.

7) Verwenden Sie Tantalkondensatoren mit großer Kapazität oder Polyester-Kondensatoren anstelle von Elektrolytkondensatoren als Lade- und Entladungskondensatoren für Energiespeicher auf der Leiterplatte. Bei Verwendung von Rohrkondensatoren sollte das Gehäuse geerdet werden.

4 Schlussfolgerung

Mit der zunehmenden Entwicklung von Wissenschaft und Technologie, Die Miniaturisierung und Intelligenz verschiedener elektronischer Geräte sind zum Mainstream-Trend geworden. Zur gleichen Zeit, Das Betriebsumfeld elektronischer Produkte oder Geräte wird immer komplexer. Störschutztechnologie und elektromagnetische Verträglichkeit erfordern auch kontinuierliche Entwicklung und Reife. PCB-Designer und Leiterplattenherstellermuss den praktischen Anwendungen ausreichend Beachtung schenken.