Leiterplattentechnisch - Fünf: High-Speed PCB Design Guide: Noise Reduction Technology of DSP System

Mit dem Aufkommen von Hochgeschwindigkeits-DSP (Digital Signal Processor) und Peripheriegeräten sehen sich Designer neuer Produkte einer immer ernsteren Bedrohung durch elektromagnetische Störungen (EMI) gegenüber. Früher wurden Emissions- und Störprobleme EMI oder RFI (Radio Frequency Interference) genannt. Verwenden Sie nun stattdessen das genauere Wort "Interferenzkompatibilität". Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) umfasst zwei Aspekte der Emission und Empfindlichkeit des Systems. Wenn die Störung nicht vollständig beseitigt werden kann, muss die Störung minimiert werden. Erfüllt ein DSP-System die folgenden drei Bedingungen, ist das System elektromagnetisch kompatibel.

1. Keine Beeinträchtigung des Systems selbst.

2. Keine Beeinträchtigung anderer Systeme.

3. Es ist nicht empfindlich auf die Emissionen anderer Systeme.

Definition von Interferenzen

Störung wird verursacht, wenn die Energie der Störung dazu führt, dass sich der Empfänger in einem unerwünschten Zustand befindet. Die Erzeugung von Störungen erfolgt entweder direkt (durch Leiter, gemeinsame Impedanzkopplung usw.) oder indirekt (durch Übersprechen oder Strahlenkopplung). Elektromagnetische Störungen werden durch Leiter und durch Strahlung erzeugt. Viele elektromagnetische Emissionsquellen wie Licht, Relais, Gleichstrommotoren und Leuchtstofflampen können Störungen verursachen. Wechselstromkabel, Verbindungskabel, Metallkabel und interne Schaltkreise von Teilsystemen können ebenfalls unerwünschte Signale ausstrahlen oder empfangen. In digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen ist die Taktschaltung in der Regel die größte Quelle für Breitbandrauschen. Bei schnellen DSP können diese Schaltungen harmonische Verzerrungen bis zu 300MHz erzeugen, die im System entfernt werden sollten. In digitalen Schaltungen sind Reset-, Interrupt- und Steuerleitungen am leichtesten betroffen.

Geführtes EMI

Einer der offensichtlichsten und oft übersehenen Wege, die Rauschen in einer Schaltung verursachen können, ist durch Leiter. Ein Draht, der durch die Rauschumgebung führt, kann das Rauschen aufnehmen und an einen anderen Stromkreis senden, um Störungen zu verursachen. Konstrukteure müssen vermeiden, dass Kabel Rauschen aufnehmen und Entkopplungsmethoden verwenden, um Rauschen zu entfernen, bevor das Rauschen Störungen verursacht. Das häufigste Beispiel ist Rauschen, das durch die Stromleitung in den Stromkreis eindringt. Wenn das Netzteil selbst oder andere an das Netzteil angeschlossene Stromkreise Störquellen sind, muss die Stromleitung vor Eintritt in den Stromkreis entkoppelt werden.

Strahlenkupplung

Die strahlende Kupplung wird als Übersprechen bezeichnet. Übersprechen tritt auf, wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, und das elektromagnetische Feld induziert transiente Ströme in benachbarten Leitern.

Gemeinsame Impedanzkupplung

Eine gemeinsame Impedanzkopplung tritt auf, wenn Ströme aus zwei verschiedenen Schaltkreisen durch eine gemeinsame Impedanz fließen. Der Spannungsabfall auf der Impedanz wird durch zwei Schaltkreise bestimmt. Die Masseströme der beiden Schaltkreise fließen durch die gemeinsame Erdimpedanz. Das Massepotenzial der Schaltung 1 wird durch den Massestrom 2 moduliert. Das Rauschsignal oder die Gleichstromkompensation wird über eine Gleichstromimpedanz von Schaltung 2 an Schaltung 1 gekoppelt.

Strahlungsemissionen

Es gibt zwei grundlegende Arten von Strahlungsemissionen: Differential Mode (DM) und Common Mode (CM). Gleichtaktstrahlung oder Monopolantennenstrahlung wird durch einen unbeabsichtigten Spannungsabfall verursacht, der alle Erdungsanschlüsse in der Schaltung über das Erdungspotential des Systems hebt. In Bezug auf die Größe des elektrischen Feldes ist CM-Strahlung ein ernsteres Problem als DM-Strahlung. Um CM-Strahlung zu minimieren, muss ein realistisches Design verwendet werden, um den Gleichtaktstrom auf Null zu reduzieren.

Faktoren, die die EMV beeinflussen

Spannung – Je höher die Versorgungsspannung, desto größer die Spannungsamplitude und desto mehr Emission, und die niedrige Versorgungsspannung beeinflusst die Empfindlichkeit.

Frequenz – Hohe Frequenzen produzieren mehr Emissionen, und periodische Signale produzieren mehr Emissionen. In einem Hochfrequenz-Digitalsystem wird ein Stromspitzensignal erzeugt, wenn das Gerät geschaltet wird; In einem analogen System wird ein Stromspitzensignal erzeugt, wenn sich der Laststrom ändert.

Erdung – Nichts ist wichtiger für das Schaltungsdesign als ein zuverlässiges und perfektes Stromversorgungssystem. Bei allen EMV-Problemen wird das Hauptproblem durch unsachgemäße Erdung verursacht. Es gibt drei Signalerdungsmethoden: Single-Point, Multi-Point und Mixed. Ein-Punkt-Erdungsverfahren kann verwendet werden, wenn die Frequenz niedriger als 1MHz ist, aber es ist nicht für Hochfrequenz geeignet. In Hochfrequenzanwendungen ist es am besten, Mehrpunkt-Erdung zu verwenden. Hybrid-Erdung ist ein Ein-Punkt-Erdungsverfahren für Niederfrequenz und Mehrpunkt-Erdung für Hochfrequenz. Die Erdungskabelanordnung ist entscheidend. Die Masseschleifen von hochfrequenten digitalen Schaltungen und niederfrequenten analogen Schaltungen dürfen nicht gemischt werden.

Entkopplung der Stromversorgung – Wenn das Gerät ein- und ausgeschaltet wird, werden transiente Ströme an der Stromleitung erzeugt. Diese transienten Ströme müssen abgeschwächt und herausgefiltert werden. Die transienten Ströme von hohen di/dt Quellen verursachen Erdungs- und Spurenemissionsspannungen. Die hohe di/dt erzeugt ein breites Spektrum an hochfrequenten Strömen, die Bauteile und Kabel zum Ausstrahlen anregen. Die Stromänderung und Induktivität, die durch den Draht fließt, verursachen einen Spannungsabfall, der durch Verringerung der Induktivität oder der Stromänderung im Laufe der Zeit minimiert werden kann.

PCB-Design-Die richtige Leiterplatte (PCB) Verdrahtung ist unerlässlich, um EMI zu verhindern.

Technologie zur Geräuschreduzierung

Es gibt drei Möglichkeiten, Störungen zu verhindern:

1. Unterdrückung der Quellenemission.

2. Machen Sie den Kupplungsweg so ineffektiv wie möglich.

3. Machen Sie die Empfindlichkeit des Empfängers zur Übertragung so gering wie möglich.

Im Folgenden wird die Technologie zur Geräuschreduzierung auf Platinenebene beschrieben. Die Rauschunterdrückungstechnologie auf Boardebene umfasst Leiterplattenstruktur, Linienanordnung und Filterung.

Die Geräuschreduktionstechnologie der Leiterplattenstruktur umfasst:

*Nehmen Sie Masse und Leistungsplatte an

*Die Plattenfläche sollte groß sein, um eine niedrige Impedanz für die Leistungsentkopplung bereitzustellen

*Oberflächenleiter minimieren

*Separate Erdungs-/Stromkabel für Digital, Analog, Empfänger und Sender

*Verwenden Sie schmale Linien (4 bis 8 Millionen), um die Hochfrequenzdämpfung zu erhöhen und die kapazitive Kopplung zu reduzieren

*Trennen Sie die Schaltung auf der Leiterplatte nach Frequenz und Typ

*Schneiden Sie die Leiterplatte nicht, die Spuren in der Nähe des Schnitts können unerwünschte Schleifen verursachen

*Verwenden Sie mehrschichtige Platten, um die Leiterbahnen zwischen Netzteil und Bodenschicht abzudichten

*Vermeiden Sie große offene Leiterplattenstruktur

*Mehrpunkt-Erdung wird verwendet, um Hochfrequenz-Erdungsimpedanz niedrig zu machen

*Halten Sie den Massepfen kürzer als 1/20 der Wellenlänge, um Strahlung zu verhindern und eine niederohmige Anordnung der Leitungen sicherzustellen. Die Techniken zur Geräuschreduzierung umfassen 45. Anstelle von 90. Stitch Turns, 90. Drehen erhöht die Kapazität und bewirkt, dass sich die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung ändert

*Halten Sie den Abstand zwischen benachbarten Anregungsspuren größer als die Breite der Leiterbahnen, um Übersprechen zu minimieren

*Der Bereich der Taktsignalschleife sollte so klein wie möglich sein

*Hochgeschwindigkeitsleitungen und Taktsignalleitungen sollten kurz und direkt angeschlossen sein

*Empfindliche Leiterbahnen sollten nicht parallel zu Leiterbahnen sein, die Hochstrom-schnelle Schaltsignale übertragen

*Keine schwebenden digitalen Eingänge, um unnötiges Schalten und Rauschen zu vermeiden

*Vermeiden Sie Stromversorgungsspuren unter dem Kristalloszillator und anderen inhärenten Rauschkreisen

*Entsprechende Strom-, Erdungs-, Signal- und Loop-Spuren sollten parallel sein, um Rauschen zu vermeiden

*Halten Sie die Taktleitung, den Bus und den Chip getrennt von der Eingangs-/Ausgangsleitung und dem Stecker

*Route Clock Signal Quadratur I/O Signal

*Um Übersprechen zu minimieren, sollten die Leiterbahnen rechtwinklig gekreuzt und Massedrähte gestreut werden

*Der PCB-Stecker ist mit der Gehäusemasse verbunden, die eine Abschirmung bietet, um Strahlung an der Schaltungsgrenze zu verhindern

*Schützen Sie Schlüsselspuren (verwenden Sie 4-mm-bis 8-mm-Leiterbahnen, um die Induktivität zu minimieren, der Weg ist nah an der Bodenschicht, die Sandwichstruktur zwischen den Schichten, und jede Seite der Schutzschicht hat Boden)

Filtertechniken umfassen:

*Filtern Sie das Netzkabel und alle Signale, die in die Leiterplatte gelangen

*Verwenden Sie hochfrequente niederinduktive Keramikkondensatoren (0.1UF für 14MHz, 0.01UF für mehr als 15MHz) an jedem Punkt des IC zur Entkopplung

*Trennen Sie die Stromversorgung/Masse an den Geräteleitungen

*Verwenden Sie mehrstufige Filterung, um Multiband-Netzrauschen zu dämpfen

*Umgehen Sie alle Spannungs- und Spannungspins der analogen Schaltung

* Schnellschaltgeräte umgehen

Andere Entwurfstechniken zur Lärmminderung umfassen:

*Integrieren Sie die Kristalloszillatorinstallation auf die Platine und erden Sie sie

*Verwenden Sie Reihenabschlüsse, um Resonanz und Transmissionsreflexion zu minimieren. Impedanzmangelung zwischen Last und Leitung führt zu einer partiellen Reflexion des Signals. Die Reflexion beinhaltet sofortige Störung und Überschuss, die viel EMI erzeugen wird

*Ordnen Sie das benachbarte Erdungskabel nahe am Signaldraht an, um zu verhindern, dass das elektrische Feld effektiver erscheint

*Platzieren Sie den Entkopplungstreiber und den Empfänger richtig nahe an der tatsächlichen I/O-Schnittstelle, wodurch die Kopplung zu anderen Schaltkreisen auf der Leiterplatte reduziert und Strahlung und Empfindlichkeit reduziert werden kann

*Abschirmen und Verdrehen der störenden Leitungen, um gegenseitige Kopplung auf der Leiterplatte zu vermeiden

*Verwendung von Klemmdioden bei induktiven Lasten

*Gegebenenfalls Abschirmung hinzufügen

EMV ist ein wichtiges Thema, das bei der Auslegung von DSP-Systemen berücksichtigt werden muss. Damit das DSP-System EMV-Anforderungen erfüllt, sollte eine geeignete Lärmminderungstechnologie eingesetzt werden.