Diseño electrónico - Análisis EMC y diseño de circuitos de alta velocidad

La compatibilidad electromagnética Se refiere a que cuando loS sistemas y equipos eléctricos y electrónicos funcionen a un nivel determEn el interiorado dentro de los límites de Seguridad especificados en un entorno electromagnético específico, no se dañarán ni deteriorarán a un rendimiento irreparable debido a interferencias electromagnéticas externas. Al mismo tiempo, la radiación electromagnética generada por ellos no es mayor que el nivel límite de verificación, y no afecta al funcionamiento normal de otros equipos o sistemas electrónicos, por lo que se logra el objetivo de que el equipo y el equipo, el sistema y el sistema no interfieran entre sí y trabajen juntos de manera fiable.

Factores de compatibilidad electromagnética

(1) Frequency characteristics of resistance. En circuitos digitales, La función principal de la resistencia es limitar la corriente y determinar el nivel fijo. En un Circuito de alta frecuencia, La Capacitancia parasitaria de alta frecuencia en ambos extremos de la resistencia puede dañar las características normales del circuito. La Inductancia pin de la misma resistencia tiene una gran influencia en el EMC del circuito.

(2) The frequency characteristic of the capacitor. Los condensadores se utilizan generalmente para autobuses de potencia. Proporcionan desacoplamiento, Bypass y mantener un voltaje y una corriente de corriente continua fijos. Sin embargo,, in Circuito de alta frecuencia, Cuando la frecuencia de funcionamiento del circuito supere la frecuencia de auto - resonancia del condensador, Su Inductancia parasitaria hará que el condensador se comporte como Inductancia, Por lo tanto, la función original se pierde y el rendimiento del circuito se ve afectado..

Características de frecuencia del inductor. El sensor se utiliza para controlar el IME en el Placa de circuito impreso. Cuando la frecuencia de funcionamiento del circuito aumenta, la impedancia equivalente del inductor aumenta con el aumento de la frecuencia. Cuando la frecuencia de funcionamiento del circuito supere el límite superior de la frecuencia de funcionamiento del sensor, el sensor afectará al funcionamiento normal del circuito.

Características de frecuencia del conductor. Los rastros en los Placa de circuito impreso y los cables de montaje tienen Inductancia y Capacitancia parasitarias. Estos inductores y condensadores parásitos afectarán las características de frecuencia de los cables, lo que puede conducir a la resonancia entre los componentes y los cables, lo que hace que los cables se conviertan en una importante antena de transmisión de interferencia electromagnética. En general, los conductores tienen características de resistencia en la banda de baja frecuencia y Inductancia en la banda de alta frecuencia. Por lo tanto, en un Placa de circuito impreso, la longitud del cable suele ser inferior a una vigésima parte de la longitud de onda de la frecuencia de funcionamiento para evitar que el cable se convierta en una fuente de interferencia electromagnética.

Electricidad estática. La Descarga electrostática se ha convertido en un gran peligro para los productos electrónicos, que puede causar daños permanentes a los productos. Por lo tanto, en el diseño del producto, deben adoptarse las medidas de protección electrostática correspondientes. Las medidas antiestáticas comunes incluyen la selección de materiales antiestáticos, la adopción de medidas de aislamiento eléctrico, la mejora de la resistencia al aislamiento de los productos, el establecimiento de una buena capa de blindaje electrostático y el canal de descarga.

Fuente de alimentación. Con la amplia aplicación de la fuente de alimentación de conmutación de alta frecuencia y el aumento de la carga del sistema de energía, la interferencia de la fuente de alimentación en los productos se ha convertido gradualmente en un factor importante que afecta a las características EMC de los productos. Por lo tanto, algunos dispositivos sensibles a la interferencia no utilizan directamente la fuente de corriente alterna, sino que cambian a la fuente de corriente continua. Aunque aumenta la complejidad y el costo del sistema, mejora la estabilidad del sistema.

Truenos y relámpagos. El rayo es esencialmente un poderoso proceso de Descarga electrostática que puede neutralizar cargas positivas y negativas. El fuerte pulso electromagnético resultante es la razón principal del daño de varios equipos electrónicos. La influencia del rayo en el equipo electrónico incluye el rayo directo y el rayo inductivo. Hoy en día, varios dispositivos electrónicos interiores no suelen ser vulnerables a los rayos directos, pero siguen siendo vulnerables a los daños causados por los rayos inductivos. Para garantizar el funcionamiento seguro de los equipos electrónicos, deben protegerse de los rayos. Las medidas comunes de protección contra rayos incluyen la instalación de pararrayos, la instalación de pararrayos y cables de protección contra rayos.

2 Elementos de compatibilidad electromagnética

La investigación teórica y práctica ha demostrado que cualquier interferencia electromagnética, ya sea un sistema complejo o un equipo simple, debe cumplir tres condiciones básicas: la existencia de una determinada fuente de interferencia, un canal de acoplamiento completo con interferencia y la respuesta del objeto perturbado.

2.1 Fuentes de interferencia electromagnética

Una fuente de interferencia electromagnética es cualquier componente, Instalación, Equipo, Un sistema o fenómeno natural que produce interferencia electromagnética.. Los circuitos de alta frecuencia son especialmente sensibles a las interferencias electromagnéticas, Por lo tanto, es necesario adoptar diversas medidas para suprimir la interferencia electromagnética.. A través del análisis teórico y experimental, Es bien sabido que Circuito de alta frecuencia, La interferencia electromagnética proviene principalmente de los siguientes aspectos:

Interferencia acústica causada por el funcionamiento del equipo

Los circuitos digitales pueden producir interferencias electromagnéticas cuando funcionan.

Interferencia electromagnética causada por el cambio de tensión y corriente de la señal.

Interferencia acústica de señales de alta frecuencia

Crosstalk: Esto significa que cuando una señal se carga en un canal de transmisión, puede tener un efecto adverso en las líneas de transmisión adyacentes debido al acoplamiento electromagnético. La señal de interferencia parece inyectar un cierto voltaje de acoplamiento y corriente de acoplamiento. El exceso de comentarios cruzados puede causar que el circuito se active y retrase por error, y el sistema no puede funcionar correctamente.

Pérdida de eco: cuando la señal de alta frecuencia se transmite en cables y equipos de comunicación, refleja la señal cuando se encuentra con Impedancia de onda desigual. Este tipo de reflexión no sólo aumenta la pérdida de transmisión de la señal, sino que también la distorsión de la señal de transmisión tiene una gran influencia en el rendimiento de la transmisión.

Interferencia del ruido de la fuente de alimentación

Ruido de potencia en Placa de circuito impreso Consiste principalmente en ruido producido por la propia fuente de alimentación o ruido causado por perturbaciones, Los principales resultados son los siguientes: 1. Ruido distribuido causado por la impedancia inherente de la fuente de alimentación; 2.. Interferencia de campo de modo común; 3.. Interferencia de campo de modo diferencial; 4.. Interferencia de línea a línea; 5.. Acoplamiento de la línea de alimentación.

Interferencia acústica en tierra

Debido a la resistencia y la impedancia en el cable de tierra, la caída de tensión se produce cuando la corriente pasa a través del cable de tierra. Cuando la corriente es lo suficientemente grande o la frecuencia de funcionamiento es lo suficientemente alta, la caída de tensión será lo suficientemente grande como para causar interferencia en el circuito. La interferencia acústica causada por el cable de tierra incluye principalmente la interferencia del bucle de puesta a tierra y la interferencia de acoplamiento de impedancia común.

Interferencia del bucle de tierra: cuando varias unidades funcionales están conectadas a un cable de tierra, si la corriente en el cable de tierra es lo suficientemente grande, se producirá una caída de tensión en los cables de conexión entre los dispositivos. Debido al desequilibrio de las características eléctricas entre los diferentes circuitos, la corriente en cada cable será diferente, por lo que se producirá un voltaje de modo diferencial, que afectará al circuito. Además, el campo electromagnético externo también puede inducir corriente en el circuito de puesta a tierra, lo que puede causar interferencia.

Interferencia acoplada de impedancia común; Cuando varias unidades funcionales comparten el mismo cable de tierra, el potencial de puesta a tierra de cada unidad se modula entre sí debido a la impedancia del cable de tierra, lo que causa interferencia entre las señales de cada unidad. En el circuito de alta frecuencia, el circuito está en funcionamiento de alta frecuencia y la Impedancia de puesta a tierra es generalmente grande. En este punto, la interferencia de acoplamiento de impedancia de modo común es especialmente obvia.

Hay dos maneras de eliminar el acoplamiento de impedancia común: una es reducir la Impedancia de la parte común de la tierra, De esta manera, el voltaje en el suelo común también se reducirá, Para controlar el acoplamiento de impedancia de modo común. Otro método es evitar la puesta a tierra común de circuitos que puedan interferir entre sí mediante una puesta a tierra adecuada.. Normalmente, Evitar la puesta a tierra compartida de circuitos de alta y baja corriente, Puesta a tierra común de circuitos digitales y analógicos. Como se mencionó anteriormente, El problema clave para reducir la impedancia del cable de tierra es reducir la Inductancia del cable de tierra. Esto incluye el uso de conductores planos como cables de tierra, Además, se utilizan muchos cables paralelos separados como cables de tierra.. Para Placa de circuito impreso, La impedancia del cable de tierra se puede reducir eficazmente mediante la colocación de la rejilla del cable de tierra en la placa de doble capa.. En un multilayer board, Una capa especial de tierra tiene poca Impedancia, Pero esto aumenta el costo de la placa de circuito. . El método de puesta a tierra para evitar la impedancia común mediante una puesta a tierra adecuada es la puesta a tierra paralela de un solo punto.. La desventaja de la puesta a tierra paralela es que hay demasiados cables de puesta a tierra. Por consiguiente,, En la práctica, Todos los circuitos no necesitan estar conectados a tierra en paralelo con un solo punto. Para circuitos con poca interferencia mutua, Se puede utilizar un solo punto de puesta a tierra en serie. Por ejemplo:, Los circuitos pueden clasificarse según señales fuertes, Señal débil, Señal analógica, Señal digital, Etc.., A continuación, se utiliza un solo punto de puesta a tierra en serie en circuitos similares., Y la puesta a tierra paralela de un solo punto de diferentes tipos de circuitos.

2.2 supresión del canal de acoplamiento

Los principales canales de acoplamiento de EMI en circuitos de alta velocidad incluyen acoplamiento radiativo, acoplamiento conductor, acoplamiento capacitivo, acoplamiento inductivo, acoplamiento de potencia y acoplamiento terrestre.

Para el acoplamiento de radiación, el principal método de supresión es utilizar el blindaje electromagnético para aislar eficazmente la fuente de interferencia y el objeto sensible.

Para el acoplamiento conductor, el método principal es organizar razonablemente la dirección de la línea de señal de alta velocidad en el proceso de enrutamiento de la señal. En la medida de lo posible, deben evitarse los cables utilizados en los terminales de entrada y salida para evitar la retroalimentación de la señal o la conversación cruzada. Se puede a ñadir un cable de tierra entre dos cables paralelos para aislarlos. Para los cables de señal conectados externamente, el conductor de entrada debe ser lo más corto posible y la Impedancia de entrada debe ser mayor. Es mejor enmascarar las líneas de entrada de señales analógicas. Cuando la Impedancia de la línea de señal en el tablero no coincide, la señal se refleja. Cuando la línea de impresión es larga, la Inductancia del circuito puede causar amortiguación y oscilación. A través de la resistencia de amortiguación en serie (el valor de resistencia es generalmente de 22 ½ 2 200 HM, el valor típico es de 470 HM), la oscilación se puede suprimir eficazmente, la capacidad anti - interferencia se puede mejorar y la forma de onda se puede mejorar.

Para la interferencia de acoplamiento entre Inductancia y Capacitancia, se pueden suprimir los siguientes dos aspectos: En primer lugar, la selección de los componentes adecuados, para Inductancia y Capacitancia, debe seleccionarse de acuerdo con las características de frecuencia de los diferentes componentes, para otros componentes, debe seleccionarse de acuerdo con las características de frecuencia de cada componente. Elija dispositivos con Inductancia parasitaria y Capacitancia más pequeña. Por otra parte, la disposición y el cableado deben llevarse a cabo razonablemente y deben evitarse en la medida de lo posible los cables paralelos de larga distancia. El cableado entre los puntos de interconexión eléctrica del circuito será el más corto. Los ángulos de las líneas de señal (especialmente las señales de alta frecuencia) se diseñarán en una dirección de 45 grados, o en un círculo o arco, y no se trazarán en ángulos inferiores o iguales a 90 grados. Los cables de la superficie de cableado adyacente adoptan la forma de trayectoria vertical, inclinada o curvada para reducir la Capacitancia parasitaria y la Inductancia a través del agujero. Cuanto más corto sea el plomo entre el orificio y el pin, más agujeros se pueden conectar en paralelo. O el uso de microporos para reducir la Inductancia equivalente. Al seleccionar el paquete de componentes, se debe seleccionar el paquete estándar para reducir la Impedancia de plomo y la Inductancia parasitaria causada por el desajuste del paquete.

Para el acoplamiento de la fuente de alimentación y la puesta a tierra, en primer lugar, se debe prestar atención a la reducción de la Impedancia de la línea de alimentación y la línea de tierra, y se deben tomar las medidas necesarias para la distorsión de la forma de onda y la oscilación causadas por la Impedancia de modo común, la conversación cruzada y la reflexión. Los condensadores de derivación se conectan entre las líneas de alimentación y los cables de tierra de cada circuito integrado para acortar la trayectoria de flujo de la corriente de conmutación. Los cables de alimentación y los cables de tierra están diseñados para ser de malla en lugar de peines. Esto se debe a que la forma de la cuadrícula puede acortar significativamente el circuito, reducir la Impedancia de la línea y reducir la interferencia. Cuando se instalan varios circuitos integrados en la placa de circuito impreso, y algunos componentes consumen mucha energía, y el cable de tierra tiene una gran diferencia de potencial, formando interferencia de impedancia común, se sugiere que el cable de tierra se diseñe como un circuito cerrado, que no tiene diferencia de potencial y tiene una alta tolerancia al ruido. Los cables se acortarán lo más posible y la puesta a tierra de cada circuito integrado se conectará a la puesta a tierra de entrada de la placa de circuito a la distancia más corta posible para reducir los picos producidos por los cables impresos. El cable de tierra y el cable de alimentación se ajustan a la dirección de transmisión de datos para mejorar la tolerancia al ruido del tablero de circuitos. Trate de utilizar una placa de circuito impreso multicapa para reducir la diferencia de potencial de tierra, reducir la Impedancia de la línea de alimentación y la conversación cruzada entre las líneas de señal. El cable de tierra debe ser lo más ancho posible cuando no haya multicapas y se utilicen paneles de doble cara. Por lo general, el cable de tierra debe ser más grueso para pasar tres veces la corriente real a través del cable. En la medida de lo posible, los cables de alimentación pública y los cables de tierra se distribuyen a ambos lados de la placa de circuito impreso. Un condensador de tantalio de 1 ¼f í ½ 10 ¼f está conectado al enchufe del bus de alimentación para desacoplar, y un condensador de cerámica de alta frecuencia de 0,01 ¼f ⅲ ½ 0,1 ¼f está conectado en paralelo con el condensador de desacoplamiento.

2.3 protección de objetos sensibles

La protección de los objetos sensibles se centra principalmente en dos aspectos. Por un lado, cortar el canal entre el objeto sensible y la interferencia electromagnética, por otro lado, reducir la sensibilidad del objeto sensible.

La sensibilidad del dispositivo electrónico es una espada de doble filo. Por un lado, los usuarios esperan que los dispositivos electrónicos tengan una alta sensibilidad para mejorar la capacidad de recibir señales; Por otra parte, una alta sensibilidad significa que son más susceptibles al ruido. Por consiguiente, la sensibilidad del equipo electrónico debe determinarse caso por caso.

En el caso de los dispositivos electrónicos analógicos, el método habitual es utilizar circuitos preferidos, como el diseño de circuitos de bajo ruido, la reducción del ancho de banda, la supresión de la transmisión de interferencias, el equilibrio de la entrada, la supresión de interferencias y la selección de fuentes de alimentación de alta calidad. Estos métodos pueden reducir eficazmente la sensibilidad de los equipos electrónicos a las interferencias electromagnéticas y mejorar la capacidad de lucha contra las interferencias de los equipos.

En el caso de los equipos electrónicos digitales, se utilizarán circuitos digitales con una alta tolerancia al ruido DC cuando el índice de funcionamiento lo permita. Por ejemplo, la tolerancia al ruido DC del circuito digital CMOS es mucho mayor que la del circuito digital ttl; Si el indicador lo permite, trate de utilizar circuitos digitales de baja velocidad de conmutación, ya que cuanto mayor sea la velocidad de conmutación, más rápido será el cambio de tensión o corriente resultante, más fácil será la interferencia de acoplamiento entre circuitos; En la premisa de que el circuito es aceptable, la tensión umbral debe aumentarse en la medida de lo posible, y la tensión umbral debe aumentarse mediante la instalación de un divisor de tensión o un regulador de tensión en la parte delantera del circuito. Utilizando el método de emparejamiento de impedancia de carga, la transmisión de señal digital se puede eliminar incluso si la Impedancia de carga es igual a la Impedancia de onda de la línea de señal. La deformación resultante de la refracción y la reflexión. En general, la protección de los objetos sensibles debe combinarse con el blindaje de la fuente de interferencia y la supresión del canal de acoplamiento, y los experimentos repetidos deben llevarse a cabo de acuerdo con la situación real para lograr el mejor efecto de protección.

Resumen

Análisis y diseño de la compatibilidad electromagnética Placa de circuito de alta velocidad Es un trabajo muy sistemático, necesita acumular mucha experiencia de trabajo. El diseño de compatibilidad electromagnética es una de las claves para que el sistema electrónico pueda realizar la función y alcanzar el objetivo de diseño.. Con el aumento de la complejidad y la frecuencia de funcionamiento del sistema electrónico, El diseño de compatibilidad electromagnética desempeñará un papel cada vez más importante en el diseño electrónico.. Más importante aún.