Tecnología de PCB - Tecnología de control EMC / emi en el diseño de PCB

Con la mejora de la integración de loS dispositivos de Ci, Miniaturización gradual del equipo y aumento de la velocidad del equipo, El problema de la interferencia electromagnética en los productos electrónicos se está volviendo cada vez más grave. Desde la perspectiva de EMC/Diseño de la interferencia electromagnética del equipo del sistema, Manejo correcto de EMC/El problema del IME en Diseño de Placa de circuito impreso La fase de equipo es el método más eficaz y de menor costo para que el equipo del sistema cumpla las normas de compatibilidad electromagnética.. Este artículo introduce la tecnología de control del IME en circuitos digitales Diseño de Placa de circuito impreso.

Principio de generación y supresión de interferencias electromagnéticas

La generación del IME es causada por la transmisión de energía de la fuente de interferencia electromagnética al sistema sensible a través de la trayectoria de acoplamiento. Incluye tres formas básicas: conducción a través de cables o puesta a tierra común, radiación espacial o acoplamiento de campo cercano. El peligro del IME es reducir la calidad de la señal transmitida, causar interferencia o incluso daños al circuito o equipo, y hacer que el equipo no pueda cumplir los requisitos de la norma EMC.

Para suprimir el IME, el diseño del IME de los circuitos digitales debe basarse en los siguientes principios:

De acuerdo con las especificaciones técnicas pertinentes de EMC / EMI, los índices se dividen en circuitos de una sola placa y se controlan a diferentes niveles.

El circuito tiene una respuesta de frecuencia plana y garantiza el funcionamiento normal y estable del circuito mediante el control de la fuente de interferencia, la trayectoria de acoplamiento de energía y el sistema sensible.

Comenzando con el diseño frontal del equipo, preste atención al diseño EMC / emi para reducir el costo del diseño.

2 EMI control technology of digital circuit Placa de circuito impreso

Los problemas específicos deben analizarse en detalle al abordar diversas formas de EMI. En el diseño de Placa de circuito impreso de circuitos digitales, el IME se puede controlar de la siguiente manera.

2.1 selección de equipo

Al diseñar el IME, primero debemos considerar la velocidad del dispositivo seleccionado. En cualquier Circuito, si un dispositivo con un tiempo de subida de 5 NS se sustituye por un dispositivo con un tiempo de subida de 2,5 ns, el IME se incrementa aproximadamente cuatro veces. La intensidad de radiación del IME es proporcional al cuadrado de la frecuencia. La frecuencia EMI más alta (fknee) también se conoce como el ancho de banda de transmisión EMI. Es una función del tiempo de subida de la señal en lugar de la frecuencia de la señal: fknee = 0,35 / TR (donde tr es el tiempo de subida de la señal del dispositivo)

La radiación EMI tiene un rango de frecuencia de 30 MHz a varios GHz. En esta banda de frecuencia, la longitud de onda es muy corta, e incluso el cableado muy corto en el tablero de circuitos puede convertirse en una antena transmisora. Cuando el IME es alto, el circuito puede perder fácilmente su función normal. Por lo tanto, el chip de baja velocidad debe utilizarse en la medida de lo posible y el circuito de conducción / recepción adecuado debe utilizarse en la selección del dispositivo, siempre que se garantice el rendimiento del circuito. Además, debido a la Inductancia parasitaria y la Capacitancia parasitaria de los pines de plomo del dispositivo, la influencia de la forma de embalaje del dispositivo en la señal no puede ser ignorada en el diseño de alta velocidad, ya que también es un factor importante para producir radiación EMI. En general, los parámetros parasitarios del dispositivo SMD son menores que los del dispositivo plug - in, y los parámetros parasitarios del paquete bga son menores que los del paquete qfp.

2.2 selección de conectores y definición de terminales de señal

El conector es un eslabón clave en la transmisión de señales de alta velocidad, y también es un eslabón débil que es fácil de generar interferencia electromagnética. Se pueden colocar más pines de tierra en el diseño terminal del conector para reducir la distancia entre la señal y la tierra, reducir el área efectiva del bucle de señal que genera radiación en el conector y proporcionar una ruta de retorno de baja impedancia. Si es necesario, considere el uso de alfileres de tierra para aislar algunas señales críticas.

2.3 diseño de apilamiento

La radiación EMI puede reducirse aumentando el número de capas del plano de puesta a tierra y acercando la capa de señal al plano de puesta a tierra, siempre que el costo lo permita. Para Placa de circuito impreso de alta velocidad, el plano de alimentación y el plano de puesta a tierra están estrechamente acoplados, lo que puede reducir la Impedancia de alimentación y, por lo tanto, el IME.

2.4 Diseño

De acuerdo con el flujo de corriente de la señal, una disposición razonable puede reducir la interferencia entre las señales. Un diseño razonable es la clave para controlar el IME. Los principios básicos del diseño son:

La señal analógica es susceptible a la interferencia de la señal digital, y el circuito analógico debe separarse del circuito digital.

Las líneas de reloj son la principal fuente de interferencia y radiación. Manténgase alejado del circuito sensible y mantenga la línea de reloj más corta;

En la medida de lo posible, debe evitarse el uso de circuitos de alta corriente y alta potencia en la zona central de la placa de Circuito, y debe tenerse en cuenta la influencia de la disipación de calor y la radiación;

En la medida de lo posible, los conectores se colocarán en un lado del tablero de circuitos y se mantendrán alejados de los circuitos de alta frecuencia;

El circuito de entrada / salida está cerca del conector correspondiente y el condensador de desacoplamiento está cerca del pin de Alimentación correspondiente.

Teniendo plenamente en cuenta la viabilidad de la distribución de la partición de la fuente de alimentación, los equipos de múltiples fuentes de alimentación deben colocarse a través de los límites de la partición de la fuente de alimentación para reducir eficazmente la influencia de la partición plana en el IME;

El plano de retorno (ruta) no está dividido.

2.5 cableado

Control de impedancia: la línea de señal de alta velocidad presentará las características de la línea de transmisión, que requiere control de impedancia para evitar la reflexión de la señal, el exceso de impulso y el zumbido, y reducir la radiación EMI.

Las señales se clasifican de acuerdo a la intensidad y sensibilidad de la radiación EMI de diferentes señales (señal analógica, señal de reloj, señal de E / S, bus, fuente de alimentación, etc.), y la fuente de interferencia y el sistema sensible se separan en la medida de lo posible para reducir el acoplamiento.

Controlar estrictamente la longitud del rastro, el número de agujeros, el área de partición, la terminal, la capa de cableado y la ruta de retorno de la señal del reloj (especialmente la señal del reloj de alta velocidad).

.Bucle de señal, Eso es, Un bucle formado por una señal de salida y una señal de entrada, Es la clave del control del IME Diseño de Placa de circuito impreso Y debe controlarse durante el cableado. Entender el flujo de cada señal clave, La señal clave debe estar cerca de la ruta de retorno para asegurar que su área de bucle es mínima..

Para las señales de baja frecuencia, la corriente fluye a través de la ruta con la menor resistencia; Para las señales de alta frecuencia, la corriente de alta frecuencia fluye a través de la ruta de Inductancia más pequeña en lugar de la ruta de resistencia más pequeña (ver figura 1). Para la radiación de modo diferencial, la intensidad de la radiación EMI (e) es proporcional al cuadrado de la corriente, el área del bucle de corriente y la frecuencia. (I es la corriente, a es el área del bucle, F es la frecuencia, R es la distancia al Centro del bucle, y k es constante.)

Por lo tanto, cuando la trayectoria mínima de retorno de Inductancia está justo debajo de la línea de señal, el área del bucle de corriente se puede reducir, reduciendo así la energía de radiación EMI.

Las señales críticas no deben pasar a través de las regiones segmentadas.

El cableado de señales diferenciales de alta velocidad debe acoplarse lo más estrechamente posible.

Asegúrese de que la línea de banda, la línea MICROSTRIP y su plano de referencia cumplen los requisitos.

El plomo del condensador de desacoplamiento debe ser corto y ancho.

Todas las trazas de señal deben estar lo más lejos posible del borde del tablero.

Para las redes de conexión multipunto, se selecciona una topología adecuada para reducir la reflexión de la señal y la radiación EMI.

2.6 segmentación del plano de alimentación

Segmentación de la capa de energía

Cuando haya una o más Sub - fuentes de alimentación en el plano de alimentación principal, asegúrese de que cada área de alimentación es continua y tiene suficiente ancho de cobre. La línea de demarcación no tiene que ser demasiado amplia, por lo general 20 - 50 mils de ancho de línea es suficiente para reducir la radiación intersticial.

Separación de la capa inferior

El plano de puesta a tierra debe mantenerse intacto para evitar la fragmentación. Si es necesario separarse, la puesta a tierra digital, la puesta a tierra analógica y la puesta a tierra acústica deben distinguirse y conectarse a la puesta a tierra externa a través de un punto de tierra común en la salida.

Para reducir la radiación de borde de la fuente de alimentación, el plano de la fuente de alimentación / puesta a tierra debe seguir el principio de diseño de 20h, es decir, el tamaño del plano de puesta a tierra es 20h mayor que el del plano de la fuente de alimentación (véase la figura 2), por lo que la intensidad de radiación del campo de borde puede reducirse en un 70%.

3. Otros métodos de control del IME

3.1 diseño del sistema eléctrico

El sistema de potencia de baja impedancia está diseñado para asegurar que la impedancia del sistema de distribución sea inferior a la impedancia objetivo en un rango de frecuencia inferior a fknee.

El filtro se utiliza para controlar la interferencia conducida.

Desacoplamiento de potencia. En el diseño del IME, proporcionar un condensador de desacoplamiento razonable puede hacer que el chip funcione de manera fiable, reducir el ruido de alta frecuencia en la fuente de alimentación y reducir el IME. Debido a la influencia de la Inductancia del conductor y otros parámetros parasitarios, la velocidad de respuesta de la fuente de alimentación y su conductor es lenta, lo que hace que la corriente instantánea necesaria para el conductor en el circuito de alta velocidad sea insuficiente. El condensador de derivación o desacoplamiento y el condensador distribuido de la capa de alimentación están diseñados razonablemente para que el efecto de almacenamiento de energía del condensador pueda ser utilizado para suministrar corriente al equipo rápidamente antes de la respuesta de la fuente de alimentación. El desacoplamiento correcto de la Capacitancia puede proporcionar una ruta de baja impedancia, que es la clave para reducir el IME de modo común.

3.2 puesta a tierra

El diseño de la puesta a tierra es la clave para reducir el IME de toda la placa de circuito.

Asegúrese de utilizar tierra de un solo punto, tierra de varios puntos o tierra mixta.

La puesta a tierra digital, la puesta a tierra analógica y la puesta a tierra acústica se separarán y se determinarán los puntos comunes de puesta a tierra adecuados.

Si no hay capa de tierra en el diseño de la placa de doble cara, es muy importante diseñar razonablemente la rejilla de tierra y asegurar la anchura de la tierra > ancho de la línea de alimentación > ancho de la línea de señal. También se puede utilizar un método de pavimentación de gran superficie, pero se debe prestar atención a la continuidad de gran superficie en el mismo piso.

Para el diseño de placas multicapas, asegúrese de tener una capa plana de tierra para reducir la impedancia común de tierra.

3.3 resistencias de amortiguación conectadas en serie

Bajo la condición de que la secuencia del circuito lo permita, la técnica básica para suprimir la fuente de interferencia es conectar una pequeña resistencia en serie en la salida de la señal clave, generalmente 22 - 33 resistencia. Estas pequeñas resistencias en serie en el extremo de salida pueden ralentizar el tiempo de subida / caída, suavizar las señales de sobrealimentación y baja, reduciendo así la amplitud armónica de alta frecuencia de la forma de onda de salida, y lograr el objetivo de suprimir eficazmente el IME.

3.4 blindaje

Los componentes clave pueden utilizar material de blindaje EMI o malla de blindaje.

El blindaje de las señales críticas puede diseñarse como una línea de cinta o estar separado por un cable de tierra a ambos lados de la señal crítica.

3.5 espectro extendido

El método de espectro extendido es un nuevo método eficaz para reducir el IME. El espectro extendido es una señal modulada que extiende la energía de la señal a un rango de frecuencia relativamente amplio. De hecho, el método es una modulación controlada de la señal del reloj y no aumenta significativamente el nerviosismo de la señal del reloj. La aplicación práctica demuestra que la tecnología de espectro extendido es eficaz y puede reducir la radiación en 7 - 20db.

3.6 análisis y ensayo del IME

Análisis de simulación

Una vez terminado el cableado de Placa de circuito impreso, se puede utilizar el software de simulación EMI y el sistema experto para simular el entorno EMC / emi y evaluar si el producto cumple los requisitos de las normas EMC.

Prueba de escaneo

Escanea los discos de la máquina ensamblados y energizados con un escáner de radiación electromagnética para obtener la distribución del campo electromagnético en Placa de circuito impreso (as shown in Figure 3, Rojo, Verde, and blue-white areas in the figure indicate the electromagnetic radiation energy from low to high). De acuerdo con los resultados de las pruebas, Diseño de Placa de circuito impreso Mejora.

4 Resumen

Con el desarrollo y la aplicación de nuevos chips de alta velocidad, Frecuencia de la señal cada vez mayor, Y Placa de circuito impreso Board that carry them may become smaller and smaller. Diseño de Placa de circuito impreso Se enfrentará a un desafío más grave de interferencia electromagnética. Sólo la exploración y la innovación constantes pueden hacer que EMC/Diseño de interferencia electromagnética Placa de circuito impreso El éxito de la Junta.