Conception électronique - EMC analyse et conception de circuits haute vitesse

La compatibilité électromagnétique signifie que les systèmes et équipements électriques et électroniques ne sont pas endommagés ou détériorés à des performances irréparables par des interférences électromagnétiques externes lorsqu'ils fonctionnent dans un environnement électromagnétique particulier à un niveau déterminé dans les limites de sécurité spécifiées. Dans le même temps, ils produisent un rayonnement électromagnétique qui ne dépasse pas le niveau limite vérifié et qui n'affecte pas le fonctionnement normal d'autres dispositifs ou systèmes électroniques, de sorte que l'objectif de l'équipement et de l'équipement, du système et du système ne soit pas interféré l'un avec l'autre, fonctionnant de manière fiable et collaborative.

1 facteurs de compatibilité électromagnétique

(1) Caractéristiques de fréquence de la résistance. Dans un circuit numérique, la fonction principale d'une résistance est de limiter le courant et de déterminer un niveau fixe. Dans un circuit haute fréquence, la capacité parasite haute fréquence présente aux bornes de la résistance peut nuire aux caractéristiques normales du circuit. L'inductance de broche de la même résistance a une grande influence sur la CEM du circuit.

(2) Caractéristiques de fréquence du condensateur. Les condensateurs sont généralement utilisés dans les bus d'alimentation. Ils assurent le découplage, le contournement et maintiennent une tension et un courant continu fixes. Cependant, dans un circuit haute fréquence, lorsque la fréquence de fonctionnement du circuit dépasse la fréquence d'auto - résonance du condensateur, son inductance parasite fait que le condensateur se comporte comme une propriété inductive, perdant ainsi sa fonction d'origine, affectant les performances du circuit.

(3) Caractéristiques de fréquence de l'inductance. L'inducteur est utilisé pour contrôler l'EMI dans le PCB. Lorsque la fréquence de fonctionnement du circuit augmente, l'impédance équivalente de l'inductance augmente avec la fréquence. Lorsque la fréquence de fonctionnement du circuit dépasse la limite supérieure de la fréquence de fonctionnement de l'inductance, l'inductance affecte le fonctionnement normal du circuit.

(4) Caractéristiques de fréquence du fil. Les traces sur le PCB et les fils des composants ont des inductances et des capacités parasites. Ces inductances et capacités parasites peuvent affecter les caractéristiques fréquentielles des fils électriques, ce qui peut entraîner une résonance entre les composants et les fils électriques, ce qui fait que les fils deviennent des interférences électromagnétiques. Typiquement, les fils présentent des propriétés résistives dans la bande basse et des propriétés inductives dans la bande haute. Ainsi, sur un PCB, il est généralement nécessaire que la longueur du fil soit inférieure au vingtième de la longueur d'onde de la fréquence de fonctionnement pour éviter que le fil ne devienne une source d'interférences électromagnétiques.

(5) Électricité statique. Les problèmes de décharge électrostatique sont devenus une nuisance majeure pour les produits électroniques et peuvent causer des dommages permanents aux produits. Par conséquent, dans la conception du produit, les mesures de protection électrostatique correspondantes doivent être prises. Les mesures antistatiques couramment utilisées comprennent le choix d'un matériau antistatique, l'adoption de mesures d'isolation électrique, l'amélioration de la résistance isolante du produit, la mise en place d'un bon blindage électrostatique et d'un canal de décharge.

(6) alimentation électrique. Avec l'application généralisée de l'alimentation à découpage haute fréquence et l'augmentation continue de la charge du système d'alimentation, le problème d'interférence de l'alimentation sur le produit devient progressivement un facteur important affectant les caractéristiques EMC du produit. Par conséquent, certains appareils sensibles vulnérables aux interférences n'utilisent pas directement d'alimentation en courant alternatif, mais passent plutôt à une alimentation en courant continu. Bien que cela augmente la complexité et le coût du système, il améliore efficacement la stabilité du système.

(7) la foudre. La foudre est essentiellement un puissant processus de décharge électrostatique qui neutralise les charges positives et négatives. La forte impulsion électromagnétique qui en résulte est la principale cause de dommages à divers appareils électroniques. Les effets de la foudre sur les appareils électroniques comprennent la foudre directe et la foudre induite. De nos jours, une variété d'appareils électroniques d'intérieur ne sont généralement pas sensibles aux mines à impact direct, mais ils sont toujours vulnérables aux dommages causés par les mines à induction. Pour assurer un fonctionnement sûr des appareils électroniques, ceux - ci doivent être protégés de la foudre. Les mesures de protection contre la foudre couramment utilisées comprennent l'installation de paratonnerres, l'installation de parafoudres et de câbles de protection contre la foudre.

2 Éléments de compatibilité électromagnétique

Des études théoriques et pratiques ont montré que toute perturbation électromagnétique, qu'il s'agisse d'un système complexe ou d'un simple appareil, doit répondre à trois conditions essentielles: la présence d'une certaine source de perturbation, un canal de couplage complet avec perturbation et la réponse de l'objet perturbé.

2.1 Sources de perturbations électromagnétiques

Une source de perturbation électromagnétique est tout élément, dispositif, équipement, système ou phénomène naturel qui produit une perturbation électromagnétique. Les circuits haute fréquence sont particulièrement sensibles aux perturbations électromagnétiques et nécessitent donc de nombreuses mesures pour les supprimer. On sait par analyse théorique et expérimentale que, dans les circuits à haute fréquence, les perturbations électromagnétiques proviennent principalement des aspects suivants:

(1) Interférence sonore générée par le fonctionnement de l'équipement

(A) les interférences électromagnétiques sont générées lorsque le circuit numérique fonctionne.

(b) perturbation du champ électromagnétique causée par des variations de tension et de courant du signal.

(2) interférence de bruit de signal à haute fréquence

(A) diaphonie: cela signifie que lorsque le signal est transféré sur un canal de transmission, il a un effet indésirable sur les lignes de transmission adjacentes en raison du couplage électromagnétique. Le signal perturbé semble injecté avec une certaine tension de couplage et un certain courant de couplage. Trop de diaphonie peut provoquer un mauvais déclenchement du circuit, un retard dans le temps et empêcher le système de fonctionner correctement.

B) Perte de retour: lorsqu'un signal haute fréquence est transmis dans des câbles et des équipements de communication, il réfléchit le signal lorsqu'il rencontre une impédance d'onde inégale. Non seulement cette réflexion augmente les pertes de transmission du signal, mais la distorsion du signal transmis a également un impact important sur les performances de transmission.

(3) interférence de bruit de puissance

Le bruit d'alimentation dans un PCB se compose principalement du bruit généré par l'alimentation elle - même ou du bruit causé par des perturbations et se manifeste principalement par: 1. Le bruit distribué causé par l'impédance intrinsèque de la source elle - même; 2. Interférence de champ de mode commun; 3. Interférence de champ de mode différentiel; 4. Interférence de ligne à ligne; 5. Couplage de ligne électrique.

(4) perturbation du bruit au sol

En raison de la résistance et de l'impédance sur la ligne de masse, une chute de tension se produit lorsque le courant traverse la ligne de masse. Lorsque le courant est suffisamment important ou que la fréquence de fonctionnement est suffisamment élevée, la chute de tension sera suffisamment importante pour perturber le circuit. Les perturbations de bruit induites par les lignes de masse comprennent principalement des perturbations de boucle de terre et des perturbations de couplage co - Impédance.

(A) interférence de boucle de terre: lorsque plusieurs unités fonctionnelles sont connectées à la ligne de terre, si le courant dans la ligne de terre est suffisamment élevé, une chute de tension sera générée sur les câbles de connexion entre les appareils. En raison du déséquilibre des caractéristiques électriques entre les différents circuits, le courant sur chaque fil sera différent et, par conséquent, une tension de mode différentiel sera générée qui affectera le circuit. En outre, un champ électromagnétique externe peut également induire un courant dans la boucle de masse, ce qui provoque des perturbations.

B) interférence de couplage co - Impédance; Lorsque plusieurs cellules fonctionnelles partagent une même ligne de masse, les potentiels de masse de chaque cellule sont modulés les uns par rapport aux autres en raison de la présence de l'impédance de la ligne de masse, ce qui entraîne des interférences entre les signaux de chaque cellule. Dans un circuit à haute fréquence, le circuit est dans un état de fonctionnement à haute fréquence et l'impédance de masse est généralement importante. A ce stade, les perturbations courantes du couplage d'impédance sont particulièrement prononcées.

Il existe deux façons d'éliminer le couplage co - Impédance: l'une consiste à réduire l'impédance de la partie CO - masse de sorte que la tension sur la co - masse diminue également, contrôlant ainsi le couplage co - Impédance. Une autre méthode consiste à éviter une mise à la terre commune des circuits susceptibles de s'interférer les uns avec les autres par une mise à la terre appropriée. Il est généralement nécessaire d'éviter la mise à la masse commune des circuits à courant élevé et des circuits électriques faibles, et d'éviter la mise à la masse commune des circuits numériques et analogiques. Comme mentionné précédemment, le problème central de la réduction de l'impédance de la ligne de masse est de réduire l'inductance de la ligne de masse. Cela inclut l'utilisation de conducteurs plats comme lignes de masse et l'utilisation de plusieurs conducteurs parallèles distants comme lignes de masse. Pour une carte de circuit imprimé, la pose d'une grille de ligne de terre sur une carte à double couche peut réduire efficacement l'impédance de la ligne de terre. Dans une carte multicouche, une couche spéciale d'impédance de ligne de masse est faible, mais augmente le coût de la carte. La méthode de mise à la terre pour éviter la co - Impédance par une mise à la terre appropriée est une mise à la terre à point unique en parallèle. L'inconvénient de la mise à la terre parallèle est qu'il y a trop de lignes de terre. Ainsi, en pratique, tous les circuits ne doivent pas nécessairement être connectés en parallèle avec un point de masse unique. Pour les circuits qui interfèrent moins les uns avec les autres, il est possible d'utiliser un point de masse unique en série. Par example, les circuits peuvent être classés en fonction d'un signal fort, d'un signal faible, d'un signal analogique, d'un signal numérique, etc., puis utiliser un point de masse unique en série dans un circuit similaire et un point de masse unique en parallèle dans différents types de circuits.

2.2 inhibition des canaux de couplage

Les principaux canaux de couplage des perturbations électromagnétiques dans les circuits à grande vitesse comprennent le couplage radiatif, le couplage par conduction, le couplage capacitif, le couplage inductif, le couplage de puissance et le couplage à la masse.

Pour le couplage radiatif, la principale méthode d'inhibition consiste à utiliser un blindage électromagnétique qui isole efficacement la source de perturbation de l'objet sensible.

Pour le couplage conducteur, la méthode principale consiste à organiser rationnellement l'orientation des lignes de signal à grande vitesse lors du câblage du signal. L'utilisation de fils pour les bornes d'entrée et de sortie doit être évitée autant que possible pour éviter la rétroaction du signal ou la diaphonie. Un fil de terre peut être ajouté entre deux fils parallèles pour les isoler. Pour les lignes de signal de connexion externes, les conducteurs d'entrée doivent être raccourcis autant que possible et l'impédance d'entrée augmentée. Il est préférable de masquer la ligne d'entrée du signal analogique. Lorsque l'impédance des lignes de signal sur la plaque ne correspond pas, cela provoque une réflexion du signal. Lorsque le fil imprimé est long, l'inductance du circuit provoque un amortissement et des oscillations. En amortissant les résistances en série (valeurs de résistance typiquement 22 ½ 2 200 HM, typiquement 470 HM), il est possible de supprimer efficacement les oscillations, de renforcer la résistance aux interférences et d'améliorer la forme d'onde.

Pour les perturbations de couplage de l'inductance et de la capacité, la suppression peut être effectuée de deux manières: d'une part, le choix des éléments appropriés, pour l'inductance et la capacité électrostatique, doit être choisi en fonction des caractéristiques fréquentielles des différents éléments et, pour les autres éléments, en fonction des caractéristiques fréquentielles des Autres éléments. Choisissez des appareils avec moins d'inductance parasite et de capacité. D'autre part, la disposition et le câblage doivent être raisonnables, en évitant autant que possible le câblage parallèle sur de longues distances. Le câblage entre les points d'interconnexion électrique dans le circuit doit être le plus court. Les angles des lignes de signaux (en particulier les signaux à haute fréquence) doivent être conçus dans une direction de 45 degrés, ou arrondis ou en arc de cercle, et ne doivent pas être tracés à un angle inférieur ou égal à 90 degrés. Les fils de surface de câblage adjacents prennent la forme de traces verticales, inclinées ou incurvées pour réduire la capacité parasite et l'inductance des porosités. Plus le cordon entre le trou et la broche est court, mieux c'est, plusieurs trous en parallèle peuvent être envisagés. Ou réduire les pores pour réduire l'inductance équivalente. Lors du choix d'un boîtier d'élément, un boîtier standard doit être choisi de manière à réduire l'impédance de la sonde et l'inductance parasite résultant d'une désadaptation du boîtier.

Pour le couplage d'alimentation et le couplage à la terre, il convient tout d'abord de prendre soin de réduire l'impédance des lignes d'alimentation et de terre et de prendre les mesures nécessaires contre les distorsions de forme d'onde et les oscillations induites par l'impédance commune, la diaphonie et la réflexion. Un condensateur de dérivation est connecté entre la ligne d'alimentation et la ligne de masse de chaque circuit intégré pour raccourcir le chemin de circulation du courant de commutation. Les lignes d'alimentation et de terre sont conçues en forme de grille plutôt qu'en forme de peigne. C'est parce que la forme de la grille peut raccourcir considérablement la boucle du circuit, réduire l'impédance de la ligne et réduire les interférences. Lorsque plusieurs circuits intégrés sont montés sur une carte de circuit imprimé et que certains composants consomment beaucoup d'énergie et que la ligne de masse présente une grande différence de potentiel, formant une interférence d'impédance commune, il est recommandé de concevoir la ligne de masse en boucle fermée sans potentiel Poor, avec une tolérance au bruit plus élevée. Les conducteurs doivent être aussi courts que possible et la masse de chaque circuit intégré doit être connectée à la masse d'entrée de la carte à la distance la plus courte possible afin de réduire les pics générés par les fils imprimés. Gardez les lignes de terre et d'alimentation dans la même direction que le sens de transmission des données pour améliorer la tolérance au bruit de la carte. Essayez d'utiliser une carte de circuit imprimé multicouche pour réduire la différence de potentiel de terre et réduire la diaphonie entre l'impédance de la ligne d'alimentation et la ligne de signal. Lorsqu'il n'y a pas de panneaux multicouches et qu'un panneau double face doit être utilisé, le fil de terre doit être aussi large que possible. En général, le fil de terre doit être plus épais pour traverser 3 fois le courant réel qui traverse le fil. Les cordons d'alimentation publics et les cordons de terre sont distribués le plus possible sur les bords des deux côtés de la plaque d'impression. Connectez un condensateur au tantale de 1°fï½ 10°f à la prise du bus d'alimentation pour le découplage et un condensateur en céramique haute fréquence de 0,01°fï½ 0,1°f en parallèle avec le condensateur de découplage.

2.3 protection des objets sensibles

La protection des objets sensibles se concentre principalement sur deux aspects. D'une part, le passage entre l'objet sensible et les perturbations électromagnétiques est coupé. D'autre part, la sensibilité de l'objet sensible est réduite.

La sensibilité de l'électronique est une épée à double tranchant. D'une part, l'utilisateur souhaite que le dispositif électronique présente une sensibilité élevée pour améliorer la capacité de réception du signal; D'autre part, une sensibilité élevée signifie également qu'ils sont plus sensibles au bruit. La sensibilité de l'électronique doit donc être déterminée au cas par cas.

Pour l'électronique analogique, l'approche généralement adoptée consiste à utiliser des circuits préférés tels que la conception de circuits à faible bruit, la réduction de la bande passante, la suppression de la transmission des interférences, l'équilibrage des entrées, la suppression des interférences, le choix d'une alimentation de haute qualité. Grâce à ces méthodes, il est possible de réduire efficacement la sensibilité de l'électronique aux interférences électromagnétiques et d'améliorer la capacité anti - interférence de l'appareil.

Pour les appareils électroniques numériques, des circuits numériques présentant une tolérance élevée au bruit continu doivent être utilisés lorsque les indicateurs de fonctionnement le permettent. Par example, la tolérance au bruit continu d'un circuit numérique CMOS est bien supérieure à celle d'un circuit numérique TTL; Lorsque l'indicateur le permet, essayez d'utiliser des circuits numériques avec des vitesses de commutation plus faibles, car plus la vitesse de commutation est élevée, plus les variations de tension ou de courant induites sont rapides et plus les perturbations de couplage entre les circuits sont susceptibles de se produire; Dans la mesure du possible, la tension de seuil doit être relevée à condition qu'elle soit acceptable dans le circuit, et la tension de seuil doit être relevée en plaçant un diviseur de tension ou un tube de régulation devant le circuit; Même si l'impédance de charge est égale à l'impédance d'onde de la ligne de signal, la méthode d'adaptation d'impédance de charge est utilisée pour éliminer la transmission de signaux numériques. Distorsion due à la réfraction et à la réflexion pendant le processus. Dans des conditions normales, la protection des objets sensibles doit être utilisée en combinaison avec le blindage de la source d'interférence et l'inhibition du canal de couplage, et nécessite des expérimentations répétées dans la pratique en fonction de la situation réelle pour obtenir un effet de protection optimal.

Résumé

L'analyse de la compatibilité électromagnétique et la conception de cartes de circuits à grande vitesse est un travail très systématique qui nécessite une grande accumulation d'expérience de travail. La conception de la compatibilité électromagnétique est l'une des clés pour savoir si un système électronique peut fonctionner et répondre aux indicateurs de conception. À mesure que la complexité des systèmes électroniques augmente et que la fréquence de fonctionnement augmente, la conception de la compatibilité électromagnétique occupera une place de plus en plus importante dans la conception électronique. Plus important encore.