L'actualité PCB - Étude de compatibilité électromagnétique de la carte PCB de puissance

Avec l'amélioration des performances des dispositifs semi - conducteurs de puissance et l'innovation dans la technologie de commutation, la technologie de l'électronique de puissance a été largement utilisée dans divers dispositifs d'alimentation. À l'heure actuelle, les produits d'alimentation à découpage ont tendance à être de petite taille, PCB haute vitesse et haute densité. Cette tendance conduit à des problèmes croissants de compatibilité électromagnétique. Le processus de commutation à haute fréquence de la tension et du courant produit de grandes quantités d'EMI (interférences électromagnétiques). Si cette partie de la perturbation n'est pas limitée, elle affectera gravement le bon fonctionnement des équipements électriques environnants. Par conséquent, la conception de PCB pour les alimentations à découpage est un aspect important pour résoudre les problèmes de compatibilité électromagnétique des alimentations à découpage. La raison pour laquelle le PCB est considéré comme un composant essentiel et indispensable dans la conception de l'alimentation à découpage est qu'il est responsable de la double connexion des composants électriques et mécaniques de l'alimentation à découpage, ce qui est essentiel pour réduire la conception de l'électronique EMI.

1 interférence électromagnétique dans la conception de PCB

1.1 interférence de couplage électromagnétique

Dans la conception des circuits, les interférences de couplage électromagnétique affectent d'autres circuits principalement par le couplage par conduction et le couplage d'impédance de mode commun. Du point de vue de la conception Cem, les circuits d'alimentation à découpage sont différents des circuits numériques ordinaires, avec des sources d'interférence relativement évidentes et des lignes sensibles. D'une manière générale, les sources d'interférence des alimentations à découpage sont principalement concentrées sur les éléments et les fils à grande vitesse de variation de tension et de courant tels que les FET de puissance, les diodes à récupération rapide, les transformateurs haute fréquence et les fils auxquels ils sont connectés. Par lignes sensibles, on entend principalement les circuits de commande et les lignes directement connectées aux dispositifs de mesure des perturbations, car ces couplages perturbateurs peuvent affecter directement le bon fonctionnement du circuit et le niveau des perturbations transmises à l'extérieur. Par couplage d'impédance de mode commun, on entend que lorsque les courants de deux circuits traversent une impédance commune, la tension formée par la tension d'un circuit sur l'impédance commune affecte l'autre circuit.

1.2 interférence diaphonique

L'interférence diaphonique entre les bandes, les lignes et les câbles dans une carte de circuit imprimé est l'un des problèmes les plus difficiles à surmonter dans un circuit de carte de circuit imprimé. Par diaphonie, on entend ici diaphonie dans un sens plus large, que la source soit un signal utile ou un bruit, la diaphonie étant représentée par la capacité mutuelle et l'inductance mutuelle des fils. Par example, une ligne à ruban sur un PCB porte des niveaux de commande et logiques et une deuxième ligne à ruban proche de celle - ci porte un signal de niveau bas. Des interférences diaphoniques sont attendues lorsque la longueur du câblage parallèle dépasse 10 cm; L'interférence diaphonique devient également un problème majeur lorsqu'un long câble transporte plusieurs ensembles de données haute vitesse et de lignes de télécommande en série ou en parallèle. La diaphonie entre fils et câbles adjacents est provoquée par un champ électrique passant par une capacité mutuelle et par un champ magnétique passant par une inductance mutuelle.

Lorsque l'on considère les problèmes de diaphonie dans les bandes de PCB, la principale question est de déterminer lequel des couplages de champ électrique (intercompétence) et de champ magnétique (inductance mutuelle) est le plus important. La détermination du modèle de couplage dépend principalement de facteurs tels que l'impédance de la ligne, la fréquence, etc. En général, le couplage capacitif prédomine aux hautes fréquences, mais si l'une ou les deux sources ou récepteurs utilisent un câble blindé et sont connectés à la masse aux deux extrémités du blindage, le couplage par champ magnétique prédominera. De plus, la faible impédance du circuit est généralement faible aux basses fréquences et le couplage inductif est le facteur principal.

1.3 interférences par rayonnement électromagnétique

Les perturbations radiatives sont des perturbations introduites en raison du rayonnement des ondes électromagnétiques dans l'espace. Le rayonnement électromagnétique PCB est divisé en rayonnement de mode différentiel et rayonnement de mode commun. Dans la plupart des cas, les perturbations de conduction générées par l'alimentation à découpage sont dominées par des perturbations de mode commun dont l'efficacité radiative doit être bien supérieure à celle des perturbations de mode différentiel. Par conséquent, la réduction des interférences de mode commun est particulièrement importante dans la conception CEM des alimentations à découpage. (^ $rfsw \, $% t

2 étapes de suppression des interférences PCB

2.1 Informations sur la conception du PCB

Lors de la conception d'un PCB, vous devez connaître les informations de conception de votre carte, qui comprennent les éléments suivants:

1° le nombre d’appareils, leurs dimensions et leur emballage;

(2) les exigences générales d'agencement, l'emplacement de l'agencement du dispositif, la présence ou l'absence de dispositifs de haute puissance et les exigences spéciales pour la dissipation de chaleur des dispositifs à puce;

(3) La vitesse de la puce numérique, si le PCB est divisé en zones à basse, moyenne et haute vitesse, et quelles sont les zones d'entrée et de sortie de l'interface;

(4) le type, la vitesse et la direction de transmission de la ligne de signal, les exigences de contrôle d'impédance de la ligne de signal, la direction et la situation de conduite de la vitesse du bus, les signaux clés et les mesures de protection;

5° le type d’alimentation, le type de mise à la terre, les exigences de tolérance au bruit pour l’alimentation et la mise à la terre, le réglage et la Division de l’alimentation et du plan de sol;

(6) le type et la vitesse de la ligne d'horloge, la source et la destination de la ligne d'horloge, les exigences de retard d'horloge et les exigences de câblage maximal.

2.2 couches de PCB

Tout d'abord, on détermine le nombre de couches de câblage et d'alimentation nécessaires pour réaliser cette fonction dans une fourchette de coût acceptable. Le nombre de couches d'une carte de circuit imprimé est déterminé par des facteurs tels que les exigences fonctionnelles détaillées, l'immunité, la séparation des classes de signaux, la densité des dispositifs et le câblage du bus, etc. actuellement, les cartes de circuit imprimé ont progressivement évolué à partir de cartes à une, deux et quatre couches à plusieurs couches. La conception de circuits imprimés multicouches est la principale mesure pour atteindre les normes de compatibilité électromagnétique. Les exigences sont:

(1) la distribution de la couche d'alimentation séparée et de la couche de mise à la terre peut bien inhiber les interférences de mode commun intrinsèques et réduire l'impédance de la source ponctuelle;

2° le plan d’alimentation et le plan de mise à la terre sont aussi proches l’un de l’autre que possible et le plan de mise à la terre est normalement au - dessus du plan d’alimentation;

(3) Il est préférable de disposer les circuits numériques et analogiques dans des couches différentes;

(4) la couche de câblage est de préférence adjacente à l'ensemble du plan métallique;

(5) les circuits d'horloge et les circuits à haute fréquence sont les principales sources d'interférence et doivent être traités séparément.

2.3 disposition du PCB

La clé de la conception EMC d'une carte de circuit imprimé est la disposition et le câblage, qui sont directement liés aux performances de la carte. L'automatisation actuelle de la mise en page des cartes par EDA est faible et nécessite un grand nombre de mises en page manuelles. Avant la mise en page, il est essentiel de déterminer la taille du PCB qui satisfait la fonction au coût le plus bas possible. Si le PCB est surdimensionné et que la distribution des dispositifs est dispersée pendant la mise en page, la ligne de transmission peut être longue, ce qui augmentera l'impédance, réduira la résistance au bruit et augmentera les coûts. Si le dispositif est placé de manière centralisée, la dissipation thermique n'est pas bonne et les traces adjacentes sont sujettes à une diaphonie de couplage. Par conséquent, il est nécessaire de disposer en fonction des unités fonctionnelles du circuit, en tenant compte de facteurs tels que la compatibilité électromagnétique, la dissipation de chaleur et les interfaces. La disposition générale doit suivre les principes suivants:

(1) Aligner chaque unité de circuit fonctionnel en fonction du flux du signal de circuit de sorte que le flux du signal soit cohérent;

(2) centré sur le composant de base de chaque unité de circuit fonctionnel autour duquel les autres composants sont disposés;

(3) Raccourcir autant que possible le câblage entre les éléments haute fréquence et minimiser leurs paramètres de distribution;

(4) les parties sensibles aux interférences ne doivent pas être trop rapprochées entre elles et les parties d'entrée et de sortie doivent être éloignées;

(5) Empêcher le couplage mutuel entre la ligne d'alimentation, la ligne de signal à haute fréquence et le câblage général.

2.4 câblage PCB

(1) Principe de câblage

Lors du câblage, toutes les lignes de signal sont classées. Les lignes d'horloge et de signaux sensibles sont d'abord disposées, puis les lignes de signaux à grande vitesse. Après s'être assuré que les perçages pour un tel signal sont suffisamment petits et que les paramètres de répartition sont bons, on réalise le câblage des lignes de signal généralement sans importance. Les principes à suivre sont:

1) Les fils à l'entrée et à la sortie devraient essayer d'éviter d'être parallèles aux longues distances adjacentes; Pour réduire la diaphonie des longs fils parallèles, on peut augmenter l'espacement des lignes ou insérer des lignes de masse entre les fils;

2) la largeur de la carte ne doit pas changer brusquement, le fil ne doit pas changer brusquement d'angle. Gardez l'impédance du circuit aussi continue que possible. Les angles de la ligne de transmission imprimée suivent généralement un arc de cercle ou forment un angle de 135°;

3) Accorder une attention particulière à la distribution des lignes d'alimentation et de masse des circuits haute fréquence;

4) réduire la surface de la boucle de fil pendant la circulation du courant, car le rayonnement externe de la boucle de courant porteur est directement proportionnel au courant traversant, à la surface de la boucle et à la fréquence du signal;

5) disposer plus de broches d'entrée de fil de terre dispersées les unes des autres sur la fiche de la carte, ce qui contribue à réduire la zone de boucle et l'impédance de fil de terre du câblage des broches de la carte;

6) réduire la longueur du fil et augmenter sa largeur aidera à réduire l'impédance du fil.

(2) conception de câblage EMC pour les circuits imprimés

La conception du câblage EMC du circuit imprimé est réalisée selon un diagramme de répartition du champ électrique perturbateur, dont l'idée de base est de placer le circuit sensible dans une zone où les perturbations sont faibles. L'estimation en temps réel de la taille de la capacité répartie entre les circuits imprimés et les modifications et améliorations apportées au PCB dans le temps lors de la conception, selon le concept de "coefficient de couplage" déjà proposé, permettent alors de réduire efficacement les interférences de conduction du PCB.

Pour choisir un schéma de disposition approprié, commencez par calculer une carte de distribution de l'intensité des interférences de la source d'interférence. La fréquence de commutation de la plupart des alimentations à découpage est comprise entre quelques dizaines de kHz et quelques MHz, de sorte que le champ électrique perturbateur de la surface du PCB peut être utilisé pour l'analyse de champ quasi statique. Dans cette hypothèse, la quantité de champ peut être écrite comme le produit de quantités spatiales et temporelles indépendantes. Le courant de déplacement J (X, y, Z, t) peut donc s'écrire:

En résolvant l'équation de Laplace (2), il est possible de résoudre la composante spatiale du potentiel en chaque point de l'espace et d'obtenir la composante spatiale de la densité de courant de déplacement correspondante en multipliant la constante diélectrique calculée. Étude correspondante de la compatibilité électromagnétique de la carte PCB à découpage d'alimentation après un calcul visuel

2.5 Circuit Anti - interférence PCB

Pour les systèmes de commande numérique de grandes Alimentations à découpage, chaque dispositif logique a un niveau de vanne et une tolérance au bruit correspondants. Tant que le bruit extérieur ne dépasse pas la tolérance du dispositif logique, le système peut fonctionner correctement. Cependant, dès qu'un bruit ou une perturbation envahissant le système dépasse une certaine tolérance, le signal perturbateur est amplifié et mis en forme par le dispositif logique, ce qui devient une cause importante de défaillance. Les plus sensibles dans les systèmes monopuce sont les signaux d'horloge, les signaux de Réinitialisation et les signaux d'interruption. Une attention particulière doit être accordée à ces trois lignes de signal lors de la disposition des PCB. Tout en remplissant la fonction, l'oscillateur à cristal avec la fréquence la plus basse doit être choisi.

Le circuit de chien de garde est l'une des mesures anti - interférence. Lorsque de fortes interférences électromagnétiques, des interférences de pointe de réseau électrique entraînent un blocage du système monopuce, le circuit de chien de garde peut détecter et restaurer automatiquement le programme.

Lorsque le système est fortement perturbé et perd son état de fonctionnement normal, les données de la RAM ont tendance à être compromises. Par conséquent, en plus de la conception minutieuse du système d'alimentation, il est essentiel de concevoir un circuit de protection RAM fiable.

Le bus de données, le bus d'adresse et le bus de commande du circuit sont utilisés pour échanger des informations. Si vous augmentez la capacité de charge du bus, la forme d'onde du signal sera améliorée lorsque le temps de transmission du bus est long. À ce stade, il est nécessaire de configurer le circuit de porte tampon à trois états en tant que pilote de bus. De plus, veillez à garantir l'équilibrage de charge du bus.

L'installation d'une résistance de traction sur le bus peut améliorer la fiabilité de la transmission du signal du bus, non seulement peut améliorer le niveau du signal, mais peut également améliorer la capacité du bus à résister aux interférences électromagnétiques, supprimer les interférences électrostatiques et atténuer les interférences d'ondes réfléchies. Lorsque la puce intègre une résistance de pull - up, il n'est pas nécessaire d'installer une résistance de pull - up dans un circuit externe. Pour les broches de puce sur le circuit, la fixation des bornes d'entrée inutilisées à un niveau élevé peut améliorer la suppression des interférences électromagnétiques externes.