Technologie PCB - Technologie de contrôle EMC / EMI dans la conception de PCB

Avec l'amélioration de l'intégration des dispositifs de circuits intégrés, la miniaturisation progressive des dispositifs et l'augmentation de la vitesse des dispositifs, les problèmes d'EMI dans l'électronique deviennent plus graves. Du point de vue de la conception EMC / EMI des équipements système, le traitement correct des problèmes EMC / EMI pendant la phase de conception PCB de l'équipement est le moyen le plus efficace et le moins coûteux pour les équipements système de répondre aux normes de compatibilité électromagnétique. La technologie de contrôle EMI dans la conception de circuits numériques PCB est présentée.

1 principes de production et d'inhibition d'EMI

La génération d'EMI est causée par la transmission d'énergie par une source d'interférence électromagnétique à un système sensible via un chemin de couplage. Il comprend trois formes de base: conduction par fil ou par une masse commune, rayonnement par l'espace ou couplage en champ proche. Les dangers de l'EMI se manifestent par une dégradation de la qualité des signaux transmis, des perturbations voire des dommages aux circuits ou aux équipements, rendant les équipements incapables de répondre aux exigences des indicateurs techniques définies par les normes de compatibilité électromagnétique.

Pour supprimer l'ime, la conception de l'IME des circuits numériques doit être effectuée conformément aux principes suivants:

.selon les spécifications techniques EMC / EMI pertinentes, l'indicateur est décomposé en circuits à carte unique avec différents niveaux de contrôle.

. le contrôle à partir des trois éléments de l'EMI, à savoir la source d'interférence, la voie de couplage d'énergie et le système sensible, permet au circuit d'avoir une réponse en fréquence plate, assurant un fonctionnement normal et stable du circuit.

Commencez par la conception avant de l'équipement, concentrez - vous sur la conception EMC / EMI et réduisez les coûts de conception.

2 Technologie de contrôle EMI pour circuits numériques PCB

Les problèmes spécifiques doivent être analysés en détail lors du traitement des différentes formes d'IME. Dans la conception de circuits numériques PCB, EMI peut être contrôlé de plusieurs façons.

2.1 sélection de l'équipement

Lors de la conception d'un EMI, nous devons d'abord tenir compte de la vitesse de l'appareil choisi. Dans n'importe quel circuit, si un dispositif avec un temps de montée de 5 NS est remplacé par un dispositif avec un temps de montée de 2,5 NS, l'EMI augmente d'environ 4 fois. L'intensité du rayonnement de l'EMI est proportionnelle au carré de la fréquence. La fréquence EMI la plus élevée (fknee) est également appelée bande passante EMI. Il est fonction du temps de montée du signal et non de la fréquence du signal: fknee = 0,35 / TR (où tr est le temps de montée du signal du dispositif)

La gamme de fréquences de l'EMI de ce rayonnement est de 30 MHz à plusieurs GHz. Dans cette bande de fréquences, les longueurs d'onde sont très courtes et même un câblage très court sur la carte peut devenir une antenne d'émission. Lorsque l'EMI est élevé, le circuit peut facilement perdre son fonctionnement normal. Par conséquent, dans le choix du dispositif, sous réserve de garantir les exigences de performance du circuit, il convient d'utiliser des puces à faible vitesse autant que possible et d'utiliser des circuits d'entraînement / réception appropriés. En outre, comme les broches des dispositifs ont toutes une inductance parasite et une capacité parasite, l'influence de la forme d'encapsulation du dispositif sur le signal ne peut pas être négligée dans la conception à grande vitesse, car elle est également un facteur important dans la production de rayonnement EMI. Typiquement, les paramètres parasites des dispositifs SMD sont inférieurs à ceux des dispositifs enfichables et les paramètres parasites des boîtiers BGA sont également inférieurs à ceux des boîtiers qfp.

2.2 sélection des connecteurs et définition des bornes de signal

Les connecteurs sont un maillon clé de la transmission de signaux à haute vitesse et un maillon faible susceptible de générer des EMI. Un plus grand nombre de broches de masse peuvent être disposées dans la conception des bornes du connecteur pour réduire la distance entre le signal et la terre, réduire la zone de boucle de signal efficace qui génère un rayonnement dans le connecteur et fournir un chemin de retour à faible impédance. Si nécessaire, envisagez d'isoler certains signaux clés avec des broches de mise à la terre.

2.3 conception de l'empilement

Augmenter le nombre de couches de mise à la terre et rapprocher la couche de signal de la couche de mise à la terre peut réduire le rayonnement EMI, à condition que le coût le permette. Pour les PCB haute vitesse, le plan d'alimentation et le plan de masse sont étroitement couplés, ce qui permet de réduire l'impédance d'alimentation et donc l'EMI.

2.4 disposition

Selon le courant du signal, une disposition raisonnable peut réduire les interférences entre les signaux. Une disposition rationnelle est la clé pour contrôler les interférences électromagnétiques. Les principes de base de la mise en page sont:

. Le signal analogique est susceptible d'être perturbé par le signal numérique et le circuit analogique doit être séparé du circuit numérique;

. Les lignes d'horloge sont la principale source d'interférences et de rayonnement. S'éloigner des circuits sensibles, en gardant la ligne d'horloge la plus courte;

. dans la zone centrale de la carte devrait éviter autant que possible l'utilisation de circuits à courant élevé et de puissance élevée, et devrait tenir compte de l'influence de la dissipation de chaleur et de rayonnement;

. Les connecteurs doivent être disposés le plus possible d'un côté de la carte et à l'écart des circuits haute fréquence;

Le circuit d'entrée / sortie est proche du connecteur correspondent et le condensateur de découplage est proche de la broche d'alimentation correspondante;

. considérer pleinement la faisabilité de la disposition de la partition d'alimentation, l'équipement Multi - alimentation doit être placé à travers les limites de la partition d'alimentation, réduisant efficacement l'impact de la partition plate sur l'EMI;

. le plan de retour (chemin) n'est pas divisé.

2.5 câblage

Contrôle d'impédance: la ligne de signal à grande vitesse présentera les caractéristiques de la ligne de transmission, le contrôle d'impédance est nécessaire pour éviter la réflexion du signal, le dépassement et la sonnerie, réduire le rayonnement EMI.

. classer les signaux en fonction de l'intensité et de la sensibilité du rayonnement EMI des différents signaux (signaux analogiques, signaux d'horloge, signaux d'E / s, bus, alimentation, etc.), en séparant autant que possible les sources d'interférence des systèmes sensibles, en réduisant le couplage.

. contrôle strict de la longueur des traces, du nombre de trous, de la zone de partitionnement, de la terminaison, de la couche de câblage, du chemin de retour, etc. des signaux d'horloge (en particulier des signaux d'horloge à grande vitesse).

.Les boucles de signal, c'est - à - dire les boucles où le signal sort pour former un afflux de signal, sont la clé du contrôle EMI dans la conception de PCB et doivent être contrôlées lors du câblage.pour comprendre le flux de chaque signal critique, les signaux critiques doivent être câblés à proximité de la voie de retour pour s'assurer que leur zone de boucle est minimale.

Pour les signaux basse fréquence, faire circuler un courant dans le chemin où la résistance est minimale; Pour les signaux à haute fréquence, faire circuler un courant à haute fréquence par le chemin où l'inductance est minimale, et non par le chemin où la résistance est minimale (voir figure 1). Pour le rayonnement en mode différentiel, l'intensité du rayonnement EMI (e) est proportionnelle au carré du courant, de l'aire de la boucle de courant et de la fréquence. (I est le courant, a est la surface de la boucle, F est la fréquence, R est la distance au centre de la boucle et K est une constante.)

Ainsi, lorsque le chemin de retour inductif minimum est juste en dessous de la ligne de signal, il est possible de réduire la surface de la boucle de courant et donc l'énergie rayonnée EMI.

. Les signaux critiques ne doivent pas traverser les zones segmentées.

. Le câblage du signal différentiel à grande vitesse doit être couplé aussi étroitement que possible.

. Assurez - vous que les lignes de ruban, les lignes de microruban et leurs plans de référence sont conformes aux exigences.

. Les conducteurs des condensateurs de découplage doivent être courts et larges.

. toutes les traces de signal doivent être aussi éloignées que possible des bords de la plaque.

Pour les réseaux de connexion multipoint, choisissez la topologie appropriée pour réduire la réflexion du signal et le rayonnement EMI.

2.6 traitement fractionné du plan de puissance

. subdivision de la couche de puissance

Lorsqu'il y a une ou plusieurs sous - Alimentations sur le plan d'alimentation principal, assurer la continuité de chaque zone d'alimentation et une largeur de feuille de cuivre suffisante. La ligne de démarcation n'a pas besoin d'être trop large, une largeur de ligne générale de 20 à 50 mil est suffisante pour réduire le rayonnement interstitiel.

. séparation des couches de sol

Le plan du sol doit rester intact pour éviter la fragmentation. Si elles doivent être séparées, il est nécessaire de faire la distinction entre la mise à la terre numérique, la mise à la terre analogique et la mise à la terre bruyante et d'être reliées à la terre extérieure par un point de mise à la terre commun à la sortie.

Pour réduire le rayonnement marginal de l'alimentation, le plan d'alimentation / de masse doit suivre le principe de conception de 20h, c'est - à - dire que les dimensions du plan de masse sont supérieures de 20h à celles du plan d'alimentation (voir figure 2), ce qui permet de réduire l'intensité du rayonnement du Champ marginal de 70%.

3 autres méthodes de contrôle de l'ime

3.1 conception du système électrique

. concevoir des systèmes d'alimentation à basse impédance pour s'assurer que l'impédance du système de distribution dans la gamme de fréquences inférieure à fknee est inférieure à l'impédance cible.

. utilisez des filtres pour contrôler les interférences de conduction.

. découplage de puissance. Dans la conception EMI, fournir un condensateur de découplage raisonnable peut faire fonctionner la puce de manière fiable, réduire le bruit à haute fréquence dans l'alimentation et réduire l'EMI. La vitesse de réponse de l'alimentation et de ses fils d'alimentation est plus lente en raison de l'influence de paramètres parasites tels que l'inductance des fils, ce qui rend le courant instantané nécessaire au conducteur dans un circuit à grande vitesse insuffisant. Une conception rationnelle des condensateurs de dérivation ou de découplage et des condensateurs distribués de la couche d'alimentation permet à l'effet de stockage d'énergie des condensateurs de fournir rapidement du courant à l'appareil avant que l'alimentation ne réponde. Un découplage capacitif correct peut fournir un chemin d'alimentation à faible impédance, ce qui est essentiel pour réduire le mode commun EMI.

3.2 mise à la terre

La conception de la mise à la terre est la clé pour réduire l'EMI de l'ensemble de la carte.

. Assurez - vous d'utiliser une mise à la terre à point unique, multipoint ou mixte.

La mise à la terre numérique, la mise à la terre analogique et la mise à la terre bruyante doivent être séparées et un lieu de mise à la terre commun approprié doit être identifié.

.Si la conception à double panneau n'a pas de couche de sol, il est important de concevoir rationnellement la grille de sol et de s'assurer que la largeur de la ligne de sol > Largeur de la ligne d'alimentation > Largeur de la ligne de signal. Il est également possible d'utiliser des méthodes de pose de grandes surfaces, mais il est nécessaire de prêter attention à la continuité de grandes surfaces sur le même étage.

.Pour la conception de panneaux multicouches, assurez - vous qu'il y a une couche de mise à la terre pour réduire l'impédance de mise à la terre commune.

3.3 résistances d'amortissement en série

La technique de base pour supprimer la source d'interférence, à condition que les exigences de la séquence de circuits le permettent, est de mettre en série une petite résistance résistive, généralement une résistance isla© de 22 - 33, à la sortie du signal critique. Ces petites résistances en série en sortie permettent de ralentir les temps de montée / descente, de lisser les signaux de dépassement et de descente et donc de réduire l'amplitude des harmoniques haute fréquence de la forme d'onde de sortie, dans le but d'inhiber efficacement l'EMI.

3.4 blindage

. Les composants clés peuvent utiliser un matériau de blindage EMI ou un filet de blindage.

Le blindage du signal critique peut être conçu comme une ligne à ruban ou séparé des deux côtés du signal critique par une ligne de masse.

3.5 étalement du spectre

La méthode de spectre étalé (Spread Spectrum) est une nouvelle méthode efficace pour réduire l'EMI. L'étalement de spectre est la modulation d'un signal et l'extension de l'énergie du signal à une gamme de fréquences relativement large. En effet, ce procédé est une modulation contrôlée du signal d'horloge et il n'augmente pas significativement la gigue du signal d'horloge. Les applications pratiques ont prouvé que la technologie d'étalement de spectre est efficace et peut réduire le rayonnement de 7 à 20 db.

3.6 analyse et essais de l'ime

. Analyse de simulation

Une fois le câblage du circuit imprimé terminé, une analyse de simulation peut être effectuée à l'aide du logiciel de simulation em I et d'un système expert, simulant l'environnement EMC / EMI et évaluant la conformité du produit aux exigences des normes de compatibilité électromagnétique pertinentes.

. test de scan

Le balayage des disques de la machine assemblés et alimentés à l'aide d'un scanner de rayonnement électromagnétique permet d'obtenir une carte de répartition du champ électromagnétique dans le PCB (comme le montre la figure 3, les zones rouges, vertes et bleues - blanches de la figure représentent l'énergie du rayonnement électromagnétique de faible à élevée). Sur la base des résultats des tests, la conception du PCB a été améliorée.

4 Résumé

Avec le développement continu et l'application de nouveaux types de puces à grande vitesse, les fréquences de signal sont de plus en plus élevées et les cartes PCB qui les portent peuvent devenir de plus en plus petites. La conception de PCB sera confrontée à des défis EMI encore plus difficiles. Seule l'exploration et l'innovation constantes peuvent faire de la conception EMC / emi de cartes PCB un succès.