Progettazione PCB - Analisi EMC e progettazione di circuiti ad alta velocità

Compatibilità elettromagnetica significa che quando i sistemi e le apparecchiature elettrici ed elettronici operano a un livello prestabilito entro i limiti di sicurezza specificati in uno specifico ambiente elettromagnetico, non saranno danneggiati o deteriorati a causa di interferenze elettromagnetiche esterne. Allo stesso tempo, la radiazione elettromagnetica generata da loro non è superiore al livello limite di verifica e non influisce sul normale funzionamento di altre apparecchiature o sistemi elettronici, in modo da raggiungere lo scopo di non interferenza tra apparecchiature e apparecchiature, sistema e sistema, e lavorare insieme in modo affidabile.

1 Fattori di compatibilità elettromagnetica

(1) Caratteristiche di frequenza della resistenza. In un circuito digitale, la funzione principale di una resistenza è quella di limitare la corrente e determinare un livello fisso. In un circuito ad alta frequenza, la capacità parassitaria ad alta frequenza esistente ad entrambe le estremità della resistenza causerà danni alle normali caratteristiche del circuito. L'induttanza del perno della stessa resistenza ha una grande influenza sull'EMC del circuito.

(2) La caratteristica di frequenza del condensatore. I condensatori sono generalmente utilizzati nel bus di alimentazione. Essi forniscono disaccoppiamento, bypass e mantengono una tensione e corrente CC fisse. Tuttavia, nei circuiti ad alta frequenza, quando la frequenza di funzionamento del circuito supera la frequenza autoresonante del condensatore, la sua induttanza parassitaria farà sì che il condensatore si comporti come una caratteristica induttiva, perdendo così la sua funzione originale e influenzando le prestazioni del circuito.

(3) Caratteristiche di frequenza dell'induttanza. L'induttore è utilizzato per controllare EMI nel PCB. Quando la frequenza di funzionamento del circuito aumenta, l'impedenza equivalente dell'induttore aumenterà con l'aumento della frequenza. Quando la frequenza di funzionamento del circuito supera il limite superiore della frequenza di funzionamento dell'induttore, l'induttanza influenzerà il normale funzionamento del circuito.

(4) Caratteristiche di frequenza del filo. Le tracce sul PCB e sui cavi di piombo dei componenti hanno induttanze e capacità parassitarie. Queste induttanze parassitarie e capacità influenzeranno le caratteristiche di frequenza dei fili, che possono causare risonanza tra i componenti e i fili, causando i fili a diventare interferenza elettromagnetica L'importante antenna trasmittente. Generalmente, il filo presenta caratteristiche di resistenza nella banda a bassa frequenza e caratteristiche di induttanza nella banda ad alta frequenza. Pertanto, sul PCB, la lunghezza del cavo deve essere generalmente inferiore a un ventesimo della lunghezza d'onda della frequenza di funzionamento per impedire che il cavo diventi una fonte di interferenza elettromagnetica.

(5) Elettricità statica. Il problema della scarica elettrostatica è diventato un grave pericolo pubblico per i prodotti elettronici, che può causare danni permanenti al prodotto. Pertanto, nella progettazione del prodotto, devono essere adottate misure di protezione elettrostatica corrispondenti. Le misure antistatiche comunemente utilizzate includono la scelta dei materiali antistatici, l'adozione di misure di isolamento elettrico, il miglioramento della resistenza di isolamento dei prodotti e l'installazione di buoni strati di schermatura elettrostatica e canali di scarico.

(6) Alimentazione elettrica. Con l'applicazione diffusa degli alimentatori switching ad alta frequenza e l'aumento continuo dei carichi del sistema di alimentazione, il problema dell'interferenza dell'alimentazione ai prodotti è diventato gradualmente un fattore importante che influisce sulle caratteristiche EMC dei prodotti. Pertanto, alcune apparecchiature sensibili suscettibili di interferenze non hanno utilizzato direttamente l'alimentazione CA ma sono passate all'alimentazione DC. Anche se questo ha aumentato la complessità e il costo del sistema, ha effettivamente migliorato la stabilità del sistema.

(7) Thunder and lightning. Il fulmine è essenzialmente un forte processo di scarica elettrostatica che neutralizza le cariche positive e negative. I forti impulsi elettromagnetici risultanti sono la causa principale di danni a vari dispositivi elettronici. L'impatto dei fulmini sulle apparecchiature elettroniche include fulmini diretti e fulmini indotti. Al giorno d'oggi, vari dispositivi elettronici interni non sono generalmente suscettibili a fulmini diretti, ma sono ancora suscettibili a danni da fulmini indotti. Per garantire il funzionamento sicuro delle apparecchiature elettroniche, le apparecchiature elettroniche devono essere protette contro i fulmini. Le misure di protezione contro i fulmini comunemente utilizzate includono l'installazione di parafulmine, l'installazione di parafulmine e cavi di protezione contro i fulmini.

2 Elementi di compatibilità elettromagnetica

Studi teorici e pratici hanno dimostrato che, indipendentemente da un sistema complesso o da un semplice dispositivo, qualsiasi interferenza elettromagnetica deve soddisfare tre condizioni fondamentali: l'esistenza di una certa fonte di interferenza, un canale di accoppiamento completo con interferenza e la risposta dell'oggetto interferito.

2.1 Fonti di interferenza elettromagnetica

La sorgente di interferenza elettromagnetica si riferisce a qualsiasi elemento, dispositivo, apparecchiatura, sistema o fenomeno naturale che produce interferenze elettromagnetiche. I circuiti ad alta frequenza sono particolarmente sensibili alle interferenze elettromagnetiche, quindi è necessario adottare una serie di misure per sopprimere le interferenze elettromagnetiche. Attraverso analisi teoriche e sperimentali, è noto che nei circuiti ad alta frequenza l'interferenza elettromagnetica proviene principalmente dai seguenti aspetti:

(1) Interferenza acustica dovuta al funzionamento del dispositivo

(A) L'interferenza elettromagnetica si verifica quando i circuiti digitali funzionano.

(B) Interferenza del campo elettromagnetico causata da cambiamenti nella tensione e nella corrente del segnale.

(2) Interferenza di rumore del segnale ad alta frequenza

(A) Conversazione incrociata: significa che quando un segnale viene trasmesso su un canale di trasmissione, ha un effetto indesiderato sulla linea di trasmissione adiacente a causa dell'accoppiamento elettromagnetico. Il segnale interferente sembra essere iniettato con una certa tensione di accoppiamento e corrente di accoppiamento. Un eccesso di crosstalk può causare un falso innesco del circuito, ritardo temporale e causare il mancato funzionamento del sistema normalmente.

(b) Perdita di ritorno: Quando un segnale ad alta frequenza è trasmesso in cavi e apparecchiature di comunicazione, rifletterà il segnale quando incontra impedenza irregolare delle onde. Questa riflessione non solo aumenterà la perdita di trasmissione del segnale, ma anche Distorsione del segnale di trasmissione ha un grande impatto sulle prestazioni di trasmissione.

(3) Interferenza acustica dell'alimentazione elettrica

Il rumore dell'alimentazione elettrica nel PCB è composto principalmente dal rumore generato dall'alimentazione elettrica stessa o dal rumore indotto dal disturbo, che si manifesta principalmente come: 1. rumore distribuito causato dall'impedenza intrinseca dell'alimentatore stesso; 2. interferenza di campo in modalità comune; 3. interferenza del campo in modalità differenziale; 4. Interferenza linea-linea; 5. Accoppiamento della linea elettrica.

(4) Interferenza del rumore del suolo

A causa della resistenza e dell'impedenza sul filo di terra, quando la corrente passa attraverso il filo di terra, verrà generata una caduta di tensione. Quando la corrente è abbastanza grande o la frequenza di funzionamento è abbastanza alta, la caduta di tensione sarà abbastanza grande da causare interferenze al circuito. L'interferenza di rumore causata dal cavo di massa comprende principalmente l'interferenza del ciclo di terra e l'interferenza comune dell'accoppiamento di impedenza.

(A) Interferenza del ciclo di terra: Quando più unità funzionali sono collegate al filo di terra, se la corrente nel filo di terra è abbastanza grande, una caduta di tensione sarà generata sui cavi di collegamento tra i dispositivi. A causa delle caratteristiche elettriche sbilanciate tra i vari circuiti, la corrente su ogni cavo sarà diversa, quindi verrà generata una tensione di modo differenziale, che influenzerà il circuito. Inoltre, il campo elettromagnetico esterno può anche indurre corrente nel ciclo di terra, causando interferenze.

b) interferenza comune dell'accoppiamento di impedenza; quando più unità funzionali condividono lo stesso filo di terra, a causa dell'esistenza dell'impedenza del filo di terra, il potenziale di terra di ogni unità sarà modulato reciprocamente, causando interferenze tra i segnali di ogni unità. In un circuito ad alta frequenza, il circuito è in uno stato di lavoro ad alta frequenza e l'impedenza di terra è spesso grande. In questo momento, l'interferenza comune dell'accoppiamento di impedenza è particolarmente evidente.

Ci sono due modi per eliminare l'accoppiamento di impedenza comune: uno è quello di ridurre l'impedenza della parte di terreno comune, in modo che anche la tensione sul terreno comune sia ridotta, controllando così l'accoppiamento di impedenza comune. Un altro metodo è quello di evitare la messa a terra comune di circuiti che sono facili da interferire l'uno con l'altro attraverso una corretta messa a terra. Generalmente, evitare la messa a terra comune di circuiti ad alta corrente e circuiti a debole corrente e la messa a terra comune di circuiti digitali e circuiti analogici. Come accennato in precedenza, il problema principale di ridurre l'impedenza del filo di terra è quello di ridurre l'induttanza del filo di terra. Ciò include l'uso di un conduttore piatto come filo di terra e l'uso di più conduttori paralleli che sono distanti tra loro come filo di terra. Per i circuiti stampati, la posa di una griglia di filo di terra su una scheda a doppio strato può ridurre efficacemente l'impedenza del filo di terra. In una scheda multistrato, uno strato speciale di filo di terra ha una piccola impedenza, ma aumenterà il costo del circuito. Il metodo di messa a terra per evitare l'impedenza comune attraverso la messa a terra corretta è messa a terra parallela a un punto singolo. Lo svantaggio della messa a terra parallela è che ci sono troppi fili a terra. Pertanto, nella pratica, non è necessario che tutti i circuiti siano collegati in parallelo con la messa a terra a punto singolo. Per i circuiti con meno interferenze reciproche, la messa a terra a punto singolo in serie può essere utilizzata. Ad esempio, i circuiti possono essere classificati secondo il segnale forte, il segnale debole, il segnale analogico, il segnale digitale, ecc., e quindi utilizzare la messa a terra a punto singolo in serie all'interno di circuiti simili e la messa a terra a punto singolo in parallelo per i circuiti di diversi tipi.

2.2 Inibire il canale di accoppiamento

I principali canali di accoppiamento di interferenza elettromagnetica nei circuiti ad alta velocità includono accoppiamento di radiazione, accoppiamento di conduzione, accoppiamento capacitivo, accoppiamento induttivo, accoppiamento di potenza e accoppiamento a terra.

Per l'accoppiamento delle radiazioni, il metodo principale di soppressione è quello di utilizzare la schermatura elettromagnetica per isolare efficacemente la sorgente di interferenza dall'oggetto sensibile.

Per l'accoppiamento conduttivo, il metodo principale è quello di organizzare ragionevolmente la direzione delle linee di segnale ad alta velocità durante il cablaggio del segnale. I cavi utilizzati per i terminali di ingresso e uscita dovrebbero essere evitati per quanto possibile per evitare feedback del segnale o crosstalk. Un filo di terra può essere aggiunto tra i due fili paralleli per isolarli. Per le linee di segnale di connessione esterne, il cavo di ingresso dovrebbe essere accorciato il più possibile e l'impedenza finale di ingresso dovrebbe essere aumentata. È meglio schermare la linea di ingresso del segnale analogico. Quando l'impedenza del cavo di segnale sulla scheda non è abbinata, causerà la riflessione del segnale. Quando il filo stampato è lungo, l'induttanza del circuito causerà smorzamento e oscillazione. Collegando una resistenza di smorzamento in serie (il valore di resistenza è solitamente 22～2 200 hm e il valore tipico è 470 hm), l'oscillazione può essere efficacemente soppressa, la capacità anti-interferenza può essere migliorata e la forma d'onda può essere migliorata.

Per l'interferenza di accoppiamento di induttanza e capacità, i seguenti due aspetti possono essere utilizzati per sopprimere: uno è quello di selezionare i componenti adatti, per induttanza e capacità, dovrebbe essere selezionato in base alle caratteristiche di frequenza di componenti diversi e per altri componenti, dovrebbe essere selezionato in base alle caratteristiche di frequenza di componenti diversi. Scegliere un dispositivo con piccola induttanza parassitaria e capacità. D'altra parte, il layout e il cablaggio dovrebbero essere eseguiti ragionevolmente e il cablaggio parallelo a lunga distanza dovrebbe essere evitato il più possibile. Il cablaggio tra i punti di interconnessione elettrica nel circuito dovrebbe essere il più breve. Gli angoli delle linee del segnale (specialmente del segnale ad alta frequenza) devono essere progettati in una direzione di 45 gradi, o di forma circolare o ad arco, e non devono essere disegnati in un angolo inferiore o uguale a 90 gradi. I fili di superficie adiacenti del cablaggio assumono la forma di tracce perpendicolari, oblique o curve per ridurre la capacità parassitaria e l'induttanza dei vias. Più breve è il cavo tra i vias e i perni, meglio è, e più vias possono essere considerati in parallelo. O vie miniature per ridurre l'induttanza equivalente. Quando si selezionano i pacchetti dei componenti, i pacchetti standard devono essere selezionati per ridurre l'impedenza del piombo e l'induttanza parassitaria causata dalla mancata corrispondenza dei pacchetti.

Per l'accoppiamento di potenza e l'accoppiamento a terra, la prima attenzione dovrebbe essere prestata alla riduzione dell'impedenza della linea elettrica e della linea di terra e le misure necessarie devono essere adottate per la distorsione e l'oscillazione della forma d'onda causate da impedenza comune, crosstalk e riflessione. Collegare i condensatori bypass tra i cavi di alimentazione e di massa di ogni circuito integrato per accorciare il percorso di flusso della corrente di commutazione. La linea elettrica e la linea di terra sono progettati in una forma a griglia invece di una forma a pettine. Questo perché la forma della griglia può accorciare significativamente il ciclo del circuito, ridurre l'impedenza della linea e ridurre l'interferenza. Quando più circuiti integrati sono installati sul circuito stampato e alcuni componenti consumano grandi quantità di energia e il cavo di massa ha una grande differenza di potenziale, formando una comune interferenza di impedenza, è consigliabile progettare il cavo di massa come un ciclo chiuso, che non ha potenziale Povero, con maggiore tolleranza al rumore. I cavi dovrebbero essere accorciati il più possibile e la terra di ogni circuito integrato dovrebbe essere collegata alla terra di ingresso del circuito stampato alla distanza più breve per ridurre i picchi generati dai fili stampati. Mantenere il cavo di massa e il cavo di alimentazione nella stessa direzione della trasmissione dei dati per migliorare la tolleranza al rumore del circuito stampato. Prova a utilizzare circuiti stampati multistrato per ridurre la differenza di potenziale al suolo e ridurre l'impedenza della linea elettrica e la conversazione incrociata tra le linee di segnale. Quando non c'è scheda multistrato e devono essere utilizzate schede bifacciali, il filo di terra deve essere allargato il più possibile. Generalmente, il filo di terra dovrebbe essere più spesso per passare 3 volte la corrente effettiva che scorre attraverso il filo. La linea di alimentazione comune e la linea di terra sono distribuiti per quanto possibile sui bordi di entrambi i lati della scheda stampata. Collegare un condensatore al tantalio di 1μF～10μF alla spina del bus di alimentazione per il disaccoppiamento e collegare un condensatore ceramico ad alta frequenza di 0.01μF～0.1μF in parallelo con il condensatore di disaccoppiamento.

2.3 Proteggere gli oggetti sensibili

La protezione degli oggetti sensibili si concentra principalmente su due aspetti. Da un lato, il canale tra oggetti sensibili e interferenze elettromagnetiche viene tagliato, dall'altro per ridurre la sensibilità degli oggetti sensibili.

La sensibilità dei dispositivi elettronici è una spada a doppio taglio. Da un lato, gli utenti vogliono un'elevata sensibilità dei dispositivi elettronici per migliorare la capacità di ricevere segnali; d'altra parte, l'elevata sensibilità comporta anche una maggiore probabilità di essere influenzati dal rumore. Pertanto, la sensibilità delle apparecchiature elettroniche dovrebbe essere determinata in base a condizioni specifiche.

Per le apparecchiature elettroniche analogiche, il metodo solitamente adottato è quello di utilizzare i circuiti preferiti, come la progettazione di circuiti a basso rumore, riducendo la larghezza di banda, sopprimendo la trasmissione di interferenze, bilanciando l'ingresso, sopprimendo le interferenze e selezionando alimentatori di alta qualità. Attraverso questi metodi, la sensibilità delle apparecchiature elettroniche alle interferenze elettromagnetiche può essere efficacemente ridotta e la capacità anti-interferenza dell'apparecchiatura può essere migliorata.

Per le apparecchiature elettroniche digitali, i circuiti digitali con elevata tolleranza al rumore CC dovrebbero essere utilizzati quando l'indice di lavoro lo consente. Ad esempio, la tolleranza al rumore CC dei circuiti digitali CMOS è molto superiore a quella dei circuiti digitali TTL; Se l'indice lo consente, provare a utilizzare un circuito digitale con una bassa velocità di commutazione, perché maggiore è la velocità di commutazione, più veloce è la tensione o le variazioni di corrente causate da esso e più facile è produrre interferenze di accoppiamento tra i circuiti; Sotto la premessa, la tensione di soglia dovrebbe essere aumentata il più possibile e la tensione di soglia dovrebbe essere aumentata impostando un divisore di tensione o un tubo regolatore di tensione davanti al circuito; il metodo di corrispondenza dell'impedenza di carico è adottato per eliminare la trasmissione digitale del segnale anche se l'impedenza di carico è uguale all'impedenza d'onda della linea di segnale. Distorsione dovuta alla rifrazione e alla riflessione nel processo. In circostanze normali, la protezione degli oggetti sensibili deve essere utilizzata in combinazione con la schermatura delle sorgenti di interferenza e la soppressione dei canali di accoppiamento e sono necessari esperimenti ripetuti in pratica secondo la situazione reale per ottenere il miglior effetto di protezione.

Riassuma

L'analisi della compatibilità elettromagnetica e la progettazione di circuiti stampati ad alta velocità è un lavoro molto sistematico e richiede un sacco di esperienza lavorativa accumulata. La progettazione di compatibilità elettromagnetica è una delle chiavi per stabilire se i sistemi elettronici possono raggiungere funzioni e soddisfare gli indicatori di progettazione. Man mano che la complessità dei sistemi elettronici aumenta e le frequenze operative aumentano, la posizione della progettazione di compatibilità elettromagnetica nella progettazione elettronica diventerà sempre più prominente. Il piu' importante.