Progettazione PCB - Tecnologia di controllo EMC/EMI nella progettazione di circuiti stampati PCB

Con il miglioramento dell'integrazione dei dispositivi IC, la graduale miniaturizzazione delle apparecchiature e la crescente velocità dei dispositivi, il problema EMI nei prodotti elettronici è diventato più grave. Dal punto di vista della progettazione EMC/EMI delle apparecchiature di sistema, gestire correttamente i problemi EMC/EMI durante la fase di progettazione PCB dell'apparecchiatura è il metodo più efficace e più basso costo per le apparecchiature di sistema per soddisfare gli standard di compatibilità elettromagnetica. Questo articolo introduce la tecnologia di controllo EMC/EMI nella progettazione di circuiti digitali PCB.

1. Principio di generazione e soppressione dell'IME

La generazione di EMI è causata dalla fonte di interferenza elettromagnetica che trasmette energia al sistema sensibile attraverso il percorso di accoppiamento. Comprende tre forme di base: conduzione tramite filo o terreno comune, radiazione attraverso lo spazio, o accoppiamento vicino-campo. Il rischio di EMI si manifesta nel ridurre la qualità del segnale di trasmissione, causando interferenze o addirittura danni al circuito o alle apparecchiature, rendendo l'apparecchiatura incapace di soddisfare i requisiti di indice tecnico specificati dalla norma di compatibilità elettromagnetica.

Al fine di sopprimere l'IME, la progettazione EMI dei circuiti digitali dovrebbe essere effettuata secondo i seguenti principi:

Secondo le specifiche tecniche EMC/EMI pertinenti, gli indicatori sono scomposti in circuiti a scheda singola per il controllo gerarchico.

2. EMC / EMI tecnologia di controllo del circuito digitale PCB

Quando si tratta di varie forme di IME, occorre analizzare in dettaglio problemi specifici. Nella progettazione PCB dei circuiti digitali, EMI può essere controllato dai seguenti aspetti.

Selezione dispositivo:

Quando progettiamo EMI, dobbiamo prima considerare la velocità del dispositivo selezionato. In qualsiasi circuito, se un dispositivo con un tempo di salita di 5ns viene sostituito con un dispositivo con un tempo di salita di 2,5ns, EMI aumenterà di circa 4 volte. L'intensità di radiazione dell'EMI è proporzionale al quadrato della frequenza. La frequenza EMI più alta (fknee) è anche chiamata banda di emissione EMI. È una funzione del tempo di aumento del segnale piuttosto che della frequenza del segnale: fknee = 0.35/Tr (dove Tr è il tempo di aumento del segnale del dispositivo)

La gamma di frequenza di questo EMI irradiato è da 30 MHz a diversi GHz. In questa banda di frequenza, la lunghezza d'onda è molto breve e anche il cablaggio molto corto sul circuito stampato può diventare un'antenna trasmittente. Quando l'EMI è alto, il circuito perde facilmente la sua normale funzione. Pertanto, nella selezione dei dispositivi, nella premessa di garantire i requisiti di prestazione del circuito, dovrebbero essere utilizzati il più possibile chip a bassa velocità e dovrebbe essere adottato un circuito di guida / ricezione adeguato.

Progettazione impilata:

Sotto la premessa del costo permettendo, aumentare il numero di strati del piano di terra e posizionare lo strato del segnale vicino allo strato del piano di terra può ridurre la radiazione EMI. Per i PCB ad alta velocità, il piano di potenza e il piano di terra sono strettamente accoppiati, che possono ridurre l'impedenza dell'alimentazione elettrica, riducendo così EMI.

layout:

Secondo il flusso di corrente del segnale, un layout ragionevole può ridurre l'interferenza tra i segnali. Un layout ragionevole è la chiave per controllare l'EMI. I principi fondamentali del layout sono:

• La linea dell'orologio è la principale fonte di interferenza e radiazioni. Tenere lontano dai circuiti sensibili e rendere l'orologio traccia il più breve;

• Il connettore dovrebbe essere disposto su un lato della scheda il più lontano possibile e lontano dal circuito ad alta frequenza;

considerare pienamente la fattibilità del layout per la divisione dell'alimentazione elettrica e i dispositivi multi-potenza dovrebbero essere collocati oltre il confine dell'area della divisione dell'alimentazione elettrica per ridurre efficacemente l'impatto della divisione piana sull'IME;

cablaggio:

■Controllo dell'impedenza: Le linee di segnale ad alta velocità mostreranno le caratteristiche delle linee di trasmissione e il controllo dell'impedenza è richiesto per evitare la riflessione del segnale, l'overshoot e l'anello e ridurre la radiazione EMI.

Per comprendere la direzione di flusso di ogni segnale chiave, il segnale chiave deve essere instradato vicino al percorso di ritorno per garantire che la sua area loop sia la più piccola.

Per i segnali a bassa frequenza, fare il flusso corrente attraverso il percorso con la minore resistenza; per i segnali ad alta frequenza, fare scorrere la corrente ad alta frequenza attraverso il percorso con la minore induttanza e non il percorso con la minore resistenza (cfr. figura 1). Per la radiazione in modo differenziale, l'intensità di radiazione EMI (E) è proporzionale alla corrente, all'area del ciclo corrente e al quadrato della frequenza. (I è la corrente, A è l'area del ciclo, f è la frequenza, r è la distanza dal centro del ciclo e k è una costante.)

Pertanto, quando il percorso minimo di ritorno dell'induttanza è appena sotto il filo del segnale, l'area corrente del ciclo può essere ridotta, riducendo così l'energia di radiazione EMI.

Il segnale chiave non deve attraversare l'area segmentata.

. garantire che la linea di striscia, la linea di microstriscia e il suo piano di riferimento soddisfino i requisiti.

Il cavo di piombo del condensatore di disaccoppiamento dovrebbe essere corto e largo.

Tutte le tracce di segnale dovrebbero essere il più lontano possibile dal bordo della scheda.

Per la rete di connessione multipunto, selezionare la struttura topologica appropriata per ridurre la riflessione del segnale e ridurre la radiazione EMI.

Tecnologia di controllo EMC/EMI nel circuito di progettazione-cablaggio-segnale PCB

Trattamento diviso del piano di potenza:

Divisione del livello di potenza

Quando ci sono uno o più subalimentatori su un piano di alimentazione principale, garantire la continuità di ogni area di alimentazione e una larghezza sufficiente del foglio di rame. La linea di divisione non deve essere troppo larga, generalmente 20-50mil larghezza della linea è sufficiente per ridurre la radiazione dello spazio.

Divisione dello strato di terra

Il piano di terra deve essere mantenuto intatto per evitare la spaccatura. Se deve essere diviso, è necessario distinguere tra terra digitale, terra analogica e terra rumorosa e connettersi alla terra esterna attraverso un punto di terra comune all'uscita.

Al fine di ridurre la radiazione del bordo dell'alimentazione elettrica, il piano di potenza/terra dovrebbe seguire il principio di progettazione 20H, cioè, la dimensione del piano di terra è 20H più grande della dimensione del piano di potenza (vedere Figura 2), in modo che l'intensità di radiazione del campo frangia può essere ridotta del 70%.

Al fine di ridurre la radiazione del bordo dell'alimentazione elettrica, il piano di potenza/terra dovrebbe seguire il principio di progettazione 20H, cioè, la dimensione del piano di terra è 20H più grande della dimensione del piano di potenza, in modo che l'intensità di radiazione del campo frangia possa essere ridotta del 70%.

3. Altri metodi di controllo dell'IME

Progettazione del sistema di alimentazione:

■Utilizzare filtri per controllare le interferenze condotte.

- disaccoppiamento dell'alimentazione elettrica. Nella progettazione EMI, fornire condensatori di disaccoppiamento ragionevoli può far funzionare il chip in modo affidabile, ridurre il rumore ad alta frequenza nell'alimentazione elettrica e ridurre EMI. A causa dell'influenza dell'induttanza del cavo e di altri parametri parassitari, la velocità di risposta dell'alimentatore e dei suoi cavi di alimentazione è lenta, il che rende insufficiente la corrente istantanea richiesta dal driver nel circuito ad alta velocità. Progettare ragionevolmente i condensatori di bypass o disaccoppiamento e i condensatori distribuiti dello strato di alimentazione, in modo che l'effetto di accumulo di energia del condensatore possa essere utilizzato per fornire rapidamente corrente al dispositivo prima che l'alimentazione risponda. Un corretto disaccoppiamento capacitivo può fornire un percorso di potenza a bassa impedenza, che è la chiave per ridurre l'EMI in modalità comune.

Messa a terra:

• Il design di messa a terra è la chiave per ridurre l'EMI di tutta la scheda.

Determinare di utilizzare messa a terra a punto singolo, messa a terra a più punti o messa a terra mista.

• Se non c'è uno strato di filo di terra nella progettazione del doppio pannello, è importante progettare ragionevolmente la rete di filo di terra e assicurarsi che la larghezza del filo di terra> la larghezza del cavo di alimentazione> la larghezza del cavo di segnale. Può essere utilizzato anche un metodo di pavimentazione di grande area, ma è necessario prestare attenzione alla continuità della grande area sullo stesso piano.

Per la progettazione della scheda multistrato, assicurarsi che ci sia uno strato piano di terra per ridurre l'impedenza comune di terra.

Analisi e test EMI:

· Analisi di simulazione

Dopo aver completato il cablaggio PCB, il software di simulazione EM I e il sistema esperto possono essere utilizzati per l'analisi di simulazione per simulare l'ambiente EMC / EMI per valutare se il prodotto soddisfa i requisiti dei pertinenti standard di compatibilità elettromagnetica.