Notizie PCB - Progettazione PCB basata sulla compatibilità elettromagnetica

0 Prefazione

PCB è l'abbreviazione di Printed Circuit Board in inglese. Generalmente, i modelli conduttivi costituiti da circuiti stampati, componenti stampati o una combinazione di entrambi su materiali isolanti secondo un disegno predeterminato sono chiamati circuiti stampati. Il modello conduttivo che fornisce collegamenti elettrici tra i componenti su un substrato isolante è chiamato circuito stampato. In questo modo, il circuito stampato o la scheda finita del circuito stampato è chiamato circuito stampato, chiamato anche circuito stampato o circuito stampato. La scheda PCB è inseparabile da quasi tutte le apparecchiature elettroniche che possiamo vedere, da orologi elettronici, calcolatrici, computer per uso generale, ai computer, apparecchiature elettroniche di comunicazione, aviazione, aerospaziale, sistemi di armi militari, purché ci siano componenti elettronici come circuiti integrati. I dispositivi e la loro interconnessione elettrica utilizzano tutti PCB e le sue prestazioni sono direttamente correlate alla qualità delle apparecchiature elettroniche. Con il rapido sviluppo della tecnologia elettronica, i prodotti elettronici stanno diventando sempre più ad alta velocità, ad alta sensibilità e ad alta densità. Questa tendenza ha portato a gravi problemi di compatibilità elettromagnetica (EMC) e interferenza elettromagnetica nella progettazione di circuiti stampati PCB. La progettazione di compatibilità elettromagnetica è diventata problemi tecnici da risolvere urgentemente nella progettazione PCB.

1 Compatibilità elettromagnetica

La compatibilità elettromagnetica (compatibilità elettromagnetica, EMC in breve) è una disciplina globale emergente, che studia principalmente le interferenze elettromagnetiche e le questioni anti-interferenza. Compatibilità elettromagnetica significa che l'apparecchiatura o il sistema elettronico non riduce l'indice di prestazione a causa di interferenze elettromagnetiche sotto il livello specificato dell'ambiente elettromagnetico e che la radiazione elettromagnetica da essi generata non è superiore al livello limite limitato e non influisce sul normale funzionamento di altri sistemi. E raggiungere l'obiettivo di non interferenza tra attrezzature e attrezzature, sistema e sistema, e lavorare insieme in modo affidabile. L'interferenza elettromagnetica (EMI) è causata da fonti di interferenza elettromagnetica che trasferiscono energia a sistemi sensibili attraverso percorsi di accoppiamento. Comprende tre forme di base: conduzione da fili e fili di terra comuni, e attraverso radiazione spaziale o accoppiamento vicino-campo. La pratica ha dimostrato che anche se lo schema del circuito è progettato correttamente e il circuito stampato non è progettato correttamente, avrà un effetto negativo sull'affidabilità delle apparecchiature elettroniche. Pertanto, garantire la compatibilità elettromagnetica del circuito stampato è la chiave per l'intero design del sistema.

1.1 Interferenza elettromagnetica (EMI)

Quando si verifica un problema EMI, deve essere descritto da tre elementi: la sorgente di interferenza, il percorso di propagazione e il ricevitore.

Pertanto, se vogliamo ridurre le interferenze elettromagnetiche, dobbiamo pensare a una soluzione su questi tre elementi. Di seguito discutiamo principalmente la tecnologia di cablaggio dei circuiti stampati.

2 Tecnologia di cablaggio per circuiti stampati

Un buon cablaggio del circuito stampato (PCB) è un fattore molto importante per la compatibilità elettromagnetica.

2.1 Caratteristiche di base del PCB

Un PCB è composto da una serie di trattamenti di laminazione, cablaggio e prepreg sulla pila verticale. In un PCB multistrato, il progettista disporrà le linee di segnale sullo strato più esterno per facilitare il debug.

Il cablaggio sul PCB ha caratteristiche di impedenza, capacità e induttanza.

Impedenza: L'impedenza del cablaggio è determinata dal peso del rame e dall'area della sezione trasversale. Ad esempio, un'oncia di rame ha O. 49 mΩ/impedenza per unità di area. Capacità: La capacità del cablaggio è determinata dall'isolante (EoEr), dalla portata della corrente (A) e dalla distanza di linea (h). Espresso dall'equazione come C=EoErA/h, Eo è la costante dielettrica dello spazio libero (8,854 pF/m), ed Er è la costante dielettrica relativa del substrato PCB (4,7 nel rotolamento FR4).

Induttanza: L'induttanza del cablaggio è distribuita uniformemente nel cablaggio, circa 1 nH/m.

Per 1 oncia di filo di rame, in O.D. Nel caso di laminazione FR4 di spessore 25 mm (10 mil), il filo largo 0,5 mm (20 mil) e lungo 20 mm (800 mil) sopra lo strato di terra può produrre impedenza 9,8 mâ Ֆ§, 20 nH L'induttanza e la capacità di accoppiamento di 1,66 pF con il terreno. Confrontando i suddetti valori con gli effetti parassitari dei componenti, questi sono trascurabili, ma la somma di tutti i cablaggi può superare gli effetti parassitari. Pertanto, il designer deve prendere in considerazione questo. Linee guida generali per il cablaggio PCB:

(1) Aumentare la distanza delle tracce per ridurre il crosstalk dell'accoppiamento capacitivo;

(2) Posa la linea elettrica e la linea di terra in parallelo per ottimizzare la capacità PCB;

(3) instradare le linee sensibili ad alta frequenza lontano dalle linee elettriche ad alto rumore;

(4) Allargare la linea elettrica e la linea di terra per ridurre l'impedenza della linea di alimentazione e della linea di terra.

2.2 Divisione

La segmentazione si riferisce all'uso della segmentazione fisica per ridurre l'accoppiamento tra diversi tipi di linee, soprattutto attraverso linee elettriche e linee di terra.

Un esempio di divisione di 4 diversi tipi di circuiti utilizzando la tecnica di divisione. Sul piano terra, le trincee non metalliche sono utilizzate per isolare i quattro piani di terra. L e C sono utilizzati come filtri per ogni parte della scheda. Ridurre l'accoppiamento tra i piani di potenza dei diversi circuiti. I circuiti digitali ad alta velocità devono essere posizionati all'ingresso di alimentazione a causa della loro maggiore domanda istantanea di potenza. I circuiti di interfaccia possono richiedere scariche elettrostatiche (ESD) e dispositivi o circuiti di soppressione transitoria. Per L e C, è meglio utilizzare valori differenti di L e C, piuttosto che un grande L e C, perché può fornire caratteristiche di filtraggio diverse per circuiti diversi.

2.3 Decoppiamento tra alimentazione locale e IC

Il disaccoppiamento locale può ridurre la propagazione del rumore lungo la rete elettrica. Il condensatore bypass di grande capacità collegato tra la porta di ingresso di alimentazione e il PCB agisce come un filtro ripple a bassa frequenza e allo stesso tempo come un potenziale serbatoio per soddisfare la domanda improvvisa di energia. Inoltre, dovrebbero esserci condensatori di disaccoppiamento tra l'alimentazione elettrica e la massa di ogni IC. Questi condensatori di disaccoppiamento dovrebbero essere il più vicino possibile ai pin. Questo aiuterà a filtrare il rumore di commutazione del IC.

2.4 Tecnologia di messa a terra

La tecnologia di messa a terra è applicata sia ai PCB multistrato che ai PCB monostrato. L'obiettivo della tecnologia di messa a terra è ridurre al minimo l'impedenza di terra, riducendo così il potenziale del ciclo di terra dal circuito di ritorno alla fonte di alimentazione.

(1) Filo di terra del PCB monostrato

In un PCB monostrato (lato singolo), la larghezza del filo di terra dovrebbe essere il più ampia possibile e dovrebbe essere almeno 1,5 mm (60 mil). Poiché il cablaggio a stella non può essere implementato su un PCB a singolo strato, il cambiamento nella larghezza del saltatore e del filo di terra dovrebbe essere mantenuto al minimo, altrimenti causerà cambiamenti nell'impedenza e nell'induttanza della linea.

(2) Filo di terra del PCB a doppio strato

Nel PCB a doppio strato (bifacciale), il cablaggio a matrice di punti/griglia di terra è preferito per i circuiti digitali. Questo metodo di cablaggio può ridurre l'impedenza di terra, loop di terra e loop di segnale. Come in un PCB monostrato, la larghezza del terreno e delle linee elettriche dovrebbe essere di almeno 1,5 mm. Un altro layout è quello di mettere il piano di terra da un lato e le linee di segnale e di alimentazione dall'altro lato. In questa disposizione, il ciclo di terra e l'impedenza saranno ulteriormente ridotti e il condensatore di disaccoppiamento può essere posizionato il più vicino possibile tra la linea di alimentazione IC e lo strato di terra.

(3) Anello di protezione

L'anello di protezione è una tecnologia di messa a terra che può isolare un ambiente rumoroso (come la corrente di radiofrequenza) al di fuori dell'anello. Questo perché nessuna corrente scorre attraverso l'anello di protezione nel normale funzionamento.

(4) Capacità PCB

Su una scheda multistrato, la capacità PCB è generata da un sottile strato isolante che separa la superficie dell'alimentazione elettrica e il terreno. Su una scheda a singolo strato, la disposizione parallela della linea di alimentazione e della linea di terra causerà anche questo effetto capacitivo. Un vantaggio del condensatore PCB è che ha una risposta in frequenza molto alta e un'induttanza di serie bassa uniformemente distribuita su tutta la superficie o sull'intera linea. È equivalente a un condensatore di disaccoppiamento distribuito uniformemente su tutta la scheda. Nessun singolo componente discreto ha questa caratteristica.

(5) Circuito ad alta velocità e circuito a bassa velocità

I circuiti ad alta velocità dovrebbero essere posizionati più vicino al piano di terra e i circuiti a bassa velocità dovrebbero essere posizionati più vicino al piano di potenza.

(6) Riempimento di rame della massa

In alcuni circuiti analogici, l'area del circuito non utilizzata è coperta da un grande piano di terra per fornire schermatura e aumentare le capacità di disaccoppiamento. Ma se l'area del rame è sospesa (ad esempio, non è collegata a terra), allora può comportarsi come un'antenna e causare problemi di compatibilità elettromagnetica.

(7) Piano di terra e piano di potenza in PCB multistrato

In un PCB multistrato, si consiglia di posizionare il piano di potenza e il piano di terra in strati adiacenti il più vicino possibile per generare una grande capacità PCB sull'intera scheda. I segnali critici più veloci dovrebbero essere vicini a un lato del piano di terra e i segnali non critici dovrebbero essere posizionati vicino al piano di potenza.

(8) Requisiti energetici

Quando il circuito richiede più di un alimentatore, utilizzare la messa a terra per separare ogni alimentatore. Ma è impossibile macinare più punti in un PCB a singolo strato. Una soluzione è quella di separare il cavo di alimentazione e il cavo di massa da un alimentatore da altri cavi di alimentazione e cavi di terra. Questo aiuta anche ad evitare l'accoppiamento acustico tra gli alimentatori.

3 Osservazioni conclusive

I vari metodi e tecniche introdotti in questo articolo favoriscono il miglioramento delle caratteristiche EMC del PCB. Naturalmente, questi sono solo una parte del progetto EMC. Di solito, il rumore di riflessione, il rumore di emissione di radiazioni e le interferenze causate da altri problemi tecnici di processo devono essere considerati. Nella progettazione effettiva, in base ai requisiti target e alle condizioni di progettazione del progetto, dovrebbero essere adottate ragionevoli misure di interferenza anti-elettromagnetica per progettare un circuito stampato PCB con buone prestazioni EMC.