Dati PCB - Competenze di progettazione di schede PCB EMC

EMC è strettamente correlato alla generazione, alla trasmissione e alla ricezione di energia elettromagnetica e EMC non è previsto nella progettazione di schede PCB. L'energia elettromagnetica proviene da più fonti mescolate insieme, quindi è necessario prestare particolare attenzione per garantire che quando diversi circuiti, tracce, vias e materiali della scheda PCB lavorano insieme, i vari segnali siano compatibili e non interferiscano l'uno con l'altro. L'EMI, d'altra parte, è un effetto distruttivo prodotto dall'EMC o dall'energia elettromagnetica indesiderata. In questo ambiente elettromagnetico, il progettista di schede PCB deve garantire che la generazione di energia elettromagnetica sia ridotta, causando interferenze.

7 consigli per evitare problemi elettromagnetici nella progettazione della scheda PCB

1. Messa a terra del bordo PCB

Un modo importante per ridurre l'EMI è progettare il piano di terra della scheda PCB. Il primo passo è rendere l'area del terreno il più grande possibile all'interno dell'area totale della scheda PCB, riducendo le emissioni, il crosstalk e il rumore. Particolare attenzione deve essere prestata quando si collega ogni componente a un punto di terra o piano, altrimenti l'effetto neutralizzante di un piano di terra affidabile non può essere pienamente utilizzato.

Un design particolarmente complesso della scheda PCB ha diverse tensioni stabili. Idealmente, ogni tensione di riferimento ha il proprio piano di terra corrispondente. Tuttavia, se ci sono troppi piani di terra, aumenterà il costo di produzione della scheda PCB e renderà il prezzo troppo alto. Il compromesso è quello di utilizzare piani di terra in tre o cinque posizioni diverse, ognuna delle quali può contenere più sezioni di terra. Questo non solo controlla il costo di produzione del circuito stampato, ma riduce anche EMI ed EMC. Un sistema di messa a terra a bassa impedenza è importante per ottenere EMC. In un PCB multistrato, c'è un piano di terra solido, non un piano di terra ladro di rame o disperso, perché ha bassa impedenza, fornisce un percorso di corrente ed è una sorgente di segnale inverso. Anche il tempo necessario per tornare a terra è molto importante. Il tempo per il segnale da e verso la sorgente deve essere paragonabile, altrimenti si verifica un fenomeno simile ad un'antenna dove l'energia irradiata diventa parte dell'EMI. Inoltre, le tracce che trasportano corrente verso/dalla sorgente del segnale dovrebbero essere il più brevi possibile, se i percorsi sorgente e ritorno non sono di uguale lunghezza, ci sarà un rimbalzo di terra, che genererà anche EMI. Se l'ora del segnale che entra e esce dalla sorgente non è sincronizzata, si verifica un fenomeno simile all'antenna, che irradia energia e provoca EMI

2. Distinguere l'IME

Poiché EMI è diverso, una buona regola di progettazione EMC è quella di separare circuiti analogici e digitali. I circuiti analogici con maggiore amperaggio o corrente devono essere tenuti lontani da tracce ad alta velocità o segnali di commutazione. Se possibile, dovrebbero essere protetti con un segnale a terra. Su un PCB multistrato, le tracce analogiche dovrebbero essere instradate su un piano di terra, mentre l'interruttore o le tracce ad alta velocità dovrebbero essere sull'altro. Pertanto, segnali di caratteristiche diverse sono separati. Un filtro passa basso può talvolta essere utilizzato per rimuovere il rumore ad alta frequenza associato alle tracce circostanti. Il filtro sopprime il rumore e restituisce una corrente stabile. È importante separare i piani di terra per segnali analogici e digitali. Poiché i circuiti analogici e digitali hanno le loro caratteristiche uniche, è importante separarli. I segnali digitali dovrebbero avere un terreno digitale e i segnali analogici dovrebbero terminare a terra analogica. Nella progettazione di circuiti digitali, il layout esperto della scheda PCB e gli ingegneri di progettazione prestano particolare attenzione ai segnali e agli orologi ad alta velocità. Alle alte velocità, i segnali e gli orologi dovrebbero essere il più brevi possibile e adiacenti al piano di terra perché, come accennato in precedenza, il piano di terra mantiene sotto controllo la conversazione incrociata, il rumore e le radiazioni.

Anche i segnali digitali dovrebbero essere tenuti lontani dai piani di potenza. Se la distanza è vicina, si può creare rumore o induzione, che può indebolire il segnale.

3. Tracce di conversazione incrociata sono la chiave

Le tracce sono particolarmente importanti per garantire un corretto flusso di corrente. Se la corrente proviene da un oscillatore o altro dispositivo simile, è particolarmente importante mantenere la corrente separata dal piano di terra, o non eseguire la corrente in parallelo con un'altra traccia. Due segnali paralleli ad alta velocità generano EMC ed EMI, in particolare crosstalk. Il percorso della resistenza deve essere mantenuto breve e il percorso della corrente di ritorno il più breve possibile. La traccia del percorso di ritorno deve avere la stessa lunghezza della traccia di trasmissione. Per l'EMI, uno è chiamato la "traccia dell'aggressore" e l'altro è la "traccia della vittima". L'accoppiamento induttivo e capacitivo può influenzare le tracce della vittima a causa della presenza di campi elettromagnetici, causando correnti in avanti e indietro sulle "tracce della vittima". In questo modo, le increspature vengono generate in un ambiente stabile dove la lunghezza di trasmissione e ricezione del segnale è quasi uguale. In un ambiente ben bilanciato con tracce stabili, le correnti indotte dovrebbero annullarsi a vicenda per eliminare il crosstalk. Tuttavia, viviamo in un mondo imperfetto dove una cosa del genere non accade. Pertanto, l'obiettivo deve essere quello di mantenere il livello di crosstalk per tutte le tracce. Se la larghezza tra le tracce parallele è doppia rispetto alla larghezza della traccia, l'effetto del crosstalk può essere ridotto. Ad esempio, se la larghezza della traccia è di 5 mil, la distanza tra due tracce parallele dovrebbe essere di 10 mil o più. Poiché nuovi materiali e nuovi componenti continuano ad emergere, i progettisti di schede PCB devono anche continuare a occuparsi di compatibilità elettromagnetica e problemi di interferenza.

4. Condensatori di disaccoppiamento

I condensatori di disaccoppiamento riducono gli effetti indesiderati del crosstalk e devono essere posizionati tra i pin di alimentazione e terra del dispositivo per garantire una bassa impedenza CA, riducendo il rumore e la crosstalk. Per ottenere una bassa impedenza su un'ampia gamma di frequenze, dovrebbero essere utilizzati condensatori multipli di disaccoppiamento. Una regola importante per posizionare condensatori di disaccoppiamento è quella di posizionare i condensatori di valore il più vicino possibile al dispositivo per ridurre gli effetti induttivi sulle tracce. Questo particolare condensatore è posizionato il più vicino possibile ai pin di alimentazione o alle tracce di alimentazione del dispositivo e collega i pad del condensatore direttamente a vias o piani di terra. Se le tracce sono lunghe, utilizzare più vie per creare impedenza al suolo.

5. Evitare angoli di 90°.

Per ridurre l'EMI, evitare tracce, vias e altri componenti che formano angoli di 90°, poiché gli angoli retti generano radiazioni. In questo angolo, la capacità aumenterà e l'impedenza caratteristica cambierà, causando riflessi, che a loro volta causano EMI. Per evitare angoli di 90°, le tracce devono essere indirizzate agli angoli con almeno due angoli di 45°.

6. Usare i flaconcini con parsimonia

In quasi tutti i layout di schede PCB, i vias devono essere utilizzati per fornire connessioni conduttive tra diversi strati. Gli ingegneri di layout PCB devono essere particolarmente attenti perché i vias creano induttanza e capacità. In alcuni casi, producono anche riflessi perché l'impedenza caratteristica cambia quando vengono fatte vie nella traccia. Tieni presente anche che i vias aumentano la lunghezza della traccia e devono essere abbinati. Nel caso di tracce differenziali, i vias devono essere evitati il più possibile. Se inevitabile, i vias devono essere utilizzati in entrambe le tracce per compensare i ritardi nel segnale e nel percorso di ritorno.

7. Cavo/schermatura fisica

I cavi che trasportano circuiti digitali e correnti analogiche creano capacità parassitarie e induttanza che causano molti problemi legati all'EMC. Se si utilizza un cavo a coppia attorcigliata, il livello di accoppiamento viene mantenuto basso, eliminando il campo magnetico risultante. Per i segnali ad alta frequenza, devono essere utilizzati cavi schermati, sia con la parte anteriore che con lo sfondo per eliminare le interferenze EMI. La schermatura fisica è l'incapsulamento di tutto o parte del sistema con un pacchetto metallico per impedire che EMI entri nel circuito sulla scheda PCB. Questo scudo agisce come un contenitore conduttivo a terra chiuso, riducendo le dimensioni del loop dell'antenna e assorbendo EMI.