Tecnologia PCBA - Effetto della scanalatura del piano terra sulle caratteristiche EMC delle schede PCB

Uno slot del piano di terra è un incavo nello strato di terra (piano di terra) di una scheda PCB, di solito per ospitare alcune linee di segnale o per fornire un percorso di ritorno alternativo necessario per schede multistrato. La forma, le dimensioni e la posizione dello slot influenzeranno direttamente le prestazioni del circuito.

Analisi dell'impatto della scanalatura del piano di terra sulle caratteristiche EMC delle schede PCB

Il design della scanalatura del piano di terra può avere un impatto significativo sulle prestazioni di compatibilità elettromagnetica (EMC) di una scheda PCB, che può essere sia dannoso che vantaggioso. Per comprendere questo in profondità, dobbiamo prima chiarire le attuali caratteristiche di distribuzione dei segnali ad alta velocità e dei segnali a bassa velocità sulla scheda PCB. Nel caso di trasmissione a bassa velocità, la corrente scorre principalmente lungo il percorso di minore resistenza. Come mostrato nella figura sottostante, quando la corrente a bassa velocità scorre dal punto A al punto B, il suo segnale di ritorno sarà ampiamente distribuito sul piano del suolo e tornerà alla sorgente. A questo punto, la corrente è relativamente ampiamente distribuita.

Tuttavia, nel caso della trasmissione ad alta velocità, l'effetto induttivo sul percorso di ritorno del segnale supererà l'effetto resistivo come fattore dominante. Il segnale di ritorno ad alta velocità fluirà lungo il percorso di minore impedenza, formando un fascio stretto e concentrato che segue da vicino la linea del segnale sottostante.

Quando sono presenti circuiti incompatibili sulla scheda PCB, è necessaria una strategia "split-ground" per evitare la sovrapposizione dei segnali di ritorno e l'accoppiamento di impedenza comune a terra. Ciò significa piani di terra separati per tensione di alimentazione, segnali digitali e analogici, segnali ad alta e bassa velocità e segnali ad alta e bassa corrente. Dalla descrizione precedente della distribuzione della corrente di ritorno dei segnali ad alta velocità e bassa velocità, possiamo facilmente comprendere l'importanza della strategia split-ground.

Tuttavia, sia i segnali ad alta velocità che a bassa velocità possono causare una serie di gravi problemi quando attraversano fessure aperte nel piano di potenza o nel piano di terra. Questi problemi comprendono:

Gli slot del piano di terra aumentano l'area corrente del ciclo, che aumenta l'induttanza del ciclo e si traduce in forme d'onda di uscita soggette a oscillazioni.

Per le linee di segnale ad alta velocità che richiedono un controllo dell'impedenza stretto e sono instradate secondo un modello stripline, lo slotting distrugge il modello stripline, con conseguente discontinuità di impedenza che possono causare gravi problemi di integrità del segnale.

La scanalatura del piano terra aumenta il potenziale di emissioni irradiate nello spazio circostante e rende la scheda più suscettibile alle interferenze dei campi magnetici spaziali.

Le cadute di tensione ad alta frequenza attraverso gli induttori loop possono costituire una fonte di radiazione in modalità comune e generare interferenze irradiate in modalità comune attraverso cavi esterni.

La scanalatura del piano di terra aumenta anche il rischio di segnale ad alta frequenza crosstalk tra gli altri circuiti della scheda.

Nell'affrontare la fenditura del piano di terra devono essere rispettati i seguenti principi:

Per le linee di segnale ad alta velocità che richiedono una gestione rigorosa dell'impedenza, i loro percorsi devono rigorosamente evitare l'instradamento attraverso regioni divise per prevenire discontinuità di impedenza, che a sua volta può portare a gravi problemi di integrità del segnale;

Nel caso in cui esistano circuiti incompatibili sulla scheda PCB,occorre adottare misure di condivisione a terra,ma in tal modo si dovrebbe garantire che le linee di segnale ad alta velocità non siano costrette ad essere instradate attraverso la regione divisa, mentre le linee di segnale a bassa velocità attraverso la divisione dovrebbero essere ridotte al minimo;

Se è davvero impossibile evitare l'allineamento tra la fascia oraria divisa, dovrebbe essere adottato un programma di ponte per una corretta gestione;

Le connessioni esterne al connettore dovrebbero essere evitate nella separazione dello strato, perché se vi è una differenza significativa di potenziale tra il punto A e il punto B sullo strato, può causare problemi di radiazione in modalità comune attraverso il cavo esterno;

Nella progettazione PCB dei connettori ad alta densità, a meno che non vi sia una necessità specifica, generalmente dovrebbe garantire che la rete di terra intorno a ogni layout del perno, o nella disposizione del perno della rete di terra distribuita uniformemente per garantire la continuità del piano del suolo, impedendo così efficacemente l'emergere di fessure.

La scanalatura del piano di terra ha un impatto profondo sulle prestazioni EMC della scheda PCB e richiede una progettazione attenta. Seguendo i principi di evitare linee ad alta velocità attraverso lo slot, una distribuzione a terra ragionevole, il ponte quando necessario e l'ottimizzazione del layout dei connettori possono migliorare efficacemente le prestazioni EMC e garantire stabilità e affidabilità del prodotto.