PCB Tecnico - Lezione EMI/EMC Design: Il piano di immagine del circuito stampato (Parte 2)

Un piano immagine è uno strato di conduttori di rame (o altri conduttori) che si trova all'interno di un circuito stampato (PCB). Può essere un piano di tensione, o un piano di riferimento 0V adiacente a un circuito o uno strato di routing del segnale. Negli anni '90, il concetto di piano immagine è stato ampiamente utilizzato, e ora è un termine appropriato per gli standard industriali. Questo articolo spiegherà la definizione, il principio e il design del piano dell'immagine.

Il disegno del piano dell'immagine

La figura 4 è il piano di immagine nel PCB, che ha una induttanza parziale comune. In questa figura, la maggior parte della corrente RF della traccia del segnale tornerà al piano di terra, che è direttamente sotto la traccia del segnale. In questa struttura "immagine" di ritorno, la corrente di ritorno RF incontrerà un'impedenza finita (induttanza). Questa corrente di ritorno produce un "gradiente di tensione (pendenza)" (il tasso di variazione della tensione per unità di lunghezza del percorso), noto anche come "tensione di rumore di terra". La tensione di rumore a terra farà passare parte della corrente del segnale attraverso condensatori discreti sul piano di terra.

La corrente tipica del modo comune è 1/10 n volte la corrente del modo differenziale Idm (n è un numero intero positivo inferiore a 10). Tuttavia, la corrente in modalità comune (I1 e Icm) genererà più radiazione della corrente in modo differenziale (e ). Questo perché il campo corrente in radiofrequenza comune è additivo, mentre il campo corrente in modo differenziale è sottrattivo.

Per ridurre la "tensione di rumore di terra", il valore comune di induttanza tra la traccia e il piano di immagine più vicino deve essere aumentato. Questo può fornire un percorso migliorato per la corrente di ritorno per mappare la corrente dell'immagine alla sorgente corrente. La formula di calcolo della tensione di rumore a terra Vgnd è la seguente:

Vgnd = Lg dI2/dt-Mgs dI1/dt

La figura 4 e il significato simbolico della formula di cui sopra sono i seguenti:

L = parte dell'induttanza della traccia del segnale stesso.

Msg = induttanza parziale comune tra la traccia del segnale e il piano di terra.

Lg = parte dell'induttanza del piano di terra stesso.

Mgs = induttanza parziale comune tra il piano di terra e la traccia del segnale.

Cstray = la capacità vaga del piano di terra.

Vgnd = tensione acustica del piano di terra.

Per ridurre l'If nella figura 4, la tensione di rumore del suolo deve essere ridotta. Il modo migliore è ridurre la distanza tra la traccia del segnale e il piano di terra. Nella maggior parte dei casi, vi è un limite alla riduzione del rumore del suolo, perché la distanza tra il piano del segnale e il piano dell'immagine non può essere inferiore a un certo valore; se è inferiore a questo valore, l'impedenza fissa e la funzione del circuito stampato non saranno garantite. Inoltre, può anche fornire un percorso aggiuntivo per la corrente di radiofrequenza, riducendo così la tensione di rumore a terra. Questo percorso di ritorno aggiuntivo include diversi fili di terra.

Figura 4: Il piano di terra nel PCB

Un piano stabile produrrà radiazioni in modalità comune. Poiché l'induttanza parziale comune può ridurre la generazione di corrente radiofrequenza radiante, l'induttanza parziale comune influenzerà anche la corrente di modo differenziale e la corrente di modo comune. L'uso del piano immagine può ridurre notevolmente queste correnti. In teoria, la corrente di modo differenziale dovrebbe essere uguale a zero, ma in realtà non può essere eliminata al 100%, e la corrente di modo differenziale rimanente sarà convertita in una corrente di modo comune. Questa corrente di modalità comune è la principale fonte di interferenza elettromagnetica. Poiché la corrente RF rimanente sul percorso di ritorno viene aggiunta alla corrente principale (I1) nel percorso del segnale, causando gravi interferenze del segnale. Per ridurre la corrente in modalità comune, dobbiamo aumentare al massimo il valore di induttanza della parte comune tra il piano di traccia e il piano dell'immagine al fine di catturare il flusso magnetico, eliminando così l'energia non necessaria alla radiofrequenza. La tensione e la corrente di modo differenziale produrranno corrente di modo comune. Oltre ad aumentare il valore comune dell'induttanza, il metodo di riduzione della corrente del modo differenziale deve anche ridurre al minimo la distanza tra il piano di traccia e il piano dell'immagine.

Nel PCB, quando c'è un piano o un percorso di ritorno RF, se il percorso di ritorno è collegato a una sorgente di riferimento, si possono ottenere le migliori prestazioni. Per TTL e CMOS, i pin di alimentazione e messa a terra nel chip sono collegati alla sorgente di riferimento, all'alimentazione e al piano di terra. Solo quando il percorso di ritorno RF è collegato ai pin di alimentazione e di massa nel chip, esisterà un piano di immagine reale. Di solito, c'è un circuito di terra nel chip e questo circuito è collegato al piano di terra del PCB, quindi viene prodotto un buon piano di immagine. Se questo piano di immagine viene rimosso, un piano di immagine "immaginario" verrà creato tra la traccia e il piano di terra. Poiché la distanza tra le tracce è piccola, l'energia irradiata sarà ridotta, quindi l'immagine RF sarà offset. Il piano ideale dell'immagine dovrebbe essere infinito e non ci sono spaccature, crepe o tagli.

Ritorno a terra e segnale

Poiché il loop è il mezzo più importante per la propagazione dell'energia a radiofrequenza, il controllo del loop di ritorno a terra o del segnale (controllo del loop di ritorno) è una delle considerazioni di progettazione più importanti per sopprimere le interferenze elettromagnetiche nel PCB. I componenti logici ad alta velocità e gli oscillatori dovrebbero essere il più vicino possibile al circuito di messa a terra per evitare la formazione di un ciclo; Ci saranno correnti vorticose in questo loop, e il telaio o telaio sono a terra in questo momento. Le correnti Eddy sono indotte dal cambiamento dei campi magnetici e sono solitamente parassitarie. La figura 5 mostra il loop formato dallo slot della scheda adattatore del PC e dalla messa a terra a punto singolo. In questa figura, c'è un'ulteriore area del loop di ritorno del segnale. Ogni ciclo produrrà un campo elettromagnetico diverso e uno spettro di frequenza. La corrente di radiofrequenza genererà un campo di radiazione elettromagnetica ad una frequenza specifica e la dimensione della sua energia irradiata è correlata all'area del ciclo. In questo momento deve essere utilizzato un contenimento per impedire l'accoppiamento della corrente a radiofrequenza ad altri circuiti; o radiazioni verso l'ambiente esterno, causando interferenze elettromagnetiche. Tuttavia, è meglio evitare il più possibile la corrente di loop RF generata dal circuito interno.

Figura 5: Ciclo di terra nel PCB

Se il percorso di ritorno della corrente a radiofrequenza non esiste, in questo momento, la linea di terra collegata alla base o la sorgente di riferimento 0V può essere utilizzata per assistere il movimento.

Rimuovete la corrente radio a bassa frequenza. Questo è anche chiamato "controllo dell'area loop".

Controllo dell'area dell'anello

Un ciclo indotto da un campo magnetico, il suo campo elettromagnetico può essere rappresentato da una fonte di tensione. La dimensione di questa sorgente di tensione è proporzionale all'area totale del ciclo. Pertanto, al fine di ridurre l'effetto di accoppiamento del campo magnetico, l'area del ciclo deve essere ridotta. Il sistema di ricezione "pickup" del campo elettrico si basa anche sull'area del loop per formare un'antenna ricevente.

Quando c'è un campo elettrico, una sorgente di corrente viene generata tra l'alimentazione elettrica e il piano di terra. Il campo elettrico non si accoppia da linea a linea, ma si accoppia da traccia a terra, che include correnti di modalità comune. Tuttavia, per il campo magnetico, poiché il campo elettrico sarà generato con esso, il campo elettromagnetico sarà accoppiato dalla linea alla linea, e anche dalla traccia alla linea di terra.

La maggior parte delle persone ignorerà la necessità di impostare un'area loop tra l'alimentazione elettrica e il punto di riferimento 0V nel PCB. La grande area del loop mostrata nella Figura 6 è la più facile da progettare, ma è anche la più facile da indurre da "scarica elettrostatica (ESD)" o altri campi a diventare un'antenna. Il PCB impilato a più strati può ridurre il danno di ESD e può ridurre la generazione di campo magnetico e impedirgli di irradiarsi nello spazio libero. Nella Figura 7, c'è una piccola area del ciclo tra il piano di terra e il piano di potenza.

Utilizzando i piani di potenza e terra può ridurre l'induttanza del sistema di distribuzione dell'energia. Se l'impedenza caratteristica del sistema di distribuzione dell'energia è ridotta, la caduta di tensione del circuito stampato può essere ridotta. Se la caduta di tensione diventa più piccola, il fenomeno del "rimbalzo di terra" può essere evitato. Quando l'interruttore del gate logico viene commutato rapidamente, il cambiamento istantaneo della corrente sarà trasmesso al piano di potenza o al piano di terra della scheda madre attraverso i pin IC, causando fluttuazioni nella tensione di riferimento in ingresso e quindi generando rumore a radiofrequenza (rumore RF) e interferenza elettromagnetica. Il fenomeno è chiamato "rimbalzo di terra". Inoltre, riducendo l'impedenza caratteristica, il valore di capacità tra il piano di potenza e il piano di terra aumenterà. Questo valore di capacità farà qualsiasi caduta di tensione indotta. Questo è l'effetto del "disaccoppiamento".

Figura 6: L'area verde è una grande area ad anello

Quando la linea di segnale si sposta tra i componenti, viene creata una grande area loop. Ma spesso dimentichiamo l'influenza delle linee di segnale sull'IME. Anche se l'integrità del segnale (dominio temporale) è ancora elevata, EMI esiste ancora (dominio frequenza), perché l'area del loop del segnale causa più problemi dei sistemi di distribuzione dell'energia. Ciò è particolarmente vero dal punto di vista dell'ESD; Questo perché ESD entra direttamente nei pin di ingresso del loop e dei componenti. Per ridurre il danno che ESD può causare, ridurre l'area del ciclo è il modo più semplice. La rete decentralizzata del piano di terra e di potenza fornisce un percorso a bassa impedenza che può trasmettere l'energia ESD al piano di riferimento di ritorno 0V. Dopo tutto, i circuiti sono circuiti e se possono emettere onde elettromagnetiche, dovrebbero essere in grado di ricevere onde elettromagnetiche.

Oltre a ridurre la tensione del rumore di terra, il piano dell'immagine può anche impedire che il ciclo di terra RF diventi più grande, perché la corrente RF è strettamente accoppiata con le tracce della sorgente corrente, quindi non ha bisogno di trovare un altro percorso di ritorno. Quando il controllo del ciclo è massimizzato, il flusso magnetico è notevolmente eliminato. Questo è uno dei concetti più importanti per sopprimere la corrente di radiofrequenza in PCB. In prossimità di ogni piano del segnale, la corretta configurazione del piano dell'immagine può eliminare la corrente di radiofrequenza in modalità comune. Il piano dell'immagine che trasmette una grande quantità di corrente a radiofrequenza deve essere messo a terra o collegato a un punto di riferimento 0V. Al fine di rimuovere la tensione RF in eccesso e le correnti vorticose, tutti i piani di messa a terra e base possono essere collegati al punto di messa a terra della base attraverso un circuito di messa a terra a bassa impedenza.

Figura 7: Layout PCB con una piccola area loop

Spaziatura del filo di messa a terra

Per ridurre la generazione di loop nel PCB, il modo più semplice è progettare molti fili di messa a terra e tutti sono collegati al punto di messa a terra della base. Poiché la velocità di bordo del segnale di uscita del componente è stata accelerata, la messa a terra multipunto è diventata una specifica necessaria, specialmente quando c'è un progetto che utilizza l'interconnessione I/O. Quando il PCB utilizza la messa a terra multipunto e sono tutti collegati a una struttura metallica, in questo momento, dobbiamo conoscere la distanza tra tutti i fili di messa a terra.

La distanza tra i fili di terra non può superare Î"/20 della frequenza più alta, che comprende non solo la frequenza principale ma anche le frequenze armoniche. Se la velocità di bordo del segnale di uscita di un componente è relativamente lenta, il numero di punti di messa a terra collegati alla base può essere ridotto o la distanza dalla posizione di messa a terra può essere aumentata. Ad esempio, l'Î"/20 di un oscillatore 64MHz è 23,4 cm. Se la distanza lineare tra i due fili di terra è maggiore di 23,4 cm, c'è la possibilità che ci sia un ciclo di radiofrequenza, che può essere la fonte di propagazione dell'energia in radiofrequenza.

Il layout dei componenti nel PCB deve essere corretto. Mettere i fili di terra di diversi blocchi funzionali strettamente adiacenti l'uno all'altro può accorciare la lunghezza della traccia del segnale, ridurre la riflessione e rendere più facile il cablaggio, mantenendo l'integrità del segnale. L'uso di vias deve essere evitato il più possibile, perché ogni via aumenterà l'induttanza della traccia di circa 1-3 nH.

Inoltre, al fine di evitare l'accoppiamento di diverse aree di larghezza di banda, diversi blocchi funzionali devono essere correttamente partizionati. I metodi includono: utilizzando PCB separati, isolamento, cablaggio diverso... La divisione corretta può migliorare le prestazioni del circuito, rendere l'avvolgimento più facile, accorciare la lunghezza della traccia e può ridurre l'area del ciclo e migliorare la qualità del segnale. Prima del cablaggio, gli ingegneri devono pianificare quali componenti appartengono a quale blocco funzionale e queste informazioni possono essere ottenute dai fornitori di componenti.