PCB Tecnico - Tecnologia di controllo EMC/EMI nella progettazione di 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 nella fase di progettazione PCB delle apparecchiature 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 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 e controllati a diversi livelli.

. Controllo dai tre elementi di EMI, vale a dire, sorgente di interferenza, percorso di accoppiamento di energia e sistema sensibile, in modo che il circuito abbia una risposta in frequenza piatta e assicuri il funzionamento normale e stabile del circuito.

Iniziare con il design front-end dell'apparecchiatura, prestare attenzione al design EMC / EMI e ridurre i costi di progettazione.

2 Tecnologia di controllo EMI 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.

2.1 Selezione del 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. Inoltre, poiché i perni di piombo del dispositivo hanno tutti induttanza parassitaria e capacità parassitaria, nella progettazione ad alta velocità, l'influenza della forma del pacchetto del dispositivo sul segnale non può essere ignorata, perché è anche un fattore importante nella generazione della radiazione EMI. Generalmente, i parametri parassitari dei dispositivi SMD sono più piccoli di quelli dei dispositivi plug-in e i parametri parassitari dei pacchetti BGA sono più piccoli dei pacchetti QFP.

2.2 Selezione del connettore e definizione del terminale del segnale

Il connettore è un collegamento chiave nella trasmissione del segnale ad alta velocità ed è anche un anello debole che è incline all'EMI. Più pin di terra possono essere disposti nella progettazione del terminale del connettore per ridurre la distanza tra il segnale e la terra, ridurre l'area effettiva del ciclo del segnale che genera radiazioni nel connettore e fornire un percorso di ritorno a bassa impedenza. Quando necessario, considerare l'isolamento di alcuni segnali chiave con perni di terra.

2.3 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.

2.4 Struttura

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:

. Il segnale analogico è facilmente interferito dal segnale digitale e il circuito analogico dovrebbe essere separato dal circuito digitale;

La linea dell'orologio è la principale fonte di interferenza e radiazioni. Tenere lontano dai circuiti sensibili e mantenere la linea di clock più breve;

. I circuiti ad alta corrente e ad alta potenza dovrebbero essere evitati per quanto possibile nell'area centrale della scheda e gli effetti della dissipazione del calore e della radiazione dovrebbero essere considerati;

. Il connettore deve essere disposto su un lato della scheda per quanto possibile e lontano dal circuito ad alta frequenza;

. Il circuito di ingresso / uscita è vicino al connettore corrispondente e il condensatore di disaccoppiamento è vicino al pin di alimentazione corrispondente;

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

.Il piano di ritorno (percorso) non è diviso.

2.5 Cablaggio

Controllo dell'impedenza: Le linee di segnale ad alta velocità presenteranno 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.

Classificare i segnali, secondo l'intensità di radiazione EMI e la sensibilità dei diversi segnali (segnale analogico, segnale di clock, segnale I/O, bus, alimentazione elettrica, ecc.), separare la sorgente di interferenza e il sistema sensibile il più possibile e ridurre l'accoppiamento.

. Rigorosamente controllare la lunghezza della traccia del segnale dell'orologio (in particolare il segnale dell'orologio ad alta velocità), il numero di vias, l'area di partizionamento, la terminazione, lo strato di cablaggio, il percorso di ritorno, ecc.

Il loop di segnale, cioè il loop formato dal segnale che scorre verso il segnale che scorre dentro, è la chiave per il controllo EMI nella progettazione PCB e deve essere controllato durante il cablaggio. 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 del ciclo corrente può essere ridotta, riducendo così l'energia di radiazione EMI.

I segnali chiave non devono attraversare l'area segmentata.

Il cablaggio del segnale differenziale ad alta velocità dovrebbe essere strettamente accoppiato il più possibile.

Assicurarsi che la linea di strip, la linea di microstrip 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 una rete di connessione multipunto, selezionare una topologia adatta per ridurre la riflessione del segnale e ridurre la radiazione EMI.

2.6 Elaborazione frazionata del piano di potenza

.Segmentazione 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.

.Separazione 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%.

3 Altri metodi di controllo dell'IME

3.1 Progettazione del sistema elettrico

Progettare un sistema di alimentazione a bassa impedenza per garantire che l'impedenza del sistema di distribuzione dell'energia nell'intervallo di frequenza inferiore a fknee sia inferiore all'impedenza target.

Utilizzare filtri per controllare le interferenze condotte.

Disattivazione dell'alimentazione. 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.

3.2 Messa a terra

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

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

La terra digitale, la terra analogica e la terra di rumore dovrebbero essere separati e dovrebbe essere determinato un punto di terra comune adatto.

Se la progettazione a doppio pannello non ha strato di filo di terra, è molto 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 del bordo multistrato, assicurarsi che ci sia uno strato piano di terra per ridurre l'impedenza comune di terra.

3.3 Collegamento di resistenze di smorzamento in serie

Con la premessa che i requisiti di sequenza del circuito consentono, la tecnica di base per sopprimere la sorgente di interferenza è quella di collegare una piccola resistenza in serie all'estremità di uscita del segnale chiave, di solito una resistenza 22-33Ω. Queste piccole resistenze in serie all'uscita possono rallentare il tempo di salita / caduta e regolare i segnali di overshoot e sottoshoot, riducendo così l'ampiezza delle armoniche ad alta frequenza della forma d'onda di uscita e raggiungendo lo scopo di sopprimere efficacemente EMI.

3.4 Scudo

I componenti chiave possono utilizzare materiali di schermatura EMI o reti di schermatura.

La schermatura dei segnali chiave può essere progettata come linee di striscia o separata da fili di terra su entrambi i lati dei segnali chiave.

3.5 Diffusione dello spettro

Il metodo spread spectrum (spread spectrum) è un metodo nuovo ed efficace per ridurre l'IME. Lo spettro diffuso è quello di modulare il segnale ed espandere l'energia del segnale ad una gamma di frequenze relativamente ampia. In realtà, questo metodo è una modulazione controllata del segnale di clock, e questo metodo non aumenterà significativamente il jitter del segnale di clock. L'applicazione pratica dimostra che la tecnologia a spettro diffuso è efficace e può ridurre le radiazioni da 7 a 20dB.

3.6 Analisi e test dell'IME

.Analisi di simulazione

Una volta 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 delle pertinenti norme di compatibilità elettromagnetica.

Test di scansione

Utilizzare uno scanner di radiazioni elettromagnetiche per scansionare il disco montato e acceso della macchina per ottenere la mappa di distribuzione del campo elettromagnetico nel PCB (come mostrato nella Figura 3, le aree rosse, verdi e blu-bianche nella figura indicano l'energia di radiazione elettromagnetica da basso a alto). Secondo il test Di conseguenza, la progettazione PCB è migliorata.

4 sommario

Con lo sviluppo continuo e l'applicazione di nuovi chip ad alta velocità, le frequenze del segnale stanno diventando sempre più alte e le schede PCB che li trasportano possono diventare sempre più piccole. La progettazione di PCB dovrà affrontare sfide EMI più gravi. Solo l'esplorazione continua e l'innovazione continua possono far sì che la progettazione EMC/EMI delle schede PCB abbia successo.