PCB Tecnico - Progettazione EMC PCB ad alta velocità quarantasette

Corrente del modo differenziale e corrente del modo comune:

Generazione di radiazioni: La corrente elettrica causa radiazione, non tensione, la carica statica produce campo elettrostatico, la corrente costante produce campo magnetico e la corrente variabile nel tempo produce sia campo elettrico che campo magnetico. Ci sono corrente in modalità comune e corrente differenziale in qualsiasi circuito. I segnali in modalità differenziale trasportano dati o segnali utili. I segnali in modalità comune sono un effetto negativo della modalità differenziale.

Corrente di modo differenziale: uguale in magnitudine e opposta in direzione (fase). A causa della capacità di distribuzione discontinua, dell'induttanza e dell'impedenza della traccia del segnale e del percorso di ritorno del segnale che scorre attraverso percorsi inaspettati, la corrente di modo differenziale sarà convertita in corrente di modo comune.

Corrente di modalità comune: la grandezza non è necessariamente la stessa, la direzione (fase) è la stessa. L'interferenza esterna dell'apparecchiatura è principalmente in modalità comune e esiste anche interferenza in modo differenziale, ma l'intensità di interferenza in modo comune è spesso di diversi ordini di grandezza superiore all'intensità del modo differenziale. L'interferenza esterna è principalmente interferenza di modalità comune. L'interferenza di modo comune in genere non causa danni all'apparecchiatura, ma se l'interferenza di modo comune viene trasformata in interferenza di modo differenziale, sarà grave perché i segnali utili sono tutti segnali di modo differenziale. Il campo magnetico della corrente di modo differenziale è concentrato principalmente nell'area del ciclo formata dalla corrente di modo differenziale e al di fuori dell'area del ciclo, le linee magnetiche di forza si cancelleranno a vicenda; il campo magnetico della corrente di modalità comune si trova al di fuori dell'area del ciclo e la direzione del campo magnetico generata dalla corrente di modalità comune è la stessa. Molti progetti EMC di PCB seguono la teoria di cui sopra.

I modi per sopprimere le interferenze sulla scheda PCB sono:

Ridurre l'area del ciclo di segnale in modalità differenziale

Ridurre il ritorno del rumore ad alta frequenza (filtraggio, isolamento e abbinamento)

Ridurre la tensione in modalità comune (progettazione messa a terra)

I principi di progettazione PCB sono riassunti

Principio 1: La frequenza dell'orologio PCB supera 5MHZ o il tempo di aumento del segnale è inferiore a 5ns, generalmente deve utilizzare la progettazione della scheda multistrato. Motivo: L'area del ciclo del segnale può essere ben controllata adottando la progettazione della scheda multistrato.

Principio 2: Per le schede multistrato, lo strato di cablaggio chiave (lo strato in cui si trovano la linea dell'orologio, il bus, la linea del segnale di interfaccia, la linea di radiofrequenza, la linea del segnale di reset, la linea del segnale di selezione del chip e le varie linee del segnale di controllo) dovrebbe essere adiacente al piano terra completo. Preferibilmente tra due aerei di terra. Motivo: Le linee di segnale chiave sono generalmente forti radiazioni o linee di segnale estremamente sensibili. Il cablaggio vicino al piano di terra può ridurre l'area del ciclo del segnale, ridurre l'intensità della radiazione o migliorare la capacità anti-interferenza.

Principio 3: per le schede monostrato, entrambi i lati della linea di segnale chiave dovrebbero essere coperti con terra; Motivo: Entrambi i lati del segnale chiave sono coperti di terra. Da un lato, può ridurre l'area del loop del segnale e prevenire la crosstalk tra le linee del segnale e altre linee del segnale.

Principio 4: Per le schede a doppio strato, una grande area di terra dovrebbe essere posata sul piano di proiezione delle linee di segnale chiave, o allo stesso modo delle schede a lato singolo, il terreno dovrebbe essere perforato. Motivo: lo stesso del segnale chiave della scheda multistrato vicino al piano di terra

Principio 5: In una scheda multistrato, il piano di potenza dovrebbe essere ritratto da 5H-20H rispetto al suo piano di terra adiacente (H è la distanza tra l'alimentazione elettrica e il piano di terra). Motivo: L'indentazione del piano di potenza rispetto al suo piano di terra di ritorno può efficacemente sopprimere il problema della radiazione del bordo.

Principio 6: Il piano di proiezione dello strato di cablaggio dovrebbe essere nell'area dello strato del piano di riflusso. Motivo: Se lo strato di cablaggio non è nell'area di proiezione dello strato piano di riflusso, causerà problemi di radiazione del bordo e aumenterà l'area del ciclo del segnale, con conseguente aumento della radiazione differenziale.

Principio 7: Nelle schede multistrato, gli strati TOP e BOTTOM della singola scheda non dovrebbero avere linee di segnale più grandi di 50MHZ il più possibile. Motivo: È meglio camminare segnali ad alta frequenza tra due strati piani per sopprimere la loro radiazione nello spazio.

Principio 8: Per una singola scheda con una frequenza di funzionamento a livello di scheda superiore a 50MHz, se il secondo strato e il penultimo strato sono strati di cablaggio, gli strati TOP e BOOTTOM dovrebbero essere coperti con foglio di rame a terra. Motivo: È meglio camminare il segnale ad alta frequenza tra i due strati piani per sopprimere la sua radiazione allo spazio.

Principio 9: In una scheda multistrato, il piano di potenza di lavoro principale (il piano di potenza più ampiamente usato) della scheda singola dovrebbe essere in prossimità del suo piano di terra. Motivo: Il piano di potenza adiacente e il piano di terra possono ridurre efficacemente l'area del ciclo del circuito di alimentazione.

Principio 10: In una scheda a singolo strato, ci deve essere un filo di terra accanto e parallelo alla traccia di alimentazione. Motivo: ridurre l'area del ciclo di corrente dell'alimentazione elettrica.

Principio 11: In una scheda a doppio strato, ci deve essere un filo di terra accanto e parallelo alla traccia di potenza. Motivo: ridurre l'area del ciclo di corrente dell'alimentazione elettrica.

Principio 12: Nel design stratificato, cercare di evitare le impostazioni adiacenti dello strato di cablaggio. Se è inevitabile che gli strati di cablaggio siano adiacenti l'uno all'altro, la distanza tra i due strati di cablaggio dovrebbe essere aumentata in modo appropriato e la distanza tra lo strato di cablaggio e il suo circuito di segnale dovrebbe essere ridotta. Motivo: Tracce parallele del segnale su strati di cablaggio adiacenti possono causare crosstalk del segnale.

Principio 13: Gli strati piani adiacenti dovrebbero evitare la sovrapposizione dei loro piani di proiezione. Motivo: Quando le proiezioni si sovrappongono, la capacità di accoppiamento tra gli strati causerà il rumore tra gli strati di accoppiarsi tra loro.

Principio 14: Quando si progetta il layout PCB, rispettare pienamente il principio di progettazione di posare in linea retta lungo la direzione del flusso del segnale e cercare di evitare il loop avanti e indietro. Motivo: Evitare l'accoppiamento diretto del segnale e influenzare la qualità del segnale.

Principio 15: Quando più circuiti di modulo sono posizionati sullo stesso PCB, i circuiti digitali e i circuiti analogici e i circuiti ad alta velocità e bassa velocità dovrebbero essere disposti separatamente. Motivo: Evitare interferenze reciproche tra circuiti digitali, circuiti analogici, circuiti ad alta velocità e circuiti a bassa velocità.

Principio 16: Quando ci sono circuiti ad alta, media e bassa velocità sul circuito stampato allo stesso tempo, seguire i circuiti ad alta e media velocità e stare lontano dall'interfaccia. Motivo: Evitare il rumore del circuito ad alta frequenza da irradiare verso l'esterno attraverso l'interfaccia.

Principio 17: I condensatori filtranti ad alta frequenza e lo stoccaggio dell'energia devono essere posizionati vicino ai circuiti dell'unità o ai dispositivi con grandi cambiamenti di corrente (come moduli di alimentazione: terminali di ingresso e uscita, ventilatori e relè). Motivo: L'esistenza di condensatori di accumulo di energia può ridurre l'area del ciclo di grandi cicli di corrente.

Principio 18: Il circuito filtrante della porta di ingresso di potenza del circuito stampato deve essere posizionato vicino all'interfaccia. Motivo: per evitare il riavvolgimento del circuito filtrato.

Principio 19: Sul PCB, i componenti di filtraggio, protezione e isolamento del circuito di interfaccia dovrebbero essere posizionati vicino all'interfaccia. Motivo: Può raggiungere efficacemente gli effetti della protezione, del filtraggio e dell'isolamento.

Principio 20: Se c'è sia un filtro che un circuito di protezione all'interfaccia, il principio della protezione prima e poi del filtraggio dovrebbe essere seguito. Motivo: Il circuito di protezione è utilizzato per sopprimere la sovratensione esterna e la sovracorrente. Se il circuito di protezione è posizionato dopo il circuito del filtro, il circuito del filtro sarà danneggiato da sovratensione e sovracorrente.

Principio 21: Durante il layout, assicurarsi che le linee di ingresso e uscita del circuito filtro (filtro), isolamento e circuito di protezione non si accoppiano tra loro. Motivo: Quando le tracce di ingresso e uscita del circuito di cui sopra sono accoppiate tra loro, l'effetto di filtraggio, isolamento o protezione sarà indebolito.

Principio 22: Se sulla scheda è progettata un'interfaccia "terra pulita", i componenti filtranti e di isolamento devono essere posizionati sulla banda di isolamento tra il "terreno pulito" e il terreno di lavoro. Motivo: Evitare l'accoppiamento di dispositivi di filtraggio o isolamento tra loro attraverso lo strato piano, che indebolirà l'effetto.

Principio 23: Sul "terreno pulito", oltre ai dispositivi di filtraggio e protezione, non possono essere posizionati altri dispositivi. Motivo: lo scopo del progetto "terreno pulito" è quello di garantire la radiazione minima dell'interfaccia e il "terreno pulito" è facilmente accoppiato da interferenze esterne, quindi non hanno altri circuiti e dispositivi irrilevanti sul "terreno pulito".

Principio 24: Tenere forti dispositivi di radiazione quali cristalli, oscillatori di cristallo, relè e alimentatori di commutazione ad almeno 1000 mil di distanza dai connettori dell'interfaccia della scheda. Motivo: L'interferenza si irradia direttamente o la corrente sarà accoppiata al cavo in uscita per irradiarsi verso l'esterno.

Principio 25: I circuiti sensibili o i dispositivi (come i circuiti di reset, i circuiti WATCHDOG, ecc.) dovrebbero essere ad almeno 1000 mil di distanza da ogni bordo della scheda, in particolare dal bordo dell'interfaccia della scheda. Motivo: i luoghi simili alle interfacce a scheda singola sono i luoghi più facilmente accoppiati da interferenze esterne (come l'elettricità statica), e circuiti sensibili come i circuiti di reset e i circuiti watchdog possono facilmente causare il malfunzionamento del sistema.

Principio 26: I condensatori filtranti per il filtraggio IC devono essere posizionati il più vicino possibile ai pin di alimentazione del chip. Motivo: Più il condensatore è vicino al perno, più piccola è l'area del ciclo ad alta frequenza e più piccola è la radiazione.

Principio 27: Per la resistenza corrispondente di serie di start-end, dovrebbe essere posizionata vicino alla sua estremità di uscita del segnale. Motivo: Lo scopo di progettazione della resistenza di corrispondenza di serie di inizio-fine è quello di aggiungere l'impedenza di uscita dell'estremità di uscita del chip e l'impedenza della resistenza di serie all'impedenza caratteristica della traccia. La resistenza corrispondente è posta alla fine, che non può soddisfare l'equazione di cui sopra.

Principio 28: Le tracce PCB non possono avere tracce ad angolo retto o ad angolo acuto. Motivo: Il cablaggio ad angolo retto porta a discontinuità nell'impedenza, che porta alla trasmissione del segnale, con conseguente squillo o overshoot e forte radiazione EMI.

Principio 29: Cercate di evitare l'impostazione dei livelli di cablaggio adiacenti. Quando è inevitabile, cercare di rendere le tracce nei due strati di cablaggio perpendicolari l'uno all'altro o la lunghezza delle tracce parallele è inferiore a 1000mil. Motivo: per ridurre il crosstalk tra tracce parallele.

Principio 30: Se la scheda ha uno strato interno di cablaggio del segnale, le linee chiave del segnale come gli orologi dovrebbero essere disposte sullo strato interno (lo strato di cablaggio preferito è preferito). Motivo: l'implementazione di segnali chiave sullo strato di cablaggio interno può svolgere un ruolo di schermatura.

Principio 31: Si raccomanda di coprire il filo di terra su entrambi i lati della linea dell'orologio. Il filo di terra deve essere messo a terra ogni 3000mil. Motivo: Assicurarsi che le potenzialità di tutti i punti sulla linea di terra del pacchetto siano uguali.

Principio 32: Le tracce chiave del segnale quali orologi, bus e linee di radiofrequenza e altre tracce parallele sullo stesso livello dovrebbero soddisfare il principio 3W. Motivo: evitare conversazioni incrociate tra segnali.

Principio 33: Le pastiglie dei fusibili per montaggio superficiale, delle perle magnetiche, degli induttori e dei condensatori al tantalio utilizzati per gli alimentatori con corrente 654;1A non dovrebbero essere inferiori a due vie collegate allo strato piano. Motivo: Ridurre l'impedenza equivalente della via.

Principio 34: Le linee di segnale differenziali dovrebbero essere sullo stesso strato, di uguale lunghezza, e funzionare in parallelo, mantenendo l'impedenza uniforme e non ci dovrebbe essere nessun altro cablaggio tra le linee differenziali. Motivo: per garantire che l'impedenza di modo comune della coppia di linee differenziali sia uguale a migliorare la sua capacità anti-interferenza.

Principio 35: Le tracce del segnale chiave non devono essere tracciate attraverso la partizione (compreso il divario del piano di riferimento causato da vias e pad). Motivo: Il cablaggio attraverso la partizione aumenterà l'area del ciclo di segnale.

Principio 36: Quando è inevitabile dividere la linea del segnale attraverso il suo piano di ritorno, si raccomanda di utilizzare un approccio condensatore a ponte vicino alla divisione della portata del segnale. Il valore del condensatore è 1nF. Motivo: Quando la portata del segnale è divisa, l'area del ciclo è spesso aumentata. Il metodo di messa a terra del ponte è impostato artificialmente per il ciclo del segnale.

Principio 37: Non avere altre tracce di segnale irrilevanti sotto il filtro (circuito filtro) sulla scheda. Motivo: La capacità distribuita indebolirà l'effetto filtrante del filtro.

Principio 38: Le linee di segnale in ingresso e in uscita del filtro (circuito filtro) non possono essere parallele o incrociate. Motivo: Evitare l'accoppiamento diretto tra le tracce prima e dopo il filtraggio.

Principio 39: La distanza tra la linea del segnale chiave e il bordo del piano di riferimento è â ư¥ 3H (H è l'altezza della linea dal piano di riferimento). Motivo: sopprimere l'effetto di radiazione del bordo.

Principio 40: Per i componenti di messa a terra del guscio metallico, il rame macinato dovrebbe essere posato sullo strato superiore dell'area di proiezione. Motivo: La capacità distribuita tra il guscio metallico e il rame a terra viene utilizzata per sopprimere la radiazione esterna e migliorare l'immunità.

Principio 41: Nelle schede a singolo strato o a doppio strato, prestare attenzione alla progettazione di "minimizzare l'area del ciclo" durante il cablaggio. Motivo: Più piccola è l'area del loop, più piccola è la radiazione esterna del loop e più forte è la capacità anti-interferenza.

Principio 42: Quando si cambiano gli strati delle linee di segnale (in particolare le linee di segnale chiave), i vias di terra dovrebbero essere progettati vicino ai vias di cambiamento dello strato. Motivo: L'area del loop del segnale può essere ridotta.

Principio 43: Linee dell'orologio, linee del bus, linee di radiofrequenza, ecc.: Tenere forti linee del segnale di radiazione lontano dall'interfaccia e dalle linee del segnale in uscita. Motivo: Evitare l'interferenza di forti linee di segnale di radiazione dall'accoppiamento alle linee di segnale in uscita e irradiarsi verso l'esterno.

Principio 44: Tenere le linee di segnale sensibili come le linee di segnale di reset, le linee di segnale di selezione del chip e i segnali di controllo del sistema lontano dalle linee di segnale in uscita dell'interfaccia. Motivo: La linea di segnale che esce dall'interfaccia porta spesso in interferenze esterne e quando è accoppiata alla linea di segnale sensibile, causerà il malfunzionamento del sistema.

Principio 45: In pannello singolo e doppio, il cablaggio del condensatore del filtro dovrebbe essere filtrato prima dal condensatore del filtro e poi ai pin del dispositivo. Motivo: La tensione di alimentazione viene filtrata prima di fornire energia al IC e il rumore alimentato dal IC all'alimentazione elettrica sarà filtrato anche dal condensatore.

Principio 46: Nel pannello singolo o doppio, se la linea elettrica è molto lunga, i condensatori di disaccoppiamento dovrebbero essere aggiunti al suolo ogni 3000mil e il valore del condensatore dovrebbe essere 10uF + 1000pF. Motivo: filtrare il rumore ad alta frequenza sulla linea elettrica.

Principio 47: Il cavo di massa e il cavo di alimentazione del condensatore del filtro dovrebbero essere il più spesso e corto possibile. Motivo: L'induttanza di serie equivalente ridurrà la frequenza di risonanza del condensatore e indebolirà il suo effetto filtrante ad alta frequenza.