PCB Tecnico - Conoscere la progettazione PCB di ipcb e anche conoscere il controllo EMC

L'aumento della velocità di clock accoppiato con il bus ad alta frequenza e la velocità dei dati di interfaccia superiore rende la progettazione del circuito del PC più impegnativa. Gli ingegneri devono andare oltre la progettazione logica effettiva sulla scheda, e anche considerare altri fattori che possono influenzare il circuito, tra cui la dimensione del circuito stampato soft board modulo impronte digitali, il rumore ambientale, il consumo energetico e la compatibilità elettromagnetica (EMC).

Gli ingegneri hardware dovrebbero risolvere i problemi EMC nella fase di progettazione del circuito del PC per garantire che il sistema non sia influenzato da guasti EMC.

Buona progettazione di messa a terra

I sistemi di messa a terra a bassa induttanza sono il fattore più importante per ridurre al minimo i problemi EMC. Massimizzare l'area di messa a terra sul circuito del PC può ridurre l'induttanza di messa a terra del sistema, riducendo così la radiazione elettromagnetica e il crosstalk.

La conversazione incrociata può esistere tra due fili qualsiasi sul circuito stampato, a seconda dell'induttanza reciproca e della capacità reciproca, ed è proporzionale alla distanza tra i fili, la velocità del bordo e l'impedenza del cablaggio.

Nei sistemi digitali, il crosstalk generato dall'induttanza reciproca è solitamente maggiore del crosstalk generato dalla capacità reciproca. L'induttanza reciproca può essere ridotta aumentando la distanza tra i cavi o riducendo la distanza dal piano di terra.

Ci sono vari modi per collegare i segnali a terra. Il design del circuito stampato della fabbrica del soft board del modulo dell'impronta digitale in cui i componenti sono collegati casualmente al punto di terra genererà un'elevata induttanza a terra e causerà inevitabili problemi EMC. Si consiglia di utilizzare un piano di terra completamente pavimentato, che può ridurre al minimo l'impedenza quando la corrente ritorna alla sorgente, ma il piano di terra richiede anche uno strato dedicato del circuito del PC, che potrebbe essere irrealistico per un circuito a doppio strato.

Pertanto, si consiglia ai progettisti di utilizzare una griglia di terra . In questo caso, l'induttanza del terreno dipende dalla distanza tra le griglie.

Inoltre, è importante anche il modo in cui il segnale ritorna al suolo del sistema. Se il percorso del segnale è lungo, produrrà un anello di terra, che a sua volta formerà un'antenna e irradia energia. Pertanto, tutto il cablaggio che riporta la corrente alla sorgente dovrebbe scegliere il percorso più breve e dovrebbe andare direttamente al piano di terra.

Non è consigliabile collegare tutti i diversi terreni e collegarli al piano di terra. Questo non solo aumenterà la dimensione del ciclo corrente, ma aumenterà anche la possibilità di rimbalzo a terra. La figura 1b presenta il metodo raccomandato per collegare i componenti al piano di terra.

Un altro buon modo per ridurre i problemi legati all'EMC è quello di unire il terreno con il bordo completo del circuito stampato per formare una gabbia Faraday, in modo che nessun segnale venga instradato al di fuori del confine. Questo metodo può limitare la radiazione del circuito stampato della fabbrica di schede morbide del modulo di impronta digitale all'area entro il limite ed evitare che la radiazione esterna interferisca con il segnale sul circuito stampato.

Dal punto di vista EMC, anche la corretta disposizione degli strati è molto importante. Se il numero di strati utilizzati è superiore a due, utilizzare uno strato completo come strato di terra. Se viene utilizzato un circuito stampato a quattro strati, lo strato sotto il piano di terra dovrebbe essere utilizzato come piano di potenza.

Va notato che la posizione del piano di terra dovrebbe essere tra il cablaggio del segnale ad alta frequenza e il piano di potenza. Se si utilizza un circuito stampato a doppio strato e non è possibile ottenere un piano di terra completo, è possibile utilizzare una griglia di terra. Se non viene utilizzato un piano di alimentazione separato, il cablaggio di terra dovrebbe essere parallelo al cablaggio di alimentazione per garantire alimentazione pulita.

Guida al layout

Per proteggere la progettazione da EMC, i componenti del circuito stampato devono essere classificati in base alle loro funzioni (analogici, digitali, alimentatori, circuiti a bassa velocità, circuiti ad alta velocità, ecc.). Ogni tipo di cablaggio dovrebbe trovarsi nell'area designata e i filtri dovrebbero essere utilizzati al confine del sottosistema.

Quando si tratta di problemi di circuito digitale, particolare attenzione deve essere prestata agli orologi e ad altri segnali ad alta velocità. Il cablaggio che collega questo segnale dovrebbe essere il più breve possibile e dovrebbe essere adiacente al piano di terra per tenere sotto controllo radiazioni e crosstalk.

Per questo tipo di segnale, gli ingegneri devono evitare di utilizzare vias o cavi al bordo del circuito stampato o vicino al connettore. Inoltre, il segnale deve anche essere lontano dal piano di potenza, in quanto ciò causerà rumore sul piano di potenza. Il cablaggio per la trasmissione dei segnali differenziali dovrebbe essere il più vicino possibile l'uno all'altro, in modo che la funzione di cancellazione del campo magnetico possa essere esercitata nel modo più efficace.

Il cablaggio che trasmette il segnale dell'orologio dalla sorgente al dispositivo dovrebbe avere terminali corrispondenti. Finché l'impedenza non è abbinata, si verificheranno problemi di riflessione del segnale. Se non presti attenzione al problema dei segnali riflessi, molta energia verrà irradiata. Diverse forme di terminali efficaci includono punto sorgente, punto finale e terminale CA.

Per il cablaggio rivolto verso l'oscillatore, altri cavi diversi dalla terra non dovrebbero funzionare parallelamente o sotto l'oscillatore o il suo cablaggio. Inoltre, il cristallo dovrebbe essere vicino al chip desiderato.

Poiché la corrente di ritorno segue sempre il percorso della reattanza più bassa, il cablaggio di terra che trasmette la corrente dovrebbe essere vicino al cablaggio che trasmette il segnale pertinente, in modo da mantenere il ciclo di corrente il più breve possibile.

Il cablaggio che trasmette segnali analogici deve essere separato dai segnali ad alta velocità o commutazione e deve essere protetto da segnali di messa a terra. Un filtro passa basso deve essere sempre utilizzato per rimuovere il rumore ad alta frequenza accoppiato al cablaggio analogico circostante.

Inoltre, i piani di terra dei sottosistemi analogici e digitali non possono essere condivisi.

scudo

Qualsiasi rumore sull'alimentatore può influire sul funzionamento del dispositivo in funzione. In generale, la frequenza del rumore accoppiata all'alimentazione elettrica è elevata, quindi sono necessari condensatori bypass o condensatori di disaccoppiamento per il filtraggio.

Il condensatore di disaccoppiamento fornisce un percorso di bassa impedenza per la corrente ad alta frequenza dal piano di potenza al suolo. La corrente scorre attraverso un percorso a terra, e questo percorso forma un anello di terra. Questo percorso deve essere mantenuto il più basso possibile, in modo che il condensatore di disaccoppiamento possa essere posizionato il più vicino possibile all'IC.

I grandi circuiti di terra aumentano le radiazioni e possono essere una potenziale fonte di guasti EMC. Più alta è la frequenza, più vicina è la reattività del condensatore ideale a zero, e non c'è il cosiddetto condensatore ideale sul mercato.

Anche gli imballaggi di piombo e IC aumentano l'induttanza. Condensatori multipli con bassa induttanza seriale equivalente possono essere utilizzati per migliorare l'effetto di disaccoppiamento.

Molti problemi legati all'EMC sono causati da cavi che trasmettono segnali digitali. Questi cavi funzionano in realtà come antenne altamente efficienti. Idealmente, la corrente che entra nel cavo fuoriuscirà dall'altra estremità, ma in realtà la capacità parassitaria e l'induttanza causeranno problemi di radiazione.

L'uso di cavi twisted-pair aiuta a ridurre al minimo i problemi di accoppiamento ed elimina eventuali campi magnetici indotti. Se vengono utilizzati cavi a nastro, devono essere forniti più percorsi di ritorno a terra. Per i segnali ad alta frequenza, devono essere utilizzati cavi schermati e lo scudo di terra deve essere collegato alla testa e alla coda del cavo.

La schermatura è una forma di contenitore conduttivo chiuso, che riduce l'EMI indebolendo il campo E e il campo H dell'onda irradiata. Può essere collegato al terreno, che può efficacemente ridurre le dimensioni dell'antenna loop assorbendo e riflettendo parte della radiazione. In questo modo, la schermatura può anche essere utilizzata come divisorio tra le due zone, riducendo la radiazione energetica da una zona all'altra.

Infine, la schermatura non è una soluzione elettrica, ma un metodo meccanico per ridurre l'EMC. Gli imballaggi metallici (materiali conduttivi e/o magnetici) possono essere utilizzati per evitare EMI dal sistema. Possiamo utilizzare la schermatura per coprire l'intero sistema o parte del sistema, a seconda dei requisiti pertinenti.