PCB Tecnico - Come ottimizzare il design EMC del PCB

Con lo sviluppo dell'era elettrica, ci sono sempre più fonti di onde elettromagnetiche nell'ambiente di vita umano, come la radiodiffusione, la televisione, le comunicazioni a microonde, gli elettrodomestici, i campi elettromagnetici a frequenza di potenza e i campi elettromagnetici ad alta frequenza delle linee di trasmissione di energia. Quando la forza del campo di questi campi elettromagnetici supera un certo limite e il tempo di azione è abbastanza lungo, possono mettere in pericolo la salute umana; al tempo stesso, possono interferire anche con altre apparecchiature elettroniche e comunicazioni. A questo proposito è necessaria una protezione. I concetti di interferenza elettromagnetica e schermatura sono spesso presentati durante lo sviluppo, la produzione e l'uso di prodotti elettronici. Quando i prodotti elettronici funzionano normalmente, il nucleo è un processo di lavoro coordinato tra la scheda PCB e i componenti e parti installati su di essa. È molto importante migliorare l'indice di prestazione dei prodotti elettronici e ridurre l'influenza delle interferenze elettromagnetiche.

1. Progettazione del bordo PCB

Il circuito stampato (PCB) è il supporto di componenti e dispositivi del circuito in prodotti elettronici. Fornisce collegamenti elettrici tra componenti del circuito e dispositivi. È il componente più basilare di varie apparecchiature elettroniche. Le prestazioni delle schede PCB sono direttamente correlate alla qualità e alle prestazioni delle apparecchiature elettroniche. Con lo sviluppo di circuiti integrati, tecnologia SMT e tecnologia di micro-assemblaggio, ci sono sempre più prodotti elettronici multifunzionali ad alta densità, con conseguente layout complesso del cavo su schede PCB, numerose parti e componenti e installazione densa, che inevitabilmente causerà interferenze tra di loro. Quindi il problema della soppressione delle interferenze elettromagnetiche è diventato la chiave per stabilire se un sistema elettronico possa funzionare normalmente. Allo stesso modo, con lo sviluppo della tecnologia elettrica, la densità del PCB sta diventando sempre più alta e la qualità del design della scheda PCB ha una grande influenza sull'interferenza e sulla capacità anti-interferenza del circuito. Al fine di ottenere le migliori prestazioni dei circuiti elettronici, oltre alla selezione dei componenti e alla progettazione del circuito, un buon design della scheda PCB è anche un fattore molto importante nella compatibilità elettromagnetica (EMC).

1.1 Progettazione ragionevole dello strato PCB

Secondo la complessità del circuito, una scelta ragionevole del numero di strati del PCB può ridurre efficacemente l'interferenza elettromagnetica, ridurre notevolmente le dimensioni del PCB e la lunghezza del circuito corrente e del cablaggio del ramo e ridurre notevolmente l'interferenza incrociata tra i segnali. Gli esperimenti mostrano che quando viene utilizzato lo stesso materiale, il rumore della scheda a quattro strati è 20 dB inferiore a quello della scheda a doppio strato. Tuttavia, maggiore è il numero di strati, più complicato è il processo di produzione e più alto è il costo di produzione. Nel cablaggio della scheda PCB multistrato, è meglio utilizzare una struttura di cablaggio a rete "ben" tra gli strati adiacenti, cioè le direzioni dei rispettivi cablaggi degli strati adiacenti sono perpendicolari l'uno all'altro. Ad esempio, il lato superiore del PCB è instradato orizzontalmente e il lato successivo è instradato verticalmente e quindi collegato da vias.

1.2 Design ragionevole delle dimensioni della scheda PCB

Quando la dimensione della scheda PCB è troppo grande, i fili stampati aumenteranno, l'impedenza aumenterà, la capacità anti-rumore diminuirà e il volume dell'apparecchiatura aumenterà e il costo aumenterà di conseguenza. Se la dimensione è troppo piccola, la dissipazione del calore non è buona e le linee adiacenti sono facilmente disturbate. In generale, lo strato meccanico (strato meccanico) determina il telaio fisico, cioè la dimensione del contorno della scheda PCB, e lo strato di Keepout (strato di Keepout) è vietato determinare l'area effettiva di layout e cablaggio. Generalmente, in base al numero di unità funzionali del circuito, tutti i componenti del circuito sono integrati e la migliore forma e dimensione della scheda PCB sono infine determinate. Di solito si usa un rettangolo e il rapporto di aspetto è 3:2. Quando la dimensione del circuito stampato è più grande di 150mm * 200mm, la resistenza meccanica del PCB dovrebbe essere considerata.

2. Il layout della scheda PCB

Nella progettazione della scheda PCB, l'ingegnere elettronico può concentrarsi solo sull'aumento della densità, sulla riduzione dello spazio occupato, sulla produzione semplice o sul perseguimento dell'estetica e del layout uniforme, ignorando l'influenza del layout del circuito sulla compatibilità elettromagnetica (EMC), in modo che un gran numero di segnali siano irradiati nello spazio. Formate interferenze reciproche. Un layout PCB povero può causare più problemi di compatibilità elettromagnetica (EMC) piuttosto che eliminarli.

Le caratteristiche del layout dei componenti e del cablaggio dei circuiti digitali, dei circuiti analogici e dei circuiti di alimentazione nelle apparecchiature elettroniche sono diverse e le interferenze che producono e i metodi di soppressione delle interferenze sono diversi. A causa delle diverse frequenze dei circuiti ad alta frequenza e bassa frequenza, le loro interferenze e i metodi di soppressione delle interferenze sono anche diversi. Pertanto, nel layout dei componenti, il circuito digitale, il circuito analogico e il circuito di alimentazione dovrebbero essere posizionati separatamente e il circuito ad alta frequenza e il circuito a bassa frequenza dovrebbero essere separati. Se possibile, dovrebbero essere isolati separatamente o trasformati in una scheda PCB separatamente. Nel layout, particolare attenzione dovrebbe essere prestata alla distribuzione del dispositivo di segnali forti e deboli e alla direzione di trasmissione del segnale.

2.1 Disposizione dei componenti della scheda PCB

Il layout dei componenti della scheda PCB è lo stesso di altri circuiti logici e i componenti correlati tra loro dovrebbero essere posizionati il più vicino possibile, in modo da ottenere un migliore effetto anti-rumore. La posizione dei componenti sulla scheda PCB dovrebbe considerare pienamente il problema delle interferenze anti-elettromagnetiche. Uno dei principi è che i cavi tra i componenti devono essere il più brevi possibile. Nel layout, la parte del segnale analogico, la parte del circuito digitale ad alta velocità e la parte della sorgente di rumore (quali relè, interruttori ad alta corrente, ecc.) dovrebbero essere ragionevolmente separati per ridurre al minimo l'accoppiamento del segnale tra di loro.

Generatori di orologi, oscillatori a cristalli e terminali di ingresso dell'orologio della CPU sono tutti soggetti al rumore, quindi dovrebbero essere più vicini l'uno all'altro. I dispositivi a rischio di rumore, i circuiti a bassa corrente e i circuiti ad alta corrente dovrebbero essere tenuti il più possibile lontani dai circuiti logici. Se possibile, dovrebbe essere fatta un'altra scheda PCB, che è molto importante.

Requisiti generali di layout per i componenti PCB: Il layout dei componenti del circuito e dei percorsi del segnale deve ridurre al minimo l'accoppiamento di segnali inutili.

1) I canali di segnale a basso livello non possono essere vicini ai canali di segnale ad alto livello e alle linee elettriche non filtrate, compresi i circuiti che possono generare processi transitori.

2) Separare circuiti analogici di basso livello e circuiti digitali per evitare l'accoppiamento di impedenza comune tra circuiti analogici, circuiti digitali e circuiti comuni di alimentazione.

3) I circuiti logici ad alta, media e bassa velocità hanno bisogno di aree diverse sul PCB.

4) Quando si organizza il circuito, la lunghezza della linea del segnale dovrebbe essere minimizzata.

5) Assicurarsi che non ci siano linee di segnale parallele eccessivamente lunghe tra schede adiacenti, tra livelli adiacenti della stessa scheda e tra cavi adiacenti sullo stesso livello.

6) Il filtro di interferenza elettromagnetica (EMI) deve essere il più vicino possibile alla sorgente di interferenza elettromagnetica e posizionato sullo stesso circuito stampato.

2.2 Cablaggio della scheda PCB

La composizione di una scheda PCB è una struttura multistrato che utilizza una serie di laminazione, cablaggio e elaborazione prepreg sullo stack verticale. Nella scheda PCB multistrato, al fine di facilitare il debug, la linea del segnale sarà posata sullo strato più esterno.

Nel caso di alta frequenza, l'induttanza distribuita e la capacità distribuita della scheda PCB, come tracce, vias, resistenze, condensatori e connettori, non possono essere ignorate. La resistenza causerà la riflessione e l'assorbimento dei segnali ad alta frequenza. Anche la capacità distribuita della traccia giocherà un ruolo. Quando la lunghezza della traccia è superiore a 1/20 della lunghezza d'onda corrispondente della frequenza del rumore, si verifica un effetto antenna e il rumore viene emesso attraverso la traccia.

La maggior parte dei collegamenti cavi della scheda PCB sono completati tramite vias. Una via può portare circa 0.5pF capacità distribuita e ridurre il numero di vias può aumentare significativamente la velocità.

Il materiale di imballaggio di un circuito integrato introduce una capacità da 2 a 6 pF. Un connettore sul PCB ha un'induttanza distribuita di 520nH. Una presa a circuito integrato a 24 pin dual-in-line introduce induttanza distribuita 4-18nH.