PCB Tecnico - Ricerca sull'EMC della scheda PCB dell'alimentazione elettrica a commutazione

Con il miglioramento delle prestazioni dei dispositivi a semiconduttore di potenza e l'innovazione della tecnologia di conversione di commutazione, la tecnologia elettronica di potenza è stata ampiamente utilizzata in varie apparecchiature di alimentazione elettrica. Attualmente, i prodotti dell'alimentazione elettrica di commutazione tendono ad essere piccoli, ad alta velocità e ad alta densità. Questa tendenza ha causato problemi di compatibilità elettromagnetica sempre più gravi. Il processo di commutazione ad alta frequenza di tensione e corrente produce una grande quantità di EMI (interferenza elettromagnetica). Se questa parte dell'interferenza non è limitata, inciderà seriamente sul normale funzionamento delle apparecchiature elettriche circostanti. Pertanto, il design PCB dell'alimentatore di commutazione è un aspetto cruciale per risolvere il problema di compatibilità elettromagnetica dell'alimentatore di commutazione. Il motivo per cui il PCB è considerato un componente indispensabile e importante nella progettazione dell'alimentazione di commutazione è che è responsabile della doppia connessione dei componenti elettrici e meccanici dell'alimentazione di commutazione ed è la chiave per ridurre la progettazione EMI delle apparecchiature elettroniche.

1 Interferenza elettromagnetica nella progettazione di PCB

1.1 Interferenza elettromagnetica dell'accoppiamento

Nella progettazione del circuito, l'interferenza elettromagnetica dell'accoppiamento colpisce principalmente altri circuiti attraverso l'accoppiamento di conduzione e l'accoppiamento di impedenza di modo comune. Dal punto di vista della progettazione EMC, i circuiti di alimentazione switching sono diversi dai circuiti digitali ordinari e hanno sorgenti di interferenza relativamente evidenti e linee sensibili. In generale, le fonti di interferenza degli alimentatori di commutazione sono concentrate principalmente sui componenti e sui cavi con grande tensione e tasso di cambio corrente.

1.2 Interferenza tra le conversazioni incrociate

L'interferenza tra strisce, fili e cavi nel circuito stampato (PCB) è uno dei problemi più difficili da superare nel circuito del circuito stampato. Il crosstalk menzionato qui è un crosstalk in senso più ampio, non importa che la sorgente sia segnale utile o rumore, il crosstalk è espresso dalla capacità reciproca e dall'induttanza reciproca dei fili. Ad esempio, una linea di striscia sul PCB porta livelli di controllo e logica, e una seconda linea di striscia vicina ad essa porta un segnale di basso livello. Quando la lunghezza del cablaggio parallelo supera i 10 cm, è prevista un'interferenza crosstalk; Quando un cavo lungo trasporta diversi set di dati seriali o paralleli ad alta velocità e linee di controllo remoto, anche l'interferenza crosstalk diventa un problema importante. Il crosstalk tra fili e cavi adiacenti è causato dal campo elettrico che passa attraverso la capacità reciproca e dal campo magnetico che passa attraverso l'induttanza reciproca.

1.3 Interferenza elettromagnetica delle radiazioni

L'interferenza di radiazione è l'interferenza introdotta a causa della radiazione delle onde elettromagnetiche nello spazio. La radiazione elettromagnetica PCB è divisa in due tipi: radiazione differenziale e radiazione comune. Nella maggior parte dei casi, l'interferenza condotta prodotta dalla commutazione degli alimentatori è dominata da interferenze in modo comune e l'effetto di radiazione delle interferenze in modo comune è molto maggiore dell'interferenza in modo differenziale. Pertanto, ridurre le interferenze in modalità comune è particolarmente importante nella progettazione EMC degli alimentatori di commutazione.

2 fasi di soppressione delle interferenze PCB

2.1 Informazioni sulla progettazione del PCB

Quando si progetta un PCB, è necessario comprendere le informazioni di progettazione del circuito stampato, che includono quanto segue:

(1) numero di dispositivi, dimensioni del dispositivo e imballaggio del dispositivo;

(2) requisiti per la disposizione generale, la posizione del layout del dispositivo, la presenza o l'assenza di dispositivi ad alta potenza e requisiti speciali per la dissipazione del calore dei dispositivi chip;

(3) la velocità del chip digitale, se il PCB è diviso in aree a bassa velocità, a media velocità e ad alta velocità e che sono le aree di ingresso e uscita dell'interfaccia;

(4) il tipo e la velocità della linea di segnale e la direzione di trasmissione, il requisito di controllo dell'impedenza della linea di segnale, la direzione della velocità del bus e la situazione di guida, il segnale chiave e le misure di protezione;

2.2 Layering PCB

In primo luogo, determinare il numero di strati di cablaggio e strati di alimentazione necessari per implementare la funzione entro un intervallo di costi accettabile. Il numero di strati del circuito stampato è determinato da fattori quali requisiti funzionali dettagliati, immunità, separazione delle categorie di segnale, densità del dispositivo e cablaggio bus. Attualmente, i circuiti stampati si sono gradualmente sviluppati da schede monostrato, doppio strato e quattro strati a più strati. La progettazione di schede stampate multistrato è la misura principale per raggiungere gli standard di compatibilità elettromagnetica. I requisiti sono:

(1) La distribuzione dello strato di potenza separato e dello strato di terra può ben sopprimere l'interferenza intrinseca del modo comune e ridurre l'impedenza della sorgente di punto;

(2) il piano di potenza e il piano di terra sono il più vicino possibile l'uno all'altro e il piano di terra è generalmente sopra il piano di potenza;

(3) è meglio disporre circuiti digitali e circuiti analogici in strati differenti;

2.3 Layout PCB

La chiave del design EMC del circuito stampato è il layout e il cablaggio, che è direttamente correlato alle prestazioni del circuito stampato. L'attuale automazione EDA del layout del circuito stampato è molto bassa, richiedendo un sacco di layout manuale. Prima del layout, deve essere determinata la dimensione del PCB che soddisfa la funzione al costo più basso possibile. Pertanto, il layout deve essere eseguito in base all'unità di funzione del circuito e fattori come la compatibilità elettromagnetica, la dissipazione del calore e l'interfaccia devono essere presi in considerazione allo stesso tempo. Alcuni principi dovrebbero essere seguiti nel layout generale:

(1) disporre ogni unità di circuito funzionale secondo il flusso del segnale del circuito per mantenere il flusso del segnale nella stessa direzione;

(2) prendere il componente centrale di ogni unità di circuito funzionale come centro e altri componenti sono disposti intorno ad esso;

(3) accorciare il cablaggio tra componenti ad alta frequenza il più possibile e cercare di ridurre i loro parametri di distribuzione;

2.4 Cablaggio PCB

(1) Principio di cablaggio

Durante il cablaggio, classificare tutte le linee di segnale. Posizionare prima l'orologio e le linee di segnale sensibili, quindi instradare le linee di segnale ad alta velocità. Dopo aver assicurato che i vias per tali segnali sono abbastanza piccoli e i parametri di distribuzione sono buoni, quindi instradare le linee di segnale generali non importanti. I principi da seguire sono:

1) I fili delle estremità di ingresso e uscita dovrebbero essere evitati per quanto possibile dal parallelo adiacente a lunga distanza; al fine di ridurre la traversa dei lunghi fili paralleli, la distanza tra le linee può essere aumentata o il filo di terra può essere inserito tra i fili;

2) La larghezza del circuito stampato non dovrebbe essere cambiata improvvisamente e il cavo non dovrebbe essere angolato improvvisamente. Mantenere l'impedenza del circuito il più possibile continua. Gli angoli della linea di trasmissione stampata seguono generalmente un arco circolare o formano un angolo di 135°;

3) Prestare particolare attenzione alla distribuzione di potenza e fili di terra dei circuiti ad alta frequenza;

4) Ridurre l'area del ciclo del filo nel processo di flusso corrente, perché la radiazione esterna del ciclo di trasporto della corrente è proporzionale alla corrente di passaggio, all'area del ciclo e alla frequenza del segnale;

(2) Progettazione di cablaggio EMC del circuito stampato

Secondo il diagramma di distribuzione del campo elettrico di interferenza per portare avanti la progettazione di cablaggio EMC del circuito stampato, la sua idea di base è quella di mettere il circuito sensibile nell'area con interferenze più deboli. Quindi, secondo il concetto di "coefficiente di accoppiamento" che è stato proposto, la dimensione della capacità distribuita tra i circuiti stampati è stimata in tempo reale e il PCB può essere modificato e migliorato nel tempo durante la progettazione, che può ridurre efficacemente l'interferenza di conduzione del PCB.

2.5 Circuito anti-inceppamento PCB

Per il sistema di controllo digitale di un grande alimentatore di commutazione, ogni dispositivo logico ha un livello di valvola corrispondente e una tolleranza al rumore. Finché il rumore esterno non supera il limite di tolleranza del dispositivo logico, il sistema può funzionare normalmente. Tuttavia, una volta che il rumore o l'interferenza che invade il sistema supera una certa tolleranza, il segnale di interferenza sarà amplificato e modellato dal dispositivo logico, che diventa una causa importante di malfunzionamento. Il più sensibile del sistema del microcomputer singolo chip è il segnale dell'orologio, il segnale di reset e il segnale di interruzione. Queste tre linee di segnale dovrebbero essere prestate particolare attenzione quando si posa il PCB. Mentre soddisfa la funzione, l'oscillatore di cristallo con la frequenza più bassa dovrebbe essere selezionato.