PCB Tecnico - Considerazioni EMC nella progettazione di PCB

Considerazioni EMC nella progettazione di 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, la comunicazione a microonde; elettrodomestici; campi elettromagnetici a frequenza di potenza delle linee di trasmissione di energia; campi elettromagnetici ad alta frequenza, ecc. Quando la forza del campo di questi campi elettromagnetici supera un certo limite e il tempo di azione è abbastanza lungo, può mettere in pericolo la salute umana; al tempo stesso, interferirà anche con altre apparecchiature elettroniche e comunicazioni. A questo proposito è necessaria una protezione. Concetti come interferenza elettromagnetica e schermatura sono spesso presentati durante lo sviluppo, la produzione e l'uso di prodotti elettronici. Il nucleo dei prodotti elettronici durante il normale funzionamento è un processo di lavoro coordinato tra il circuito stampato e i componenti e parti installati su di esso. È molto importante migliorare l'indice di prestazione dei prodotti elettronici e ridurre l'influenza delle interferenze elettromagnetiche.

1 progettazione della scheda 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 del PCB sono direttamente correlate all'elettronica. La qualità e le prestazioni dell'apparecchiatura sono buone o cattive. 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 complicato layout del cavo su PCB, molte parti e componenti e installazione densa, che inevitabilmente causerà più interferenze tra di loro. Sta diventando sempre più grave, 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 del 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 PCB è anche un fattore molto importante nella compatibilità elettromagnetica.

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 multistrato, è meglio utilizzare una struttura di cablaggio a rete "ben" tra gli strati adiacenti, cioè le direzioni dei rispettivi cavi degli strati adiacenti sono perpendicolari l'uno all'altro. Ad esempio, il lato superiore della scheda stampata è cablato orizzontalmente e il lato inferiore è cablato verticalmente e quindi collegato tramite vias.

1.2 Progettazione ragionevole di dimensioni 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 del 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 viene selezionato un rettangolo e il rapporto di aspetto è 3:2. Quando la dimensione del circuito stampato è maggiore di 150 mmx200 mm, la resistenza meccanica del circuito stampato deve essere considerata.

2 layout PCB

Nella progettazione PCB, i progettisti di prodotti spesso si concentrano solo su aumentare la densità, ridurre lo spazio occupato, rendere semplice o perseguire l'estetica e il layout uniforme, ignorando l'influenza del layout del circuito sulla compatibilità elettromagnetica, causando un gran numero di segnali a irradiarsi nello spazio per formare interferenze reciproche. Un layout PCB povero può causare più problemi di compatibilità elettromagnetica, 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, devono essere isolati o trasformati in un circuito stampato 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 PCB

Il layout dei componenti PCB è lo stesso di quello 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 sul circuito stampato 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 fatto un altro circuito stampato, 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 utilizzano 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.

7) Convertitori DC/DC, componenti di commutazione e raddrizzatori devono essere posizionati il più vicino possibile al trasformatore per ridurre al minimo la lunghezza dei loro fili.

8) Posizionare il componente di regolazione della tensione e il condensatore del filtro il più vicino possibile al diodo raddrizzatore.

9) Il bordo stampato è diviso in base alle caratteristiche di commutazione di frequenza e corrente e la distanza tra componenti rumorosi e componenti non rumorosi dovrebbe essere più lontana.

10) Il cablaggio sensibile al rumore non dovrebbe essere parallelo alla linea di commutazione ad alta corrente e ad alta velocità.

11) Il layout del componente dovrebbe prestare particolare attenzione al problema di dissipazione del calore. Per i circuiti ad alta potenza, i componenti di riscaldamento quali tubi di alimentazione e trasformatori dovrebbero essere posizionati per quanto possibile per facilitare la dissipazione del calore. Non concentrarsi in un unico posto e non avere alta capacità troppo vicina per evitare Fare l'elettrolita invecchiare prematuramente.

2.2 Cablaggio PCB

La composizione di un PCB è una serie di strutture multistrato di laminazione, cablaggio e prepreg sulla pila verticale. In un PCB multistrato, al fine di facilitare il debug, la linea del segnale sarà disposta sullo strato più esterno.

In caso di alta frequenza, il cablaggio, i vias, le resistenze, i condensatori e l'induttanza distribuita e la capacità distribuita dei connettori sul circuito stampato non possono essere ignorati. 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 del circuito stampato sono completati tramite vias. Una via può portare circa 0,5 pF capacità distribuita e ridurre il numero di vie può aumentare significativamente la velocità.

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

I requisiti generali che devono essere seguiti per evitare l'influenza dei parametri di distribuzione del cablaggio PCB:

1) Aumentare la spaziatura delle tracce per ridurre il crosstalk dell'accoppiamento capacitivo.

2) Nel cablaggio a doppio pannello, i fili su entrambi i lati dovrebbero essere perpendicolari, obliqui o curvi per evitare paralleli tra loro per ridurre l'accoppiamento parassitario; I fili stampati utilizzati come ingresso e uscita del circuito dovrebbero essere evitati per quanto possibile. Per evitare feedback, è meglio aggiungere un filo di messa a terra tra questi fili.

3) Posare le linee sensibili ad alta frequenza lontano dalle linee elettriche ad alto rumore per ridurre l'accoppiamento reciproco; le tracce del circuito digitale ad alta frequenza dovrebbero essere sempre più sottili.

4) Allargare la linea elettrica e la linea di terra per ridurre l'impedenza della linea di alimentazione e della linea di terra.

5) Cercate di utilizzare linee pieghevoli a 45° invece di linee pieghevoli a 90° per ridurre l'emissione esterna e l'accoppiamento dei segnali ad alta frequenza.

6) La lunghezza della linea di indirizzo o della linea di dati non dovrebbe essere troppo diversa, altrimenti la parte di linea corta dovrà essere piegata artificialmente per compensazione.

7) Prestare attenzione all'isolamento tra i grandi segnali di corrente, Segnali ad alta tensione e piccoli segnali (la distanza di isolamento è correlata alla tensione di resistenza da sopportare. Normalmente, la distanza tra le schede è di 2 mm a 2 kV, e il rapporto è calcolato sopra questo. Ad esempio, per resistere al test di tensione di resistenza a 3 kV, la distanza tra le linee ad alta e bassa tensione dovrebbe essere superiore a 3,5 mm. In molti casi, per evitare strisciamenti, le linee ad alta e bassa tensione sul circuito stampato dovrebbero essere aperte. groove).

3 Progettazione del circuito in PCB

Nella progettazione di circuiti elettronici, viene data maggiore considerazione alle prestazioni effettive del prodotto, piuttosto che troppa considerazione delle caratteristiche di compatibilità elettromagnetica del prodotto e della soppressione delle interferenze elettromagnetiche e delle caratteristiche anti-interferenza elettromagnetica. Al fine di raggiungere lo scopo della compatibilità elettromagnetica quando si utilizza lo schema schematico del circuito per il layout del PCB, devono essere adottate le misure necessarie, vale a dire aggiungere i circuiti aggiuntivi necessari sulla base dello schema schematico del circuito per migliorare le prestazioni di compatibilità elettromagnetica dei suoi prodotti. Le seguenti misure del circuito possono essere utilizzate nella progettazione effettiva del PCB:

1) Una resistenza può essere collegata in serie sulla traccia PCB per ridurre la velocità di transizione del bordo inferiore della linea del segnale di controllo.

2) Prova a fornire qualche forma di smorzamento (condensatori ad alta frequenza, diodi inversi, ecc.) per relè, ecc.

3) Filtrare il segnale che entra nella scheda stampata e filtrare il segnale dall'area ad alto rumore all'area a basso rumore. Allo stesso tempo, utilizzare una serie di resistenze terminali per ridurre la riflessione del segnale.

4) L'estremità inutile della MCU dovrebbe essere collegata all'alimentazione elettrica o a terra attraverso la resistenza corrispondente corrispondente, o definita come l'estremità di uscita. I terminali del circuito integrato che devono essere collegati all'alimentazione elettrica e alla terra devono essere collegati e non devono essere lasciati galleggianti.

5) Non lasciare il terminale di ingresso del circuito gate che non è in uso, ma collegare all'alimentazione elettrica o a terra attraverso la resistenza corrispondente. Il terminale di ingresso positivo dell'amplificatore operativo inutilizzato è messo a terra e il terminale di ingresso negativo è collegato al terminale di uscita.

6) Impostare un condensatore di disaccoppiamento ad alta frequenza per ogni circuito integrato. Un piccolo condensatore bypass ad alta frequenza deve essere aggiunto a ciascun condensatore elettrolitico.

7) Utilizzare condensatori al tantalio di grande capacità o condensatori in poliestere invece dei condensatori elettrolitici come condensatori di accumulo di energia di ricarica e scarica sul circuito stampato. Quando si utilizzano condensatori tubolari, il caso dovrebbe essere messo a terra.

4 Conclusione

Con il crescente sviluppo della scienza e della tecnologia, la miniaturizzazione e l'intelligenza di vari dispositivi elettronici sono diventati la tendenza principale. Allo stesso tempo, l'ambiente operativo di prodotti o apparecchiature elettroniche diventerà sempre più complesso. La tecnologia anti-interferenza e la tecnologia di compatibilità elettromagnetica richiedono anche uno sviluppo continuo e maturità. I progettisti di PCB e i produttori di circuiti stampati devono prestare sufficiente attenzione alle applicazioni pratiche.