電子設計 - 高速回路のEMC解析と設計

電磁的適合性とは、電気的及び電子的システム及び装置が特定の電磁環境において所定の安全限界内で設定されたレベルで動作するとき、それらは外部電磁干渉による損傷を受けない性能に損なわれたり劣化したりしないことを意味する。同時に、それらによって生成される電磁放射は、検証の限界レベルよりも大きく、装置及び装置、システム及びシステム間の非干渉の目的を達成するために、他の電子機器又はシステムの正常な動作に影響を与えず、確実に協働する。

1電磁両立性の要因

(1) Frequency characteristics of resistance. デジタル回路で, 抵抗の主な機能は、電流を制限し、固定レベルを決定することである. イン 高周波回路, 抵抗器の両端に存在する高周波寄生容量は、通常の回路特性に損傷を与える. 同じ抵抗のピンインダクタンスは回路のEMCに大きな影響を及ぼす.

(2) The frequency characteristic of the capacitor. コンデンサは、一般に、電力バス200で使用される. それらはデカップリングを提供する, 一定の直流電圧と電流をバイパスし維持する. しかし, イン 高周波回路, 回路の動作周波数がコンデンサの自己共振周波数を超えるとき, その寄生インダクタンスは、コンデンサを誘導特性として振る舞う, それによって、その本来の機能を失い、回路の性能に影響する.

3）インダクタンスの周波数特性。インダクタは、PCB内のEMIを制御するために使用される。回路の動作周波数が増加すると、インダクタの等価インピーダンスは周波数の増加に伴って増加する。回路の動作周波数がインダクタの動作周波数の上限を超えると、インダクタンスは回路の通常動作に影響を及ぼす。

4）ワイヤの周波数特性。PCB上のトレースおよび構成要素のリード線は、寄生インダクタンスおよびキャパシタンスを有する。これらの寄生インダクタンスおよびキャパシタンスは、ワイヤの周波数特性に影響を及ぼし、それは、部品とワイヤとの間の共振を引き起こす可能性があり、ワイヤが電磁干渉になることを重要な送信アンテナとする。一般に、配線は低周波数帯での抵抗特性、高周波数帯のインダクタンス特性を示す。したがって、PCB上では、配線の長さは、一般的に、ワイヤが電磁干渉の源になるのを防ぐために、動作周波数の波長の20分の1以下であることが必要である。

5）静電気。静電気放電の問題は、製品に永久的な損傷を引き起こす可能性があります電子製品への大きな公共の危険になっている。したがって、製品設計においては、対応する静電保護対策を講じなければならない。一般的に使用される帯電防止対策は、帯電防止材料を選択し、電気絶縁対策を採用し、製品の絶縁強度を向上させ、良好な静電遮蔽層及び放電チャネルを設定することを含む。

6）電源。高周波スイッチング電源の普及と電力系統負荷の連続的な増加に伴い，製品への電力供給干渉の問題は，製品のemc特性に影響する重要な要因となっている。したがって、干渉に影響されやすいいくつかの敏感な装置は、直接AC電源を使用しないが、DC電源に切り換えられる。これはシステムの複雑さとコストを増加させたが，システムの安定性を効果的に改善した。

7）雷と稲妻。雷は本質的に正と負の電荷を中和する強い静電放電プロセスである。結果として生じる強い電磁パルスは、様々な電子デバイスへの損傷の主な原因である。電子機器への雷の影響は，直接雷と誘導雷を含む。最近では、様々な屋内の電子装置は、一般的に、直接の稲妻に影響されないが、誘導された電光からの損傷を受けやすい。電子機器の安全な運転を確実にするために、電子機器は電撃攻撃に対して保護されなければならない。一般的に使用される雷保護対策は、電光ロッドの設置、避雷器の設置、および雷保護ケーブルを含む。

2電磁両立性の要素

理論的および実用的な研究は、複雑なシステムまたは単純なデバイスに関係なく、どんな電磁干渉も、3つの基本的な条件を満たす必要があることを証明しました：特定の干渉源の存在、干渉との完全な結合チャネル、および干渉されたオブジェクトの応答。

電磁干渉の2.1の源

電磁干渉源は任意の要素を指す, デバイス, 機器, 電磁妨害を生じるシステムまたは自然現象. 高周波回路は、特に電磁干渉に敏感である, 電磁妨害を抑えるためには様々な対策が必要である. 理論と実験による解析, それは知られている 高周波回路, 電磁干渉は、主に次の局面から来ている。

1）デバイス動作からの雑音干渉

（a）ディジタル回路が動作しているときに電磁干渉が生じる。

（b）信号電圧及び電流の変化による電磁界干渉。

高周波信号雑音妨害

（a）クロストーク：信号が伝送路に伝送されると、電磁結合により隣接する伝送線路に望ましくない効果があることを意味する。干渉された信号は、ある結合電圧および結合電流で注入されるように見える。過度のクロストークは、回路の遅延トリガ、時間遅延を引き起こし、システムが正常に動作しないようにする。

（b）リターンロス：ケーブルや通信機器で高周波信号を伝送すると、凹凸波に遭遇すると信号を反射する。この反射は信号の伝送損失を増加させるだけでなく、送信信号を歪ませることによって伝送性能に大きな影響を与える。

電源ノイズ妨害

の電源ノイズ PCB 主に、電源自体によって発生するノイズまたは妨害によって引き起こされるノイズから構成される, 主に次のように明示されます。. 電源自体の固有インピーダンスに起因する分散ノイズ；2. コモンモードフィールド干渉3. 差動モードフィールド干渉4. 線間干渉5. 電力線結合.

グランドノイズ妨害

接地線の抵抗とインピーダンスのため、電流が接地線を通過すると、電圧降下が生じる。電流が十分に大きいか、動作周波数が十分に高い場合、電圧降下は回路に干渉を起こすのに十分大きくなる。グランド配線に起因するノイズ干渉はグランドループ干渉と共通インピーダンス結合干渉を主に含む。

（a）接地ループ干渉：複数の機能ユニットが接地線に接続されている場合、接地線の電流が十分大きい場合、デバイス間の接続ケーブルに電圧降下が生じる。様々な回路間の不均衡な電気的特性のために、各々のワイヤ上の電流は異なる。その結果、微分モード電圧は生成される。そして、それは回路に影響を及ぼす。加えて、外部電磁場はまた、接地ループに電流を誘導し、干渉を引き起こす。

（b）共通インピーダンス結合干渉；複数の機能ユニットが同じ接地線を共有する場合、接地線インピーダンスが存在するため、各ユニットの接地電位は互いに変調され、各ユニットの信号間の干渉が生じる。高周波回路では、高周波動作状態にあり、接地インピーダンスが多い。このとき、共通インピーダンス結合干渉は特に明白である。

共通インピーダンス結合を除去する2つの方法がある, したがって、共通接地上の電圧も低減される, それにより、共通インピーダンス結合を制御する. 別の方法は、適切な接地を介して互いに干渉しやすい回路の共通接地を回避することである. 一般に, 高電流回路と弱電流回路の共通接地を避ける, ディジタル回路とアナログ回路の共通接地. 前述の通り, 接地線のインピーダンスを減少させることの中心的な問題は、接地線20のインダクタンスを減少させることである. これは、接地導体としてフラット導体を使用することを含む, そして、接地線として遠く離れている複数の平行導体を使用すること. For プリント回路基板, 二層基板上に接地線グリッドを敷設することにより、接地線インピーダンスを効果的に低減することができる. イン multilayer board, 接地線の特殊層は、小さいインピーダンスを有する, しかし、それは回路基板のコストを増加させる. . 適切な接地による共通インピーダンスを避けるための接地法は並列単一点接地である. 並列接地の欠点は接地線が多すぎることである. したがって, 実際に, すべての回路が1点接地と並列に接続される必要はない. 相互干渉の少ない回路について, 直列の単一点接地. 例えば, 回路は強い信号によって分類できる, 弱信号, アナログ信号, デジタル信号機, etc., それから、同様の回路の範囲内で直列に1ポイント接地を使用する, 異なるタイプの回路のための並列における単一点接地.

2.2結合チャンネルを妨げる

高速回路における電磁干渉の主結合チャネルは、放射結合、伝導結合、容量結合、誘導結合、電力結合、およびグランド結合を含む。

放射線結合のために、主な抑制方法は、効果的に感度ソースから干渉源を分離するために電磁遮蔽を使用することである。

導電性結合の場合、信号配線中に高速信号線の方向を合理的に配置する方法である。入力端子及び出力端子に使用されるワイヤは、信号フィードバック又はクロストークを回避するために、できる限り回避しなければならない。グランドワイヤは、それらを絶縁するために2つの平行ワイヤの間で添加されることができる。外部接続信号線では、入力リードをできるだけ短くし、入力端インピーダンスを大きくする必要がある。アナログ信号入力ラインをシールドするのがベストである。ボード上の信号線のインピーダンスが一致しないとき、それは信号反射を引き起こすでしょう。プリント配線の長さが長くなると、回路インダクタンスが減衰と発振を起こす。ダンピング抵抗を直列に接続することにより（抵抗値は通常22×1／2 200 Hmであり、典型的な値は470 Hm）、効果的に発振を抑制でき、干渉防止能力を高めることができ、波形を改善することができる。

インダクタンスとキャパシタンスの結合干渉のために、1つは、適切な構成要素を選択すること、インダクタンスおよびキャパシタンスのために適切な構成要素を選択することであり、異なるコンポーネントの周波数特性に応じて選択されるべきであり、他の構成要素については、異なる構成要素の周波数特性に応じて選択されるべきである。小さな寄生インダクタンスと静電容量でデバイスを選択します。一方、レイアウトや配線を合理的に行う必要があり、長距離並列配線をできるだけ避けなければならない。回路の電気的相互接続点間の配線は最短であるべきである。信号（特に高周波信号）ラインのコーナーは、45度方向または円形または円弧形で設計され、90度以下の角度で描画されるべきではない。隣接する配線表面ワイヤは、バイアの寄生キャパシタンスおよびインダクタンスを低減するために、垂直、斜めまたは曲線トレースの形態をとる。ビアとピンとの間のリードが短く、より良い、そして、複数のビアを並列に考慮することができる。または等価インダクタンスを減らすためにミニチュアビア。コンポーネントパッケージを選択するとき、パッケージの不整合に起因するリードインピーダンスおよび寄生インダクタンスを低減するために標準パッケージを選択する必要がある。

電力結合とグランド結合のためには，電力線と接地線インピーダンスを低減するためにはまず注意しなければならず，共通インピーダンス，クロストーク，反射に起因する波形歪や振動に必要な対策を講じる必要がある。スイッチング電流の流れ経路を短くするために各々の集積回路の電源および接地線間のバイパスバイパスコンデンサを接続する。電源線と接地線は櫛型の代わりに格子状に設計されている。これは、グリッド形状が回路ループを大幅に短縮し、線インピーダンスを減少させ、干渉を低減できるからである。プリント回路基板に複数の集積回路を設置し、いくつかの構成要素が大量の電力を消費し、接地線が大きな電位差を有し、一般的なインピーダンス干渉を形成しているので、接地線を潜在的に貧弱である閉ループとして設計し、ノイズ耐性が高いことが望ましい。リード線をできるだけ短くし、各集積回路のグランドを回路基板の入口グラウンドに最短距離で接続し、プリント配線によって発生するスパイクを低減する。回路基板のノイズ耐性を改善するために、データ伝送方向と同じ方向に接地線および電源線を保つ。多層プリント回路基板を使用して、接地電位差を低減し、信号線間の電力線インピーダンスおよびクロストークを低減する。多層基板および両面板を使用しなければならない場合には、接地線をできるだけ広くしなければならない。一般に、接地線は、ワイヤを流れる実際の電流の3倍を通過するように厚くなければならない。共通の電源ラインとグランドラインは、プリント基板の両側のエッジに可能な限り分配される。1×1／4 F Fの1／2×10・10・1・4 Fのタンタルコンデンサをデカップリング用のパワーバス・プラグに接続し、デカップリング・コンデンサに並列して0.01〜1，4，1，2，1，2，1，2，1，2，3，1，3，2，3，1，2，2 fの高周波セラミックコンデンサを接続する。

2.3敏感なオブジェクトを保護してください

敏感なオブジェクトの保護は、主に2つの局面に集中します。一方，敏感物体と電磁干渉の間のチャネルは遮断される。もう一つは敏感な物体の感度を減らすことである。

電子装置の感度は両刃の剣である。一方、ユーザは、信号を受信する能力を向上させるために、電子デバイスの高感度を求めている一方、高感度は、ノイズによって影響を受ける可能性が高いことを意味する。したがって、電子機器の感度は、特定の条件に従って決定されるべきである。

アナログ電子機器では、通常採用されている方法は、低雑音回路を設計し、帯域幅を減らし、干渉送信を抑制し、入力を平衡化し、干渉を抑制し、高品質の電源を選択するような好適な回路を使用することである。これらの方法により、電磁干渉に対する電子機器の感度を効果的に低減でき、装置の耐干渉性を向上させることができる。

デジタル電子機器では、高いDCノイズ耐性を有するデジタル回路を使用する必要がある。例えば、CMOSデジタル回路のDCノイズ耐性は、TTLデジタル回路のDCノイズ耐性よりもはるかに高いインデックスが許すならば、低いスイッチング速度でデジタル回路を使用しようとしてください、なぜならば、スイッチング速度がより高いので、それによって引き起こされる電圧または電流変化がより速くて、回路の間の結合干渉を生じることは簡単です前提の下の回路において許容可能であれば、閾値電圧をできるだけ増加させ、電圧分圧器又は電圧調整器チューブを回路の前に設定することによってしきい値電圧を増加させる必要がある負荷インピーダンスが信号線のインピーダンスに等しい場合でも，負荷インピーダンス整合法を採用してディジタル信号伝送を除去した。プロセスの屈折と反射による歪み。通常の状況下では、敏感な物体の保護は、干渉源の遮蔽および結合チャネルの抑制と組み合わせて使用する必要があり、実際の状況に応じて、実際には最良の保護効果を達成するために繰り返し実験が必要である。

要約する

電磁両立性解析と設計 高速回路基板 非常に体系的な仕事であり、多くの仕事経験の蓄積が必要です. 電磁両立性設計は電子システムが機能を達成し，設計指標を満たすかどうかの鍵である. 電子システムの複雑さが増加し、動作周波数が増加するにつれて, 電子設計における電磁両立性設計の位置はますます顕著になる. より重要.