전자 설계 - 고속 회로를 위한 EMC 분석 및 설계

전자기 호환성이란 특정 전자기 환경에서 전기 및 전자 시스템 및 장비가 정해진 안전 한계치 내에서 설정된 수준으로 작동할 때 외부 전자기 간섭으로 인해 손상되거나 수리할 수 없을 정도로 퇴화되지 않는 성능을 말한다.이와 동시에 그들이 산생하는 전자기복사는 검증의 극한수준보다 크지 않으며 기타 전자설비나 시스템의 정상적인 운행에 영향을 주지 않아 설비와 설비, 시스템과 시스템이 서로 교란하지 않는 목적을 달성하고 믿음직하게 협동작업한다.

1 전자기 호환성 요소

(1) 저항의 주파수 특성.디지털 회로에서 저항기의 주요 기능은 전류를 제한하고 고정 레벨을 결정하는 것입니다.고주파 회로에서 저항기 양쪽에 존재하는 고주파 기생 용량은 정상적인 회로 특성에 손상을 초래할 수 있다.동일한 저항의 핀 감지는 회로의 EMC 에 큰 영향을 미칩니다.

(2) 콘덴서의 주파수 특성.콘덴서는 일반적으로 전원 버스에 사용됩니다.그것들은 디커플링, 바이패스를 제공하고 고정된 직류 전압과 전류를 유지한다.그러나 고주파 회로에서, 회로의 작업 주파수가 콘덴서의 자체 공명 주파수를 초과할 때, 그 기생 전감은 콘덴서를 전감 특성으로 표현하여 그 원래 기능을 잃게 하고, 회로의 성능에 영향을 준다.

(3) 전감의 주파수 특성.센서는 PCB에서 EMI를 제어하는 데 사용됩니다.회로의 작동 주파수가 증가하면 센서의 동등한 임피던스는 주파수가 증가함에 따라 증가합니다.회로의 작동 주파수가 센서의 작동 주파수 상한선을 초과하면 감응은 회로의 정상적인 작동에 영향을 줄 수 있습니다.

(4) 컨덕터의 주파수 특성.PCB의 흔적선과 부품의 지시선은 기생 감지와 용량을 가지고 있다.이러한 기생 감지와 커패시터는 도선의 주파수 특성에 영향을 미쳐 소자와 도선 사이의 공명을 일으켜 도선이 전자기 간섭의 중요한 발사 안테나가 될 수 있다.일반적으로 도선은 저주파 대역에서는 저항 특성을 나타내고 고주파 대역에서는 전감 특성을 나타낸다.따라서 PCB에서는 일반적으로 컨덕터의 길이가 작동 주파수 파장의 20분의 1보다 작아 컨덕터가 전자기 간섭원이 되는 것을 방지해야 한다.

(5) 정전기.정전기 방전 문제는 이미 전자 제품의 주요 공공 위해가 되어 제품에 영구적인 손상을 초래할 수 있다.따라서 제품 설계에서 반드시 상응하는 정전기 보호 조치를 취해야 한다.자주 사용하는 정전기 방지 조치에는 정전기 방지 재료 선택, 전기 격리 조치, 제품의 절연 강도 향상, 양호한 정전기 차폐층 및 방전 통로 설치가 포함된다.

(6) 전원 공급 장치.고주파 스위치 전원 공급 장치의 광범위한 응용과 전력 시스템의 부하가 증가함에 따라 전원 공급 장치가 제품에 미치는 간섭 문제는 점차 제품의 EMC 특성에 영향을 주는 중요한 요소가 되고 있다.따라서 간섭에 취약한 일부 민감한 장치는 AC 전원을 직접 사용하지 않고 DC 전원으로 전환합니다.이것은 시스템의 복잡성과 비용을 증가시키지만 시스템의 안정성을 효과적으로 향상시킵니다.

(7) 천둥번개.번개는 본질적으로 강한 정전기 방전 과정으로 양과 음의 전하를 중화시킬 수 있다.이로 인해 발생하는 강한 자기 펄스는 각종 전자 설비의 손상을 초래하는 주요 원인이다.뇌전이 전자 설비에 미치는 영향에는 직격뢰와 감응뢰가 포함된다.오늘날 각종 실내 전자 설비는 일반적으로 직격 천둥의 영향을 쉽게 받지 않지만, 그것들은 여전히 감응 천둥의 손상을 받기 쉽다.전자 설비의 안전한 운행을 확보하기 위해서 반드시 전자 설비를 벼락으로부터 보호해야 한다.자주 사용하는 방뢰 조치에는 피뢰침 설치, 피뢰기 설치, 방뢰 케이블이 포함된다.

2 전자기 호환성 요소

이론과 실천 연구가 증명하다싶이 복잡한 시스템이든 간단한 설비든 그 어떤 전자기교란도 반드시 세가지 기본조건을 만족시켜야 한다. 즉 일정한 교란원이 존재하고 교란을 가진 완전한 결합통로와 교란된 물체의 호응이 있어야 한다.

2.1 전자기 간섭원

전자기 간섭원은 전자기 간섭을 일으키는 모든 소자, 장치, 설비, 시스템 또는 자연 현상을 가리킨다.고주파 회로는 전자기 간섭에 특히 민감하기 때문에 여러 가지 조치를 취해 전자기 간섭을 억제해야 한다.이론 및 실험 분석을 통해 알 수 있듯이 고주파 회로에서 전자 간섭은 주로 다음과 같은 몇 가지 측면에서 발생합니다.

(1) 장치 작동에 따른 노이즈 간섭

(A) 디지털 회로가 작동하면 전자기 간섭이 발생합니다.

(B) 신호 전압과 전류 변화로 인한 전자장 간섭.

(2) 고주파 신호 소음 간섭

(A) 직렬 교란: 신호가 전송 채널에서 전송될 때 전자기 결합으로 인해 인접한 전송선에 원치 않는 영향을 미치는 것을 말한다.방해된 신호는 일정한 결합 전압과 결합 전류를 주입한 것 같다.너무 많은 인터럽트는 회로의 오류 트리거, 시간 지연을 초래하고 시스템이 제대로 작동하지 않을 수 있습니다.

(b) 웨이브 손실: 케이블과 통신 장치에서 고주파 신호를 전송할 때 고르지 않은 웨이브 임피던스가 발생하면 신호를 반사합니다.이런 반사는 신호의 전송 손실을 증가시킬 뿐만 아니라 전송 신호의 왜곡도 전송 성능에 큰 영향을 미친다.

(3) 전원 소음 간섭

PCB의 전원 소음은 주로 전원 자체에서 발생하는 소음이나 교란으로 인한 소음으로 구성되며 주로 다음과 같이 나타납니다.전원 자체의 고유 임피던스로 인한 분산 노이즈;2.공모장 간섭;3.차형장 간섭;4.선 대 선 간섭;5.전력선 결합.

(4) 지면 소음 간섭

접지선의 저항과 저항으로 인해 전류가 접지선을 통과할 때 전압 강하가 발생한다.전류가 충분히 크거나 작업 주파수가 충분히 높을 때, 전압 강하는 충분히 커서 회로에 방해가 될 것이다.지선이 일으키는 소음 간섭은 주로 접지 회로 간섭과 공저항 결합 간섭을 포함한다.

(A) 접지 회로 간섭: 여러 기능 유닛이 접지선에 연결되어 있을 때 접지선에 충분한 전류가 흐르면 장치 간 연결 케이블에 전압 강하가 발생합니다.각종 회로 간의 전기 특성이 불균형하기 때문에 각 도선의 전류가 다르기 때문에 차형 전압이 발생하여 회로에 영향을 줄 수 있다.또한 외부 전자장도 접지 회로에서 전류를 감지하여 방해를 초래할 수 있다.

(b) 공통 임피던스 결합 간섭;여러 기능 유닛이 동일한 지선을 공유하는 경우 지선 임피던스의 존재로 인해 각 유닛의 접지 전위가 서로 변조되어 각 유닛의 신호 간에 간섭이 발생합니다.고주파 회로에서, 회로는 고주파 작업 상태에 있으며, 접지 저항은 일반적으로 비교적 크다.이때 흔히 볼 수 있는 임피던스 결합 간섭이 특히 뚜렷하다.

공저항 결합을 제거하는 데는 두 가지 방법이 있다: 하나는 공지 부분의 저항을 낮추어 공지상의 전압도 낮추어 공저항 결합을 제어하는 것이다.또 다른 방법은 적절한 접지를 통해 서로 간섭하기 쉬운 회로의 공공 접지를 피하는 것이다.일반적으로 큰 전류 회로와 약한 전기 회로의 공동 접지를 피하고 디지털 회로와 아날로그 회로의 공동 접지를 피해야 한다.앞에서 말한바와 같이 지선의 저항을 낮추는 핵심문제는 지선의 전기감각을 낮추는것이다.여기에는 플랫 컨덕터를 지선으로 사용하고 멀리 떨어진 여러 평행 컨덕터를 지선으로 사용하는 것이 포함됩니다.인쇄회로기판의 경우 이중판에 지선격자를 깔면 지선저항을 효과적으로 낮출수 있다.다중 레이어 보드에서는 특수한 지선의 임피던스가 매우 작지만 회로 기판의 비용이 증가합니다.적당한 접지를 통해 공저항을 피하는 접지 방법은 병렬 단일 접지이다.병렬 접지의 단점은 접지선이 너무 많다는 것이다.따라서 실제로 모든 회로가 단일 접지와 병렬되어야 하는 것은 아닙니다.상호 간섭이 적은 회로의 경우 직렬 단일 접지를 사용할 수 있습니다.예를 들어, 회로는 강한 신호, 약한 신호, 아날로그 신호, 디지털 신호 등에 따라 분류된 후 유사한 회로에서 직렬된 단일 접지를 사용할 수 있으며, 서로 다른 유형의 회로는 병렬된 단일 접지를 사용할 수 있다.

2.2 결합 억제 채널

고속 회로에서 전자기 간섭의 주요 결합 통로는 방사선 결합, 전도 결합, 커패시터 결합, 전감 결합, 전력 결합과 지상 결합을 포함한다.

방사선 결합에 대한 주요 억제 방법은 전자기 차단을 사용하여 방해원과 민감한 물체를 효과적으로 격리하는 것이다.

전도성 결합의 경우, 주요 방법은 신호를 경로설정할 때 고속 신호선의 방향을 합리적으로 배치하는 것이다.신호 피드백이나 간섭을 방지하기 위해 입력 및 출력 단자에 사용되는 컨덕터는 가능한 한 사용하지 않아야 합니다.두 평행 컨덕터 사이에 접지선을 추가하여 분리할 수 있습니다.외부 연결 신호선의 경우 입력 지시선을 최소화하고 입력부 임피던스를 증가시켜야 합니다.아날로그 신호 입력선을 차단하는 것이 좋습니다.보드에 있는 신호선의 임피던스가 일치하지 않으면 신호 반사가 발생합니다.인쇄 도선이 비교적 길면 회로 감각이 저항과 진동을 일으킬 수 있다.직렬 임피던스 임피던스(저항값은 보통 22ï½ 2 200hm, 일반값은 470hm)를 통해 진동을 효과적으로 억제하고 간섭 방지 능력을 강화하며 파형을 개선할 수 있다.

센싱과 커패시터의 결합 간섭에 대해서는 다음과 같은 두 가지 측면에서 억제할 수 있다: 첫째, 적합한 소자를 선택하고, 센싱과 정전기 용량에 대해서는 부동한 소자의 주파수 특성에 따라 선택하며, 기타 소자에 대해서는 기타 부동한 소자의 주파수 특성에 따라 선택해야 한다.기생 감각과 용량이 비교적 작은 설비를 선택하다.다른 한편으로, 가능한 한 장거리 평행 경로설정을 피하기 위해 적절하게 배치하고 경로설정해야 합니다.회로에서 전기 상호 연결점 사이의 연결선이 가장 짧아야 합니다.신호 (특히 고주파 신호) 선의 코너는 45도 방향 또는 원형 또는 호형으로 설계되어야 하며 90도 미만이나 같은 각도로 그려져서는 안 됩니다.인접한 배선 표면 도선은 수직, 기울기 또는 구부러진 흔적선 형태로 구멍을 통과하는 기생 용량과 전기 감각을 줄인다.오버홀과 핀 사이의 지시선은 짧을수록 좋으며 여러 오버홀을 병렬로 결합하는 것을 고려할 수 있습니다.또는 피어싱을 줄여 동등한 전기 감각을 줄입니다.컴포넌트 패키지를 선택할 때는 표준 패키지를 선택하여 패키지가 어셈블되지 않아 발생하는 지시선 임피던스와 기생 전기 감각을 줄여야 합니다.

전원 결합 및 접지 결합의 경우 먼저 전원 코드와 접지선의 임피던스를 낮추고 공동 임피던스, 직렬 교란 및 반사로 인한 파형 왜곡 및 진동에 필요한 조치를 취해야합니다.각 집적 회로의 전원 코드와 지선 사이에 바이패스 콘덴서를 연결하여 스위치 전류의 흐름 경로를 단축합니다.전원 코드와 바닥 케이블은 빗이 아닌 메쉬 모양으로 설계되었습니다.메쉬 모양이 회로 회로를 현저하게 단축하고 회선 임피던스를 낮추며 간섭을 줄일 수 있기 때문이다.인쇄회로기판에 여러 개의 집적회로가 설치되어 있고 일부 부품은 대량의 출력을 소모하며 접지선이 비교적 큰 전세차를 가지고 있어 공동의 임피던스 방해를 형성할 때 접지선을 폐쇄고리로 설계하는 것이 좋습니다. 그것은 전세Poor가 없고 더 높은 소음 용량을 가지고 있습니다.지시선은 가능한 한 줄여야 하며, 각 집적 회로의 접지는 인쇄 도선이 발생하는 피크를 줄이기 위해 회로 기판의 입구 접지에 가장 짧은 거리로 연결해야 한다.보드의 노이즈 허용량을 높이기 위해 지선과 전원 코드를 데이터 전송 방향과 동일하게 유지합니다.가능한 한 다중 인쇄 회로 기판을 사용하여 접지 전위 차이를 줄이고 전원 코드 임피던스와 신호선 사이의 간섭을 줄입니다.다중 레이어가 없고 이중 패널을 사용해야 하는 경우 접지선을 최대한 넓혀야 합니다.일반적으로 접지선은 도선을 통과하는 실제 전류의 3 배를 통과하기 위해 더 두꺼워야합니다.공용 전원 코드와 접지선은 가능한 한 인쇄판 양쪽의 가장자리에 분포되어 있습니다.1 ° F ½ 10 ° F의 탄탈럼 전기 용기를 전원 버스 플러그에 연결하여 디커플링하고 0.01 ° F ½ 0.1 ° F의 고주파 세라믹 콘덴서를 디커플링 콘덴서와 병렬합니다.

2.3 민감한 물체 보호

민감한 물체에 대한 보호는 주로 두 가지 방면에 집중되어 있다.민감한 물체와 전자기 간섭 사이의 통로를 차단하는 한편 민감한 물체의 민감도를 낮춘다.

전자기기의 감도는 양날의 검이다.한편으로 사용자는 전자 장치가 신호 수신 능력을 향상시키기 위해 높은 감도를 갖기를 원합니다.다른 한편으로 고감도는 그들이 소음의 영향을 더욱 쉽게 받을수 있다는것을 의미한다.따라서 전자 장치의 감도는 특정 상황에 따라 결정됩니다.

아날로그 전자 장치의 경우 일반적으로 저소음 회로 설계, 대역폭 감소, 간섭 전송 억제, 입력 균형, 간섭 억제, 고품질 전원 선택 등 선호 회로를 사용합니다.이러한 방법을 통해 전자 설비의 전자 방해에 대한 민감성을 효과적으로 낮추고 설비의 방해 방지 능력을 향상시킬 수 있다.

디지털 전자 장치의 경우 작업 지표가 허용하는 경우 높은 직류 노이즈 허용 한도가 있는 디지털 회로를 사용해야 합니다.예를 들어, CMOS 디지털 회로의 DC 노이즈 허용 한도는 TTL 디지털 회로보다 훨씬 높습니다.만약 지표가 허용된다면 될수록 스위치속도가 비교적 낮은 디지털회로를 사용해야 한다. 왜냐하면 스위치속도가 높을수록 그로 인한 전압이나 전류변화가 빠를수록 회로간에 결합교란이 생기기 쉽기때문이다.회로에서 받아들일 수 있는 전제하에 가능한 한 임계값 전압을 높이고 회로 앞에 분압기나 전압 조절관을 설치하여 임계값 전압을 높여야 한다;부하 임피던스가 신호선의 웨이브 임피던스와 같더라도 부하 임피던스 일치 방법을 사용하여 디지털 신호 전송을 제거합니다.이 과정에서 굴절과 반사로 인한 왜곡.정상적인 상황에서 민감한 물체에 대한 보호는 교란원 차단 및 결합 통로 억제와 결합되어야 하며, 실제 상황에 따라 실천 중에 반복적인 실험을 진행하여 최상의 보호 효과를 달성해야 한다.

요약

고속회로기판의 전자기 호환성 분석과 설계는 매우 체계적인 작업으로 대량의 업무 경험 축적이 필요하다.전자기 호환성 설계는 전자 시스템이 기능을 실현하고 설계 지표에 도달할 수 있는지의 관건 중의 하나이다.전자 시스템의 복잡성이 증가하고 작업 빈도가 증가함에 따라 전자 디자인에서 전자 호환성 디자인의 지위는 점점 더 두드러질 것이다.더 중요한 건