Rancangan Elektronik - Analisis dan desain EMC sirkuit kelajuan tinggi

Kompatibiliti elektromagnetik bermakna bahawa apabila sistem elektrik dan elektronik dan peralatan berfungsi pada tahap ditetapkan dalam had keselamatan ditetapkan dalam persekitaran elektromagnetik tertentu, mereka tidak akan rosak atau rosak kepada prestasi yang tidak boleh diselesaikan disebabkan gangguan elektromagnetik luaran. Pada masa yang sama, radiasi elektromagnetik yang dijana oleh mereka tidak lebih besar daripada aras had pengesahan, dan tidak mempengaruhi operasi normal peralatan atau sistem elektronik lain, sehingga mencapai tujuan tidak mengganggu antara peralatan dan peralatan, sistem dan sistem, dan bekerja bersama dengan cara yang dipercayai.

1 Faktor kompatibilitas elektromagnetik

(1) Karakteristik frekuensi penentangan. Dalam litar digital, fungsi utama penentang adalah untuk hadapi semasa dan menentukan aras tetap. Dalam sirkuit frekuensi tinggi, kapasitas parasit frekuensi tinggi yang wujud di kedua-dua hujung penentang akan menyebabkan kerosakan pada ciri sirkuit normal. Induktan pin resistensi yang sama mempunyai pengaruh besar pada EMC sirkuit.

(2) Karakteristik frekuensi kondensator. Kapasitor biasanya digunakan dalam bas kuasa. Mereka menyediakan pemisahan, bypass dan mengekalkan tekanan DC tetap dan arus. Bagaimanapun, dalam sirkuit frekuensi tinggi, apabila frekuensi operasi sirkuit melebihi frekuensi resonan diri kondensator, induktannya parasitik akan membuat kondensator bertindak sebagai karakteristik induktif, dengan itu kehilangan fungsi asalnya dan mempengaruhi prestasi sirkuit.

(3) Karakteristik frekuensi induksi. Induktor digunakan untuk mengawal EMI dalam PCB. Apabila frekuensi operasi sirkuit meningkat, impedance yang sama dengan induktor akan meningkat dengan meningkat frekuensi. Apabila frekuensi operasi litar melebihi had atas frekuensi operasi induktor, induktan akan mempengaruhi operasi normal litar.

(4) Karakteristik frekuensi wayar. Jejak pada PCB dan wayar utama komponen mempunyai induksi parasit dan kapasitas. Induktansi dan kapasitas parasit ini akan mempengaruhi karakteristik frekuensi wayar, yang mungkin menyebabkan resonansi antara komponen dan wayar, menyebabkan wayar menjadi gangguan elektromagnetik antena pemancar yang penting. Secara umum, wayar menunjukkan ciri-ciri perlahan dalam band frekuensi rendah dan ciri-ciri induktan dalam band frekuensi tinggi. Oleh itu, pada PCB, panjang wayar secara umum diperlukan untuk kurang dari satu puluh panjang gelombang frekuensi operasi untuk menghalang wayar daripada menjadi sumber gangguan elektromagnetik.

(5) Elektrik statik. Masalah pembuangan elektrostatik telah menjadi bahaya awam besar untuk produk elektronik, yang mungkin menyebabkan kerosakan kekal pada produk. Oleh itu, dalam rancangan produk, tindakan perlindungan elektrostatik yang sepadan mesti diambil. Tindakan anti-statik yang biasa digunakan termasuk memilih bahan anti-statik, mengadopsi tindakan izolasi elektrik, meningkatkan kekuatan izolasi produk, dan menetapkan lapisan perisai elektrostatik yang baik dan saluran pelepasan.

(6) Sumber tenaga. Dengan aplikasi luas bekalan kuasa bertukar frekuensi tinggi dan peningkatan terus-menerus muatan sistem kuasa, masalah gangguan bekalan kuasa kepada produk telah secara perlahan-lahan menjadi faktor penting yang mempengaruhi ciri-ciri EMC produk. Oleh itu, beberapa peralatan sensitif yang susah untuk gangguan tidak menggunakan secara langsung bekalan kuasa AC tetapi ditukar ke bekalan kuasa DC. Walaupun ini telah meningkatkan kompleksiti dan kos sistem, ia telah meningkatkan kestabilan sistem secara efektif.

(7) Thunder and lightning. Petir adalah proses pelepasan elektrostatik yang kuat yang meneutralisasi muatan positif dan negatif. Puls elektromagnetik yang berkesan adalah penyebab utama kerosakan kepada pelbagai peranti elektronik. Kesan kilat pada peralatan elektronik termasuk kilat langsung dan kilat yang disebabkan. Hari ini, pelbagai peranti elektronik di dalam biasanya tidak mudah untuk petir langsung, tetapi mereka masih mudah untuk kerosakan dari petir yang disebabkan. Untuk memastikan operasi selamat peralatan elektronik, peralatan elektronik mesti dilindungi dari serangan kilat. Tindakan perlindungan kilat yang biasa digunakan termasuk pemasangan tongkat kilat, pemasangan penangkap kilat, dan kabel perlindungan kilat.

2 Elemen kompatibilitas elektromagnetik

Ujian teori dan praktik telah membuktikan bahawa, walaupun sistem kompleks atau peranti sederhana, mana-mana gangguan elektromagnetik mesti memenuhi tiga syarat asas: wujud sumber gangguan tertentu, saluran sambungan lengkap dengan gangguan, dan balasan objek terganggu.

2.1 Sumber gangguan elektromagnetik

Sumber gangguan elektromagnetik merujuk kepada mana-mana unsur, peranti, peralatan, sistem atau fenomena alami yang menghasilkan gangguan elektromagnetik. Sirkuit frekuensi tinggi sangat sensitif kepada gangguan elektromagnetik, jadi berbagai tindakan perlu diambil untuk menekan gangguan elektromagnetik. Melalui analisis teori dan eksperimen, diketahui bahawa dalam sirkuit frekuensi tinggi, gangguan elektromagnetik terutama berasal dari aspek berikut:

(1) Pergangguan bunyi dari operasi peranti

(A) gangguan elektromagnetik berlaku apabila litar digital berfungsi.

(B) Interferensi medan elektromagnetik disebabkan oleh perubahan dalam tenaga isyarat dan semasa.

(2) Pergangguan bunyi isyarat frekuensi tinggi

(A) Crosstalk: Ia bermakna apabila isyarat dihantar pada saluran penghantaran, ia mempunyai kesan tidak diinginkan pada garis penghantaran bersebelahan disebabkan sambungan elektromagnetik. Isyarat terganggu kelihatan disuntik dengan tekanan sambungan dan arus sambungan tertentu. Percakapan salib yang berlebihan boleh menyebabkan pemicuan palsu sirkuit, lambat masa, dan menyebabkan sistem gagal berfungsi secara biasa.

(b) Kehilangan kembalian: Apabila isyarat frekuensi tinggi dihantar dalam kabel dan peralatan komunikasi, ia akan mencerminkan isyarat apabila ia bertemu impedance gelombang yang tidak sama. Refleksi ini tidak hanya akan meningkatkan kehilangan transmisi isyarat, tetapi juga mengganggu isyarat transmisi mempunyai kesan besar pada prestasi transmisi.

(3) Pergangguan bunyi bekalan kuasa

Bunyi bekalan kuasa dalam PCB adalah kebanyakan terdiri daripada bunyi yang dijana oleh bekalan kuasa sendiri atau bunyi yang disebabkan oleh gangguan, yang kebanyakan muncul sebagai: 1. bunyi yang disebabkan oleh pengendalian yang ada pada bekalan kuasa sendiri; 2. gangguan medan mod umum; 3. gangguan medan mod berbeza; 4. Pergangguan baris-ke-baris; 5. Sambungan garis kuasa.

(4) Pergangguan bunyi tanah

Kerana perlawanan dan penghalangan pada wayar tanah, apabila arus melewati wayar tanah, titik tekanan akan dijana. Apabila arus cukup besar atau frekuensi operasi cukup tinggi, titik tekanan akan cukup besar untuk menyebabkan gangguan ke sirkuit. Pergangguan bunyi disebabkan oleh wayar tanah mengandungi gangguan loop tanah dan gangguan sambungan impedance umum.

(A) gangguan loop tanah: Apabila unit fungsional berbilang disambung ke wayar tanah, jika arus dalam wayar tanah cukup besar, titik tegangan akan dijana pada kabel yang menyambung antara peranti. Kerana ciri-ciri elektrik tidak seimbang diantara sirkuit berbeza, arus pada setiap wayar akan berbeza, jadi tekanan mod berbeza akan dijana, yang akan mempengaruhi sirkuit. Selain itu, medan elektromagnetik luaran juga boleh mengakibatkan arus dalam loop tanah, menyebabkan gangguan.

(b) gangguan sambungan impedance umum; apabila unit fungsional berbilang berkongsi wayar tanah yang sama, kerana wujud impedance wayar tanah, potensi tanah setiap unit akan diubahsuai satu sama lain, yang akan menyebabkan gangguan antara isyarat setiap unit. Dalam sirkuit frekuensi tinggi, sirkuit berada dalam keadaan kerja frekuensi tinggi, dan impedance tanah sering besar. Pada masa ini, gangguan sambungan impedance biasa sangat jelas.

Ada dua cara untuk menghapuskan pasangan impedance umum: satu adalah untuk mengurangkan impedance bahagian tanah umum, sehingga tegangan di tanah umum juga mengurangkan, dengan itu mengawal pasangan impedance umum. Kaedah lain adalah untuk menghindari pendaratan biasa sirkuit yang mudah untuk mengganggu satu sama lain melalui pendaratan yang betul. Secara umum, mengelakkan pendaratan umum sirkuit arus tinggi dan sirkuit arus lemah, dan pendaratan umum sirkuit digital dan sirkuit analog. Seperti yang disebutkan sebelumnya, masalah utama mengurangkan pengendalian wayar tanah adalah mengurangkan pengendalian wayar tanah. Ini termasuk menggunakan konduktor rata sebagai wayar tanah, dan menggunakan konduktor selari berbilang yang jauh terpisah sebagai wayar tanah. Untuk papan sirkuit cetak, meletakkan grid wayar tanah pada papan lapisan ganda boleh mengurangkan kemudahan wayar tanah secara efektif. Dalam papan berbilang lapisan, lapisan khas wayar tanah mempunyai impedance kecil, tetapi ia akan meningkatkan biaya papan sirkuit. . Kaedah pendaratan untuk menghindari penghalangan umum melalui pendaratan yang betul adalah pendaratan satu titik selari. Kegagalan pendaratan selari adalah bahawa terdapat terlalu banyak wayar mendarat. Oleh itu, pada praktek, tidak perlu semua sirkuit dihubungkan secara paralel dengan pendaratan titik tunggal. Untuk sirkuit yang kurang gangguan antara satu sama lain, pendaratan titik tunggal dalam siri boleh digunakan. Contohnya, sirkuit boleh diklasifikasikan mengikut isyarat kuat, isyarat lemah, isyarat analog, isyarat digital, dll., dan kemudian menggunakan pendaratan titik tunggal dalam sirkuit dalam sirkuit yang sama, dan pendaratan titik tunggal dalam selari untuk sirkuit jenis berbeza.

2.2 Hilang saluran sambungan

Saluran sambungan utama gangguan elektromagnetik dalam litar kelajuan tinggi termasuk sambungan radiasi, sambungan konduktif, sambungan konduktif, sambungan induktif, sambungan kuasa, dan sambungan tanah.

Untuk sambungan radiasi, kaedah penghalang utama adalah menggunakan perisai elektromagnetik untuk mengisolasi secara efektif sumber gangguan dari objek sensitif.

Untuk sambungan konduktif, kaedah utama adalah untuk mengatur arah garis isyarat kelajuan tinggi semasa kabel isyarat. Kabel yang digunakan untuk terminal input dan output patut dihindari sejauh mungkin untuk menghindari balas isyarat atau saling bercakap. Kabel tanah boleh ditambah antara dua kabel selari untuk mengisolasinya. Untuk garis isyarat sambungan luaran, pemimpin input sepatutnya dikurangkan sebanyak yang mungkin dan impedance akhir input sepatutnya meningkat. Lebih baik untuk melindungi garis input isyarat analog. Apabila impedance wayar isyarat di papan tidak sepadan, ia akan menyebabkan refleksi isyarat. Apabila wayar yang dicetak panjang, induksi sirkuit akan menyebabkan pemadaman dan oscilasi. Dengan menyambung penentang memecah dalam siri (nilai penentang biasanya 22ï½™2 200 hm, dan nilai biasa 470 hm), oscilasi boleh ditahan secara efektif, kemampuan anti-gangguan boleh ditambah, dan bentuk gelombang boleh ditambah.

Untuk gangguan sambungan induktansi dan kapasitasi, dua aspek berikut boleh digunakan untuk menekan: satu adalah untuk memilih komponen yang sesuai, untuk induktansi dan kapasitasi, ia patut dipilih mengikut karakteristik frekuensi komponen yang berbeza, dan untuk komponen lain, ia patut dipilih mengikut karakteristik frekuensi komponen yang berbeza. Pilih peranti dengan induksi dan kapasitas parasit kecil. Di sisi lain, bentangan dan kawat patut dilakukan secara rasional, dan kawat selari jarak panjang patut dihindari sebanyak mungkin. Kawalan antara titik sambungan elektrik dalam sirkuit sepatutnya yang paling pendek. Sudut garis isyarat (terutama isyarat frekuensi tinggi) patut dirancang dalam arah 45 darjah, atau bentuk bulatan atau lengkung, dan tidak patut dilukis dalam sudut yang kurang dari atau sama dengan 90 darjah. Wayar permukaan wayar selanjutnya mengambil bentuk jejak perpendikular, oblik atau lengkung untuk mengurangi kapasitas parasit dan induktan vias. Semakin pendek memimpin antara vias dan pins, semakin baik, dan vias berbilang boleh dianggap selari. Atau botol miniatur untuk mengurangi induksi yang sama. Apabila memilih pakej komponen, pakej piawai patut dipilih untuk mengurangi impedance utama dan indutan parasit disebabkan oleh ketidaksepadan pakej.

Untuk sambungan kuasa dan sambungan tanah, perhatian pertama perlu diberikan untuk mengurangi garis kuasa dan keterlaluan garis tanah, dan tindakan yang diperlukan perlu diambil untuk penyelesaian bentuk gelombang dan oscilasi disebabkan oleh keterlaluan umum, perbualan salib, dan refleksi. Sambungkan kondensator bypass antara kuasa dan wayar tanah setiap sirkuit terintegrasi untuk pendek laluan aliran semasa tukar. Garis kuasa dan garis tanah dirancang menjadi bentuk grid bukannya bentuk comb. Ini kerana bentuk grid boleh pendek secara signifikan loop sirkuit, mengurangkan impedance garis, dan mengurangkan gangguan. Apabila sirkuit terpasang berbilang dipasang pada papan sirkuit cetak, dan beberapa komponen memakan kuasa yang besar, dan wayar tanah mempunyai perbezaan potensi yang besar, membentuk gangguan impedance umum, disarankan untuk merancang wayar tanah sebagai loop tertutup, yang tidak mempunyai potensi miskin, dengan toleransi bunyi yang lebih tinggi. Pemimpin sepatutnya dikurangkan sebanyak mungkin, dan tanah setiap sirkuit terintegrasi sepatutnya disambungkan ke tanah masuk papan sirkuit pada jarak yang paling pendek untuk mengurangi titik yang dijana oleh wayar cetak. Simpan wayar tanah dan wayar kuasa dalam arah yang sama dengan arah penghantaran data untuk meningkatkan toleransi bunyi papan sirkuit. Cuba guna papan sirkuit cetak berbilang lapisan untuk mengurangi perbezaan potensi tanah dan mengurangi impedance garis kuasa dan saling bercakap antara garis isyarat. Apabila tiada papan berbilang lapisan dan papan dua sisi perlu digunakan, wayar tanah mesti diperbesar sebanyak mungkin. Secara umum, wayar tanah patut lebih tebal untuk melewati 3 kali semasa sebenar mengalir melalui wayar. Garis kuasa umum dan garis tanah dikedarkan sejauh mungkin pada pinggir kedua-dua sisi papan cetak. Sambungkan kondensator tantalum 1μF ～10μF ke plug bas kuasa untuk menyambung, dan sambung kondensator keramik frekuensi tinggi 0.01μF～0.1μF secara selari dengan kondensator menyambung.

2.3 Lindungi objek sensitif

Perlindungan objek sensitif terutamanya berkoncentrasi dalam dua aspek. Di satu sisi, saluran diantara objek sensitif dan gangguan elektromagnetik dipotong. Yang lain adalah untuk mengurangi sensitifitas objek sensitif.

Sensitivity peranti elektronik adalah pedang dua pinggir. Di satu sisi, pengguna mahu sensitiviti tinggi peranti elektronik untuk meningkatkan kemampuan untuk menerima isyarat; di sisi lain, sensitiviti tinggi juga bermakna bahawa mereka lebih mungkin akan terkena kesan oleh bunyi. Oleh itu, sensitiviti peralatan elektronik patut ditentukan mengikut syarat tertentu.

Untuk peralatan elektronik analog, kaedah biasanya diterima adalah untuk menggunakan sirkuit yang disukai, seperti merancang sirkuit bunyi rendah, mengurangi lebar band, menekan penghantaran gangguan, mengembangkan input, menekan gangguan, dan memilih bekalan kualiti tenaga tinggi. Melalui kaedah ini, sensitiviti peralatan elektronik kepada gangguan elektromagnetik boleh berkurang secara efektif, dan kemampuan anti gangguan peralatan boleh diperbaiki.

Untuk peralatan elektronik digital, litar digital dengan toleransi bunyi DC tinggi patut digunakan bila indeks kerja membenarkan. Contohnya, toleransi bunyi DC bagi litar digital CMOS jauh lebih tinggi daripada litar digital TTL; Jika indeks membenarkan, cuba guna sirkuit digital dengan kelajuan penukaran rendah, kerana semakin tinggi kelajuan penukaran, semakin cepat tekanan atau perubahan semasa disebabkan oleh ia, dan semakin mudah ia menghasilkan gangguan sambungan antara sirkuit; diterima dalam sirkuit Di bawah premis, tekanan ambang patut meningkat sebanyak yang mungkin, dan tekanan ambang patut meningkat dengan menetapkan pembahagi tekanan atau tabung pengatur tekanan di depan sirkuit; kaedah yang sepadan impedance muatan diterima untuk menghapuskan transmisi isyarat digital walaupun impedance muatan sama dengan impedance gelombang garis isyarat. Kerosakan disebabkan refraksi dan refleksi dalam proses. Dalam keadaan normal, perlindungan objek sensitif perlu digunakan dalam kombinasi dengan perlindungan sumber gangguan dan penghalangan saluran sambungan, dan eksperimen berulang-ulang diperlukan dalam praktek menurut keadaan sebenar untuk mencapai kesan perlindungan terbaik.

Ringkasan

Analisis kompatibilitas elektromagnetik dan rancangan papan sirkuit kelajuan tinggi adalah kerja yang sangat sistematik dan memerlukan banyak pengalaman kerja berkumpul. Rancangan kompatibilitas elektromagnetik adalah salah satu kunci sama ada sistem elektronik boleh mencapai fungsi dan memenuhi indikator rancangan. Sebagaimana kompleksiti sistem elektronik meningkat dan frekuensi operasi meningkat, kedudukan desain kompatibilitas elektromagnetik dalam desain elektronik akan menjadi semakin terkenal. Yang lebih penting.