Teknik PCB - EMI/EMC Design Lecture: The Image Plane of Printed Circuit Board (Part 2)

Lapisan imej adalah lapisan konduktor tembaga (atau konduktor lain) yang ditempatkan di dalam papan sirkuit cetak (PCB). Ia mungkin pesawat tegangan, atau pesawat rujukan 0V bersebelahan dengan litar atau lapisan penghalaan isyarat. Pada tahun 1990-an, konsep pesawat imej telah digunakan secara luas, dan kini ia adalah istilah yang tepat untuk standar industri. Artikel ini akan menjelaskan definisi, prinsip dan desain pesawat imej.

Design pesawat imej

Gambar 4 adalah lapisan imej dalam PCB, yang mempunyai induksi sebahagian umum. Dalam figur ini, kebanyakan semasa RF jejak isyarat akan kembali ke pesawat tanah, yang berada langsung di bawah jejak isyarat. Dalam struktur "imej" kembalian ini, arus kembalian RF akan menghadapi impedance terbatas (inductance). Semasa kembalian ini menghasilkan "gradien tegangan (cerun)" (kadar perubahan tegangan per unit panjang laluan), juga dikenali sebagai "tegangan bunyi-tanah". Tekanan bunyi tanah akan menyebabkan sebahagian dari arus isyarat melewati kondensator diskret di atas pesawat tanah.

Mod biasa biasa semasa adalah 1/10n darab mod berbeza Idm semasa (n adalah integer positif kurang dari 10). Namun, mod biasa semasa (I1 dan Icm) akan menghasilkan lebih banyak radiasi daripada mod berbeza semasa (dan ). Ini kerana medan semasa frekuensi radio mod umum adalah aditif, sementara medan semasa mod berbeza adalah tolak.

Untuk mengurangi "tekanan bunyi tanah", nilai induksi umum antara jejak dan aras imej terdekat mesti ditambah. Ini boleh menyediakan laluan bertambah untuk semasa kembali untuk peta semasa imej kembali ke sumber semasa. Formula pengiraan bagi tekanan bunyi tanah Vgnd adalah sebagai berikut:

Vgnd = Lg dI2/dt-Mgs dI1/dt

Gambar 4 dan makna simbolik formula di atas adalah sebagai berikut:

Ls = sebahagian dari induktan jejak isyarat sendiri.

Msg = inductans sebahagian umum antara jejak isyarat dan pesawat tanah.

Lg = sebahagian dari induktan pesawat tanah sendiri.

Mgs = inductans sebahagian umum antara pesawat tanah dan jejak isyarat.

Cstray = kapasitasi tersesat pesawat tanah.

Vgnd = tenaga bunyi pesawat tanah.

Untuk mengurangi If dalam Figur 4, tekanan bunyi tanah mesti mengurangi. Cara terbaik adalah untuk mengurangi jarak antara jejak isyarat dan pesawat tanah. Dalam kebanyakan kes, terdapat had untuk pengurangan bunyi tanah, kerana jarak antara pesawat isyarat dan pesawat imej tidak boleh kurang daripada nilai tertentu; jika ia lebih rendah dari nilai ini, impedance tetap dan fungsi papan sirkuit tidak akan dijamin. Selain itu, ia juga boleh menyediakan laluan tambahan untuk arus frekuensi radio, dengan itu mengurangkan tenaga bunyi tanah. Laluan kembalian tambahan ini termasuk beberapa wayar tanah.

Figur 4: Pesawat tanah dalam PCB

Pesawat stabil akan menghasilkan radiasi mod umum. Oleh kerana inductans sebahagian umum boleh mengurangkan generasi frekuensi radio radian semasa, inductans sebahagian umum juga akan mempengaruhi mod perbezaan semasa dan mod biasa semasa. Penggunaan pesawat imej boleh mengurangkan arus ini. Dalam teori, mod perbezaan semasa sepatutnya sama dengan sifar, tetapi sebenarnya ia tidak boleh dibuang 100%, dan mod perbezaan semasa yang tersisa akan diubah ke mod biasa semasa. Semasa mod umum ini adalah sumber utama gangguan elektromagnetik. Kerana semasa RF yang tersisa pada laluan kembali ditambah ke semasa utama (I1) dalam laluan isyarat, menyebabkan gangguan isyarat serius. Untuk mengurangi semasa-mod umum, kita mesti meningkatkan nilai induktan bahagian umum antara pesawat jejak dan pesawat imej ke maksimum untuk menangkap aliran magnetik, dengan itu menghapuskan tenaga frekuensi radio yang tidak diperlukan. Tekanan mod berbeza dan semasa akan menghasilkan semasa mod umum. Selain meningkatkan nilai induktan umum, kaedah untuk mengurangi mod perbezaan semasa juga mesti mengurangi jarak antara aras jejak dan aras imej.

Dalam PCB, apabila terdapat pesawat atau laluan kembalian RF, jika laluan kembalian disambung ke sumber rujukan, prestasi terbaik boleh dicapai. Untuk TTL dan CMOS, pins kuasa dan tanah dalam cip disambung dengan sumber rujukan, bekalan kuasa, dan pesawat tanah. Hanya apabila laluan RF kembali disambung ke kekuatan dan pins tanah dalam cip, pesawat imej sebenar akan wujud. Biasanya, terdapat sirkuit tanah dalam cip, dan sirkuit ini tersambung ke lapisan tanah PCB, jadi lapisan imej yang baik dihasilkan. Jika pesawat imej ini dibuang, pesawat imej "imajinar" akan dicipta antara jejak dan pesawat tanah. Kerana jarak antara jejak kecil, tenaga radiasi akan dikurangi, jadi imej RF akan ofset. Pesawat imej ideal seharusnya tidak terbatas, dan tiada pecahan, keripik atau potongan.

Kembali tanah dan isyarat

Oleh kerana gelung adalah medium yang paling penting untuk penyebaran tenaga frekuensi radio, kawalan gelung balik tanah atau isyarat (kawalan gelung balik) adalah salah satu pertimbangan reka yang paling penting untuk menekan gangguan elektromagnetik dalam PCB. Komponen logik kelajuan tinggi dan oscilator sepatutnya hampir mungkin ke sirkuit mendarat untuk menghindari membentuk loop; Akan ada aliran rusak dalam loop ini, dan chassis atau chassis adalah mendarat pada masa ini. Strom Eddy disebabkan oleh mengubah medan magnet dan biasanya parasit. Figur 5 menunjukkan gelung yang dibentuk oleh slot kad penyesuaian PC dan pendaratan titik tunggal. Dalam angka ini, terdapat kawasan gelung balik isyarat tambahan. Setiap gelung akan menghasilkan medan elektromagnetik dan spektrum frekuensi yang berbeza. Semasa frekuensi radio akan menghasilkan medan radiasi elektromagnetik pada frekuensi tertentu, dan saiz tenaga radiasinya berkaitan dengan kawasan loop. Pada masa ini, penahanan mesti digunakan untuk mencegah arus frekuensi radio daripada menyambung ke sirkuit lain; atau radiasi ke persekitaran luar, menyebabkan gangguan elektromagnetik. Namun, lebih baik untuk mengelakkan gelung RF semasa yang dijana oleh sirkuit dalaman sebanyak mungkin.

Figur 5: Gelung tanah dalam PCB

Jika laluan kembalian semasa frekuensi radio tidak wujud, pada masa ini, garis tanah yang disambung ke asas atau sumber rujukan 0V boleh digunakan untuk membantu pergerakan.

Buang semasa frekuensi radio teruk. Ini juga dipanggil "kawalan kawalan kawalan loop".

Kawalan kawasan loop

Gelung yang disebabkan oleh medan magnet, medan elektromagnetnya boleh diwakili oleh sumber tegangan. Saiz sumber tekanan ini adalah proporsional dengan jumlah kawasan loop. Oleh itu, untuk mengurangkan kesan sambungan medan magnetik, kawasan loop mesti dikurangi. Sistem penerimaan medan elektrik "pickup" juga bergantung pada kawasan loop untuk membentuk antena penerima.

Apabila terdapat medan elektrik, sumber semasa dijana antara bekalan kuasa dan pesawat tanah. Medan elektrik tidak akan pasang dari baris ke baris, tetapi akan pasang dari jejak ke tanah, yang termasuk arus mod biasa. Bagaimanapun, bagi medan magnetik, kerana medan elektrik akan dijana dengannya, medan elektromagnetik akan disambung dari garis ke garis, dan juga dari jejak ke garis tanah.

Kebanyakan orang akan mengabaikan kebutuhan untuk menetapkan kawasan loop antara bekalan kuasa dan titik rujukan 0V dalam PCB. Kawasan loop besar yang dipaparkan dalam Gambar 6 adalah yang paling mudah untuk dirancang, tetapi ia juga yang paling mudah untuk dihidupkan oleh "discharge electrostatic (ESD)" atau medan lain untuk menjadi antena. PCB berkumpul berbilang lapisan boleh mengurangkan kerosakan ESD, dan boleh mengurangkan generasi medan magnetik dan mencegahnya daripada radiasi ke ruang bebas. Dalam Gambar 7, terdapat kawasan loop kecil antara pesawat tanah dan pesawat kuasa.

Penggunaan pesawat kuasa dan tanah boleh mengurangkan induktan sistem distribusi kuasa. Jika keterlaluan karakteristik sistem distribusi kuasa dikurangkan, titik tekanan papan sirkuit boleh dikurangkan. Jika titik tekanan menjadi lebih kecil, fenomena "lompatan tanah" boleh dihindari. Apabila suis pintu logik ditukar dengan cepat, perubahan semasa segera akan dihantar ke pesawat kuasa atau pesawat tanah papan ibu melalui pin IC, menyebabkan perubahan dalam voltaj rujukan input, dan kemudian menghasilkan bunyi frekuensi radio (bunyi RF) dan gangguan elektromagnetik. Fenomen ini dipanggil "lompatan tanah". Selain itu, semasa mengurangi pengendalian karakteristik, nilai kapasitasi antara pesawat kuasa dan pesawat tanah akan meningkat. Nilai kapasitasi ini akan membuat setiap tekanan yang disebabkan jatuh. Ini adalah kesan "lepaskan".

Gambar 6: Kawasan hijau adalah kawasan loop besar

Apabila garis isyarat bergerak antara komponen, kawasan loop besar dicipta. Tetapi kita sering lupa pengaruh garis isyarat pada EMI. Walaupun integriti isyarat (domain masa) masih tinggi, EMI masih wujud (domain frekuensi), kerana kawasan loop isyarat menyebabkan lebih banyak masalah daripada sistem distribusi kuasa. Ini terutama benar dari perspektif ESD; ini kerana ESD secara langsung memasuki pin input loop dan komponen. Untuk mengurangi kerosakan yang ESD boleh menyebabkan, mengurangi kawasan loop adalah cara yang paling mudah. Rangkaian tenaga dan pesawat tanah yang ditentralkan menyediakan laluan impedance rendah yang boleh menghantar tenaga ESD ke pesawat rujukan kembali 0V. Lagipun, sirkuit adalah sirkuit, dan jika ia boleh mengeluarkan gelombang elektromagnetik, ia patut dapat menerima gelombang elektromagnetik.

Selain mengurangi ketegangan bunyi tanah, pesawat imej juga boleh mencegah gelung tanah RF menjadi lebih besar, kerana arus RF dipasang dengan ketat dengan jejak sumber semasa mereka, jadi ia tidak perlu mencari laluan kembali lain. Apabila kawalan loop dimaksimumkan, aliran magnetik akan dihapuskan. Ini adalah salah satu konsep yang paling penting untuk menekan frekuensi radio semasa dalam PCB. Di sekitar setiap pesawat isyarat, konfigurasi yang betul bagi pesawat imej boleh menghapuskan frekuensi radio mod umum semasa. Aras imej yang menghantar sejumlah besar semasa frekuensi radio mesti ditanda atau disambung ke titik rujukan 0V. Untuk menghapuskan tekanan RF yang berlebihan dan arus eddy, semua pesawat mendarat dan asas boleh disambungkan ke titik mendarat asas melalui sirkuit mendarat impedance rendah.

Figure 7: Bentangan PCB dengan kawasan loop kecil

Jarak kawat mendarat

Untuk mengurangi generasi loop dalam PCB, cara yang paling mudah adalah untuk merancang banyak wayar mendarat, dan mereka semua tersambung ke titik mendarat asas. Sejak kadar pinggir isyarat output komponen telah dipercepat, pendaratan berbilang-titik telah menjadi spesifikasi yang diperlukan, terutama apabila terdapat desain yang menggunakan sambungan I/O. Apabila PCB menggunakan pendaratan berbilang-titik, dan mereka semua tersambung dengan struktur logam, pada masa ini, kita mesti tahu ruang antara semua wayar pendaratan.

Jarak antara wayar tanah tidak boleh melebihi λ/20 frekuensi tertinggi, yang termasuk bukan sahaja frekuensi utama tetapi juga frekuensi harmonik. Jika kadar pinggir isyarat output komponen relatif lambat, bilangan titik pendaratan tersambung ke asas boleh dikurangkan, atau jarak dari kedudukan pendaratan boleh ditambah. Contohnya, λ/20 bagi oscilator 64MHz adalah 23.4 cm. Jika jarak linear antara dua wayar tanah lebih besar dari 23.4 cm, terdapat kemungkinan bahawa akan ada loop frekuensi radio, yang mungkin sumber tenaga frekuensi radio.

Bentangan komponen dalam PCB mesti betul. Meletakkan wayar tanah blok berfungsi yang berbeza berhampiran satu sama lain boleh pendek panjang jejak isyarat, mengurangkan refleksi, dan membuat ia lebih mudah untuk wayar, sementara menjaga integriti isyarat. Penggunaan botol patut dihindari sebanyak mungkin, kerana setiap melalui akan meningkatkan induktan jejak dengan kira-kira 1 hingga 3 nH.

Selain itu, untuk mencegah sambungan kawasan lebar jalur yang berbeza, blok berfungsi berbeza mesti dipisahkan dengan betul. Kaedah ini termasuk: menggunakan PCB terpisah, pengisihan, kabel berbeza... dll. Pembahagian yang betul boleh meningkatkan prestasi sirkuit, membuat angin lebih mudah, pendek panjang jejak, dan boleh mengurangkan kawasan loop dan meningkatkan kualiti isyarat. Sebelum kawat, jurutera mesti merancang komponen mana yang termasuk blok fungsi mana, dan maklumat ini boleh diperoleh dari penyedia komponen.