Teknik PCB - Teknologi kawalan EMC/EMI dalam rancangan PCB

Dengan peningkatan integrasi peranti IC, miniaturisasi perlahan-lahan peranti dan kelajuan peningkatan peranti, masalah EMI dalam produk elektronik telah menjadi lebih serius. Dari sudut pandangan merancang EMC/EMI peralatan sistem, mengendalikan dengan betul isu EMC/EMI dalam tahap merancang PCB peralatan adalah kaedah paling efektif dan paling rendah kos peralatan sistem untuk memenuhi standar kompatibilitas elektromagnetik. Artikel ini memperkenalkan teknologi kawalan EMI dalam rancangan PCB sirkuit digital.

1 Prinsip generasi dan penghalangan EMI

Generasi EMI disebabkan oleh sumber gangguan elektromagnetik yang menghantar tenaga ke sistem sensitif melalui laluan sambungan. Ia termasuk tiga bentuk asas: kondukti melalui wayar atau tanah biasa, radiasi melalui ruang, atau sambungan lapangan dekat. Bahaya EMI muncul dalam mengurangi kualiti isyarat transmisi, menyebabkan gangguan atau bahkan kerosakan pada litar atau peralatan, membuat peralatan tidak dapat memenuhi keperluan indeks teknik yang dinyatakan oleh piawai kompatibilitas elektromagnetik.

Untuk menekan EMI, rancangan EMI sirkuit digital patut dilakukan mengikut prinsip berikut:

.Menurut spesifikasi teknikal EMC/EMI yang berkaitan, indikator telah dipotong menjadi sirkuit papan tunggal dan dikawal pada tahap yang berbeza.

.Kawalan dari tiga elemen EMI, iaitu sumber gangguan, laluan sambungan tenaga dan sistem sensitif, sehingga sirkuit mempunyai balas frekuensi rata dan memastikan operasi normal dan stabil sirkuit.

.Mula dengan rancangan bahagian depan peralatan, perhatikan rancangan EMC/EMI, dan mengurangkan kos rancangan.

2 teknologi kawalan EMI bagi PCB sirkuit digital

Apabila berurusan dengan berbagai bentuk EMI, masalah khusus mesti dianalisis secara terperinci. Dalam rancangan PCB sirkuit digital, EMI boleh dikawal dari aspek berikut.

2. 1 Pemilihan peranti

Apabila merancang EMI, kita mesti pertama pertimbangkan kelajuan peranti yang dipilih. Dalam mana-mana litar, jika peranti dengan masa naik 5ns diganti dengan peranti dengan masa naik 2.5ns, EMI akan meningkat sekitar 4 kali. Intensiti radiasi EMI adalah proporsional dengan kuasa dua frekuensi. Frekuensi EMI tertinggi (fknee) juga dipanggil lebar banding emisi EMI. Ia adalah fungsi masa naik isyarat daripada frekuensi isyarat: fknee = 0.35/Tr (di mana Tr adalah masa naik isyarat peranti)

Julat frekuensi EMI radiasi ini adalah 30MHz hingga beberapa GHz. Dalam band frekuensi ini, panjang gelombang sangat pendek, dan walaupun kabel yang sangat pendek di papan sirkuit mungkin menjadi antena penghantaran. Apabila EMI tinggi, sirkuit mudah kehilangan fungsi normal. Oleh itu, dalam pemilihan peranti, di bawah premis untuk memastikan keperluan prestasi sirkuit, cip kelajuan rendah patut digunakan sebanyak mungkin, dan sirkuit pemandu/menerima yang sesuai patut diadopsi. Selain itu, kerana pin utama peranti semua mempunyai induktansi parasitik dan kapasitasi parasitik, dalam rancangan kelajuan tinggi, pengaruh bentuk pakej peranti pada isyarat tidak boleh diabaikan, kerana ia juga faktor penting dalam menghasilkan radiasi EMI. Secara umum, parameter parasit peranti SMD lebih kecil daripada peranti pemalam, dan parameter parasit pakej BGA lebih kecil daripada pakej QFP.

2.2 Pemilihan sambungan dan definisi terminal isyarat

Sambungan adalah pautan kunci dalam pemindahan isyarat kelajuan tinggi, dan ia juga pautan lemah yang cenderung kepada EMI. Lebih banyak pin tanah boleh diatur dalam rancangan terminal konektor untuk mengurangi jarak antara isyarat dan tanah, mengurangi kawasan loop isyarat yang berkesan yang menghasilkan radiasi dalam konektor, dan menyediakan laluan kembalian yang rendah-impedance. Apabila perlu, pertimbangkan mengisolasi beberapa isyarat kunci dengan pin tanah.

2.3 Ciptaan tertekan

Di bawah premis membenarkan kos, meningkatkan bilangan lapisan pesawat tanah dan meletakkan lapisan isyarat dekat lapisan pesawat tanah boleh mengurangkan radiasi EMI. Untuk PCB kelajuan tinggi, pesawat kuasa dan pesawat tanah terhubung secara dekat, yang boleh mengurangkan impedance bekalan kuasa, dengan itu mengurangkan EMI.

2.4 Bentangan

Menurut aliran semasa isyarat, bentangan yang masuk akal boleh mengurangi gangguan antara isyarat. Bentangan yang masuk akal adalah kunci untuk mengawal EMI. Prinsip asas bentangan adalah:

.isyarat analog mudah diganggu oleh isyarat digital, dan sirkuit analog patut dipisahkan dari sirkuit digital;

.Garis jam adalah sumber utama gangguan dan radiasi. Jauhkan sirkuit sensitif dan menjaga garis jam yang paling pendek;

.Sirkuit kuasa tinggi, arus kuasa tinggi patut dihindari sejauh mungkin di kawasan pusat papan, dan kesan penyebaran panas dan radiasi patut dianggap;

.Sambungan seharusnya diatur pada satu sisi papan sejauh mungkin dan jauh dari sirkuit frekuensi tinggi;

.Sirkuit input/output dekat dengan sambungan yang sepadan, dan kondensator pemisah dekat dengan pin bekalan kuasa yang sepadan;

.mempertimbangkan secara penuh kemudahan bentangan bagi bahagian bekalan kuasa, dan peranti-kuasa berbilang patut ditempatkan melalui sempadan kawasan bekalan kuasa untuk mengurangkan kesan bahagian pesawat pada EMI secara efektif;

.Pesawat kembali (laluan) tidak dibahagi.

2.5 Kawalan

.Kawalan kemudahan: garis isyarat kelajuan tinggi akan memperkenalkan ciri-ciri garis pemindahan, dan kawalan kemudahan diperlukan untuk menghindari refleksi isyarat, melebihi dan berdering, dan mengurangi radiasi EMI.

.Klasifikasikan isyarat, mengikut intensiti radiasi EMI dan sensitiviti isyarat berbeza (isyarat analog, isyarat jam, isyarat I/O, bas, bekalan kuasa, dll.), pisahkan sumber gangguan dan sistem sensitif sebanyak mungkin, dan mengurangkan sambungan.

.Kawal terus panjang jejak isyarat jam (terutama isyarat jam kelajuan tinggi), bilangan vias, kawasan sekatan, penghentian, lapisan kabel, laluan kembali, dll.

.Loop isyarat, iaitu, loop bentuk oleh isyarat mengalir ke isyarat mengalir masuk, adalah kunci kawalan EMI dalam reka PCB dan mesti kawal semasa kabel. Untuk memahami arah aliran setiap isyarat kunci, isyarat kunci sepatutnya dijalurkan dekat dengan laluan kembali untuk memastikan kawasan loopnya adalah yang paling kecil.

Untuk isyarat frekuensi rendah, buat aliran semasa melalui laluan dengan perlawanan yang kurang; bagi isyarat frekuensi tinggi, membuat aliran semasa frekuensi tinggi melalui laluan dengan sekurang-kurangnya induktan, bukan laluan dengan sekurang-kurangnya resistensi (lihat Figur 1). Untuk radiasi mod berbeza, intensiti radiasi EMI (E) adalah proporsional dengan semasa, kawasan loop semasa, dan kuasa dua frekuensi. (I ialah semasa, A ialah kawasan loop, f ialah frekuensi, r ialah jarak ke tengah loop, dan k ialah konstan.)

Oleh itu, apabila laluan induktan minimum kembali berada di bawah wayar isyarat, kawasan loop semasa boleh dikurangkan, dengan itu mengurangkan tenaga radiasi EMI.

.isyarat kunci tidak boleh menyeberangi kawasan disegmen.

.Kawalan isyarat berbeza kelajuan tinggi sepatutnya dipasang dengan ketat sebanyak mungkin.

.Pastikan garis jalur, garis jalur mikro dan pesawat rujukannya memenuhi keperluan.

.Kabel utama kondensator pemisah seharusnya pendek dan lebar.

.Semua jejak isyarat seharusnya sejauh mungkin dari pinggir papan.

.Untuk rangkaian sambungan berbilang-titik, pilih topologi yang sesuai untuk mengurangkan refleksi isyarat dan mengurangkan radiasi EMI.

2.6 Pemprosesan bahagian pesawat kuasa

.Segmentasi lapisan kuasa

Apabila terdapat satu atau lebih bekalan sub-kuasa pada pesawat kuasa utama, pastikan kontinuiti setiap kawasan bekalan kuasa dan lebar foil tembaga yang cukup. Garis pembahagian tidak perlu terlalu lebar, umumnya lebar garis 20-50 mil cukup untuk mengurangi radiasi ruang.

.Pemisahan lapisan tanah

Pesawat tanah patut disimpan untuk menghindari pemisahan. Jika ia mesti dibahagi, perlu membezakan antara tanah digital, tanah analog dan tanah bunyi, dan menyambung ke tanah luaran melalui titik tanah umum pada pintu keluar.

Untuk mengurangkan radiasi pinggir bekalan kuasa, pesawat kuasa/tanah patut mengikut prinsip reka 20H, iaitu, saiz pesawat tanah 20H lebih besar daripada saiz pesawat kuasa (lihat Figure 2), sehingga intensiti radiasi medan tepi boleh dikurangkan dengan 70%.

3 Kaedah kawalan lain EMI

3.1 Ralat sistem kuasa

.Design sistem kuasa impedance rendah untuk memastikan impedance sistem distribusi kuasa dalam julat frekuensi yang lebih rendah dari fknee lebih rendah daripada impedance sasaran.

.Guna penapis untuk mengawal gangguan yang dilakukan.

.Power decoupling. Dalam rancangan EMI, menyediakan kondensator pemisahan yang masuk akal boleh membuat cip berfungsi dengan sah, mengurangkan bunyi frekuensi tinggi dalam bekalan kuasa, dan mengurangkan EMI. Kerana pengaruh induksi wayar dan parameter parasit lain, kelajuan balas bekalan kuasa dan wayar bekalan kuasa adalah lambat, yang membuat arus segera yang diperlukan oleh pemandu dalam sirkuit kelajuan tinggi tidak mencukupi. Secara rasional merancang kapasitor bypass atau menyambungkan dan kapasitor yang disebarkan lapisan bekalan kuasa, sehingga kesan penyimpanan tenaga kapasitor boleh digunakan untuk menyediakan semasa dengan cepat kepada peranti sebelum bekalan kuasa bertindak. Penghapusan kapasitatif yang betul boleh menyediakan laluan kuasa impedance rendah, yang merupakan kunci untuk mengurangkan EMI-mod umum.

3.2 Mendarat

Rancangan tanah adalah kunci untuk mengurangi EMI seluruh papan.

Pastikan menggunakan pendaratan satu titik, pendaratan berbilang titik atau pendaratan campuran.

.Digital ground, analog ground, and noise ground should be separated, and a suitable common ground point should be determined.

.If the double-panel design has no ground wire layer, it is very important to design the ground wire grid reasonably, and ensure that the width of the ground wire>the width of the power wire>the width of the signal wire. Kaedah pembatalan kawasan besar juga boleh digunakan, tetapi diperlukan untuk memberi perhatian kepada kontinuiti kawasan besar di lantai yang sama.

.Untuk desain papan berbilang lapisan, pastikan ada lapisan pesawat tanah untuk mengurangi impedance tanah umum.

3.3 Sambungan penentang damping dalam siri

Di bawah syarat yang diperlukan urutan sirkuit membenarkan, teknik asas untuk menekan sumber gangguan adalah menyambungkan penentang perlawanan kecil dalam siri pada hujung output isyarat kunci, biasanya penentang 22-33Ω. Penolak kecil ini dalam siri pada output boleh memperlambat masa naik/jatuh dan meluncurkan isyarat overshoot dan undershoot, dengan itu mengurangkan amplitud harmonik frekuensi tinggi bentuk gelombang output dan mencapai tujuan untuk menekan EMI secara efektif.

3.4 Perisai

.Komponen kunci boleh guna bahan perisai EMI atau jaringan perisai.

.Perisai isyarat kunci boleh dirancang sebagai garis garis atau dipisahkan oleh wayar tanah di kedua-dua sisi isyarat kunci.

3.5 Spektrum Penyebar

Kaedah spektrum penyebaran (spektrum penyebaran) adalah kaedah baru dan berkesan untuk mengurangi EMI. Spektrum menyebar adalah untuk modulasi isyarat dan mengembangkan tenaga isyarat ke julat frekuensi relatif luas. Bahkan, kaedah ini adalah modulasi kawalan isyarat jam, dan kaedah ini tidak akan meningkatkan ketagihan isyarat jam. Aplikasi praktik membuktikan bahawa teknologi spektrum penyebaran berkesan dan boleh mengurangkan radiasi dengan 7 hingga 20dB.

3.6 Analisis dan ujian EMI

.Analisis simulasi

Selepas kabel PCB selesai, perisian simulasi EM I dan sistem ahli boleh digunakan untuk analisis simulasi untuk simulasi persekitaran EMC/EMI untuk menilai sama ada produk memenuhi keperluan standar kompatibilitas elektromagnetik yang relevan.

Ujian imbas

Guna pengimbas radiasi elektromagnetik untuk imbas cakera mesin yang terkumpul dan diaktifkan untuk mendapatkan peta distribusi medan elektromagnetik dalam PCB (seperti yang dipaparkan dalam Gambar 3, kawasan merah, hijau, dan putih biru dalam gambar menunjukkan tenaga radiasi elektromagnetik dari rendah hingga tinggi). Menurut ujian Sebagai hasil, rancangan PCB diperbaiki.

4 ringkasan

Dengan pembangunan terus menerus dan aplikasi cip kelajuan tinggi baru, frekuensi isyarat semakin tinggi dan tinggi, dan papan PCB yang membawa mereka mungkin semakin kecil dan semakin kecil. Design PCB akan menghadapi cabaran EMI yang lebih berat. Hanya eksplorasi terus menerus dan inovasi terus menerus boleh membuat rekaan EMC/EMI papan PCB berjaya.