Технология PCB - Внимание EMC при проектировании печатных плат

Внимание EMC при проектировании печатных плат

С развитием электрической эпохи в среде жизни человека все больше и больше источников электромагнитных волн,таких как радио,телевидение, микроволновая связь; Бытовая техника; электромагнитные поля рабочих частот линий электропередачи; высокочастотные электромагнитные поля и т.п.могут представлять опасность для здоровья человека, когда сила поля этих электромагнитных полей превышает определенный предел и действует достаточно долго;В то же время он также мешает другим электронным устройствам и коммуникациям. В этом отношении необходима защита.В процессе разработки, производства и использования электроники часто выдвигаются такие концепции, как электромагнитные помехи и экранирование.Ядром электронной продукции в процессе нормальной работы является процесс координации работы между монтажной платой и деталями,установленными на монтажной плате. Очень важно улучшить показатели производительности электронной продукции и уменьшить влияние электромагнитных помех.

Дизайн PCB

Печатные платы являются опорой элементов и устройств в электронике. Он обеспечивает электрическое соединение между компонентами схемы и оборудованием. Это самая основная часть различных электронных устройств. Производительность PCB напрямую связана с производительностью электронных устройств. Качество и производительность оборудования хорошие или плохие. С развитием интегральных схем, технологии SMT и технологии микросборки, все больше и больше высокоплотной, многофункциональной электроники, что приводит к сложной проводке на PCB, множеству деталей, плотной установке, неизбежно приведет к большему количеству помех между ними. Проблема электромагнитных помех становится все более серьезной, и подавление электромагнитных помех стало ключом к нормальной работе электронной системы. Аналогичным образом, с развитием электрических технологий плотность PCB становится все выше и выше, а качество конструкции PCB также оказывает большое влияние на помехоустойчивость схемы. Чтобы получить оптимальную производительность электронных схем, помимо выбора компонентов и проектирования схем, хорошая конструкция PCB также является очень важным фактором электромагнитной совместимости.

Разумная конструкция слоя печатных плат

В зависимости от сложности схемы разумный выбор слоев PCB может эффективно уменьшить электромагнитные помехи, значительно уменьшить размер PCB и длину электрических контуров и разветвленных проводов, а также значительно уменьшить перекрестные помехи между сигналами. Эксперименты показали, что при использовании одного и того же материала четырехслойные пластины имеют на 20 дБ меньше шума, чем двухслойные. Тем не менее, чем выше слой, тем сложнее процесс производства и тем выше себестоимость производства. В многослойной пластинчатой проводке лучше всего использовать "колодезную" сетчатую структуру проводки между соседними слоями, то есть направление каждой проводки соседних слоев перпендикулярно друг другу. Например, верхняя горизонтальная проводка печатной пластины, вертикальная проводка нижней стороны, затем соединяется через перфорацию.

Разумный дизайн размера pcb плата

Когда размер платы PCB слишком велик,печатная линия будет увеличиваться, сопротивление будет увеличиваться, антишумовая способность будет уменьшаться, объем оборудования будет увеличиваться, стоимость будет соответственно увеличиваться.Если размер слишком мал и теплоотдача не очень хорошая, соседние линии могут быть легко нарушены. Как правило, механический слой (mechanical layer) определяет физическую раму,то есть внешний размер PCB, и запрещает использование Keeping layer (Keeping layer) для определения эффективной площади макета и проводки.Как правило,в зависимости от количества функциональных элементов схемы, все компоненты интегральной схемы окончательно определяют оптимальную форму и размер платы PCB.Обычно выбирается прямоугольник, соотношение сторон 3: 2. При размерах платы более 150 мм x 200 мм следует учитывать механическую прочность платы.

Расположение PCB

В дизайне PCB дизайнеры продуктов часто фокусируются только на увеличении плотности, уменьшении занятого пространства, упрощении или стремлении к красоте и равномерной компоновке, игнорируя влияние макета схемы на электромагнитную совместимость, что приводит к большому количеству сигнального излучения в пространстве, чтобы сформировать взаимные помехи. Плохая компоновка PCB может вызвать больше проблем с электромагнитной совместимостью, чем устранить их.

Компоненты цифровых, аналоговых и силовых цепей в электронных устройствах имеют различную компоновку и проводку, а также различные способы создания помех и подавления помех. Поскольку частоты высокочастотных и низкочастотных схем различны, их помехи и методы подавления помех также различны. Поэтому в компоновке элементов цифровые схемы, аналоговые схемы и схемы питания должны быть размещены отдельно, а высокочастотные и низкочастотные схемы должны быть разделены. По возможности, они должны быть изолированы или изготовлены отдельно из монтажных плат. При компоновке особое внимание следует уделять распределению устройств с сильными и слабыми сигналами и направлению передачи сигнала.

Компоненты PCB

Компоненты PCB имеют ту же компоновку, что и другие логические схемы, и связанные между собой элементы должны быть как можно ближе, чтобы получить лучший шумостойкий эффект. Положение элемента на печатной плате должно полностью учитывать проблему защиты от электромагнитных помех.Один из принципов заключается в том, что провода между компонентами должны быть как можно короче. В макете части аналоговых сигналов, части высокоскоростных цифровых схем и части источника шума (например, реле, переключатель большого тока и т. Д.) должны быть разумно разделены, чтобы свести к минимуму связь сигнала между ними.

Генераторы часов, кристаллические генераторы и входные клеммы часов ЦП подвержены шуму, поэтому они должны быть ближе друг к другу. Устройства, подверженные воздействию шума, низкотоковые и высокотоковые цепи должны быть как можно дальше удалены от логических схем. Если возможно, следует сделать еще одну монтажную плату, что очень важно.

Общие требования к компоновке компонентов PCB: компоновка компонентов схемы и пути сигнала должна минимизировать связь ненужных сигналов.

1) Низкий уровень сигнальных каналов не может быть близко к высокоуровневым сигнальным каналам и нефильтрованным линиям питания, включая схемы, которые могут генерировать переходные процессы.

2) Разделить аналоговые и цифровые схемы низкого уровня, чтобы избежать связи с общим сопротивлением между аналоговыми, цифровыми и общими контурами питания.

3)Высокие, средние и низкие скорости логических схем используют различные области на PCB.

4) При компоновке схемы длина сигнальной линии должна быть минимизирована.

5) Обеспечить отсутствие слишком длинных параллельных сигнальных линий между соседними пластинами, между соседними слоями одной и той же пластины и между соседними проводами на одном и том же этаже.

6) Фильтр электромагнитных помех (ЭМИ) должен находиться как можно ближе к источнику электромагнитных помех и помещаться на ту же плату.

7) Преобразователи DC / DC, переключатели и выпрямители должны быть как можно ближе к трансформаторам, чтобы свести к минимуму длину их проводов.

8) Подключите блок регулирования напряжения и фильтрующий конденсатор как можно ближе к выпрямительному диоду.

9) Печатные платы делятся в зависимости от частоты и характеристик переключения тока, а расстояние между шумовыми и нешумными компонентами должно быть больше.

10) Соединения, чувствительные к шуму, не должны быть параллельны высокотоковым и высокоскоростным линиям переключения.

11) Компоненты компоновки должны уделять особое внимание проблеме охлаждения. Для мощных цепей, насколько это возможно, должны быть размещены нагревательные компоненты, такие как трубки мощности и трансформаторы, чтобы облегчить охлаждение. Не концентрируйтесь в одном месте и не располагайте слишком близко высокой емкостью, чтобы избежать преждевременного старения электролитов.

Проводка PCB

ПХБ состоит из ряда многослойных конструкций с ламинированием, проводкой и предварительно пропитанным материалом на вертикальном укладке. В многослойных PCB для удобства отладки сигнальные линии будут расположены на самом внешнем слое.

В случае высоких частот нельзя игнорировать распределительную индуктивность и распределенную емкость проводки, перфорации, резисторов, конденсаторов и соединителей на печатных платах. Сопротивление вызывает отражение и поглощение высокочастотных сигналов. Распределенная емкость линии также будет играть свою роль. Когда длина линии следа превышает 1 / 20 соответствующей длины волны частоты шума, происходит эффект антенны и шум передается через линию следа.

Большая часть проводов печатных плат выполнена через перфорацию. Перепористость может принести распределенную емкость около 0,5 pF, а уменьшение количества пробоин может значительно увеличить скорость.

Сам упаковочный материал ИС вводит емкость от 2 до 6 pF. Соединитель на монтажной плате имеет распределенную индуктивность 520 nH. В розетке для ИС с 24 - контактным разъемом вводится распределенная индуктивность 4 - 18 нН.

Чтобы избежать влияния параметров распределения проводки PCB, должны соблюдаться следующие общие требования:

1) Увеличить расстояние между линиями следа для уменьшения последовательных помех конденсаторной связи.

2) В двухсторонней проводке пластины провода с обеих сторон должны быть вертикальными, наклонными или изогнутыми, чтобы избежать параллельности друг друга, чтобы уменьшить паразитную связь; Насколько это возможно, следует избегать использования печатных проводов в качестве ввода и вывода цепей. Чтобы избежать обратной связи, лучше добавить заземление между этими проводами.

3) удалять чувствительные высокочастотные линии от высокошумных линий электропитания, чтобы уменьшить взаимную связь; Следы высокочастотных цифровых цепей должны быть тоньше и короче.

4) Расширение линий электропитания и заземления для снижения сопротивления линий электропитания и наземных линий.

5) Максимально возможное использование ломаной линии 45° вместо ломаной линии 90° для уменьшения внешней эмиссии и связи высокочастотных сигналов.

6) Длина адресной линии или линии данных не должна сильно различаться, иначе короткой части придется искусственно сгибать для компенсации.

7) Обратите внимание на изоляцию между сигналами большого тока, сигналами высокого напряжения и небольшими сигналами (расстояние изоляции связано с переносимым напряжением,которое должно выдерживаться. Обычно при 2 кВ расстояние между пластинами составляет 2 мм, и это соотношение основано на расчетах выше. Например, чтобы выдерживать испытание на переносимое напряжение в 3 кВ, расстояние между линиями высокого напряжения и линиями низкого напряжения должно быть выше 3,5 мм. Во многих случаях,чтобы избежать подъема, линии высокого напряжения на печатной плате должны открываться канавки).

Дизайн схемы в PCB

При проектировании электронных схем больше внимания уделяется фактическим характеристикам продукта, чем чрезмерному учету характеристик электромагнитной совместимости продукта и характеристик подавления электромагнитных помех и электромагнитной защиты от помех. При использовании схемной схемы для компоновки PCB, для достижения цели электромагнитной совместимости необходимо принять необходимые меры, а именно добавить необходимые дополнительные схемы на основе схемной схемы, чтобы улучшить электромагнитную совместимость своей продукции. Для фактического проектирования PCB могут использоваться следующие схемы:

1) Резисторы могут быть последовательно подключены к трассировке PCB, чтобы уменьшить скорость сдвига нижнего края линии управляющего сигнала.

2) Попытайтесь обеспечить некоторую форму демпфирования (высокочастотные конденсаторы, обратные диоды и т.д.) для реле и т.д.

3) Фильтрация сигналов, поступающих на печатную доску, и фильтрация сигнала из зоны высокого шума в зону низкого шума. В то же время для уменьшения отражения сигнала используется ряд оконечных резисторов.

4) Бесполезный конец MCU должен быть подключен к источнику питания или заземлению через соответствующее соответствующее сопротивление соответствия или определен как выходной конец. зажимы интегральных схем, которые должны быть подключены к источнику питания и заземлению, должны быть подключены и не должны оставаться плавающими.

5) Не покидайте входной зажим неиспользуемой сеточной схемы, но подключайтесь к источнику питания или заземлению с помощью соответствующего согласующего резистора. Положительный входной конец неиспользуемого операционного усилителя заземлен, а отрицательный входной конец соединен с выходным.

6) Установить высокочастотный развязывающий конденсатор для каждой ИС. К каждому электролитическому конденсатору должен быть добавлен небольшой высокочастотный шунтирующий конденсатор.

7) Использование танталовых или полиэфирных конденсаторов большой емкости вместо электролитических конденсаторов в качестве зарядно - разрядных накопителей энергии на монтажных платах. При использовании трубчатых конденсаторов корпус должен быть заземлен.

Заключение

С развитием науки и техники миниатюризация и интеллект различных электронных устройств стали основной тенденцией. В то же время операционная среда электронных продуктов или устройств будет становиться все более сложной. Антиинтерференционные технологии и технологии электромагнитной совместимости также нуждаются в постоянном развитии и зрелости. Дизайнеры PCB и производители плат должны уделять достаточное внимание практическому применению.