Технология PCB - ​ Создание прототипов с низким уровнем помех EMC и поверхностных покрытий PCB

В этой статье обсуждаются ключевые шаги по созданию прототипа с низким уровнем электромагнитных помех (EMI) до тестирования на совместимость микроволновой темной камеры, включая проектирование схем с низким уровнем излучения и тестирование на предварительную совместимость. Тесты на предварительную совместимость включают моделирование макета PCB и анализ EMI с использованием программного обеспечения для моделирования 3D - электромагнитного поля, а затем использование спектрального анализатора (SA) для электромагнитного сканирования прототипа PCB в ближнем поле. Наконец, были проведены микроволновые испытания в темной камере, которые подтвердили правильность конструкции.

Минимальная схема EMI

Для обеспечения низкоизлучающей эмиссии (RE) необходимо применять передовую практику при проектировании схем и компоновок PCB, включая добавление ферритовых магнитных шариков для фильтрации EMI в схемы питания, линии передачи данных USB, Ethernet и другие сигналы. Кроме того, надлежащее размещение достаточного количества развязывающих конденсаторов на энергетическом кольце минимизирует сопротивление распределительной сети, тем самым уменьшая амплитуду шумовых волн, создаваемых цифровой нагрузкой, и снижая риск излучения. В то же время была оптимизирована конструкция сети компенсации замкнутого контура источника питания переключателя для достижения стабильного замкнутого кольца, который может обеспечить управляемый выход напряжения и свести к минимуму амплитуду шума переключателя. Снижение шумовой амплитуды может значительно снизить риск EMI прототипа.

Высокочастотная или быстрая восходящая / нисходящая линия PCB вдоль сигнала должна относиться к непрерывному контуру (например, к плоскости заземления) для снижения риска EMI. Траектория не может проходить через какие - либо разделённые плоскости и отверстия. Если сигнал должен передаваться между слоями через отверстие, по крайней мере одно заземленное отверстие должно быть размещено рядом с отверстием сигнала в качестве пути возврата сигнального тока от приемного конца до конца передачи. При отсутствии подходящего пути возврата возвратный ток может быть произвольно передан в PCB и стать потенциальным источником EMI.

Отличная схема заземления также является ключевым фактором для минимизации EMI. Все конструкции PCB должны избегать контуров заземления, поскольку при прохождении тока возвратного сигнала контур заземления образует излучатель излучения. Конструкция земли как широкой опорной плоскости может создать хорошую схему заземления. Площади заземления различных блоков цепей (например, радиочастотных, аналоговых и цифровых) должны быть физически разделены, а соединения цепей должны быть установлены с помощью ферритовых магнитных шариков, чтобы помочь предотвратить распространение высокочастотного шума между блоками.

После завершения проектирования компоновки PCB должно быть проведено моделирование для анализа EMI, чтобы убедиться, что PCB имеет более низкий риск излучения до изготовления. Уклонение от моделирования EMI может не гарантировать производительность EMI PCB и приведет к перепроектированию. Если результаты моделирования EMI соответствуют техническим спецификациям, дизайнеры могут начать производство PCB, а затем использовать спектральный анализатор для электромагнитного сканирования прототипа PCB в ближнем поле. Предварительные тесты на совместимость, такие как моделирование EMI и электромагнитное сканирование ближнего поля, могут повысить уверенность дизайнеров в том, что прототипы имеют более низкий EMI. После предварительного тестирования на совместимость измеренное устройство может быть проверено на соответствие EMI в глушительной камере.

Моделирование EMI анализа

После завершения проектирования PCB - схемы файл ткани импортируется в EMPro 2013.07 для 3D - эмуляции EMI. Выберите дифференциальный сигнал для трехмерного моделирования электромагнитного поля методом конечных элементов (FEM). Трехмерное моделирование электромагнитного поля - это процесс, который устанавливает электромагнитные граничные условия и размер сетки модели и решает уравнения Максвелла. Для обеспечения точности результатов моделирования размер границы должен быть установлен более чем в восемь раз толщиной PCB, а размер сетки должен быть меньше 1 / 5 ширины PCB. Компьютеры, работающие с трехмерными электромагнитными полями, должны быть оснащены памятью более 16 Гб и емкостью памяти более 100 Гб для обеспечения бесперебойного анализа.

Установите датчик дальнего поля для захвата испускаемого электромагнитного поля и используйте эмулятивный шаблон EMPro для расчета мощности дальнего излучения, а затем установите зонд электрического поля на расстоянии 10 метров, чтобы нарисовать карту реакции диапазона частот. Затем трехмерное моделирование электромагнитного поля в режиме метода конечных разностей во временном диапазоне (FDTD) сравнивается с результатами моделирования в режиме конечных элементов.

Ссылаясь на диаграмму моделирования интенсивности электрического поля с частотой 30 МГц ½ 1 ГГц (рисунок 1) (единица интенсивности электрического поля - dB Isla V, единица частоты - GHz), уровень мощности излучения (синяя кривая - моделирование в режиме FEM, красная - моделирование в режиме FDTD) ниже максимального порога FCC около 45 дБ Isla 1 / 4 В (зеленая виртуальная линия).

Пик максимальной мощности (- 66,4 дБм) наблюдается вблизи 400 МГц. В качестве датчика ближнего поля катушка перемещается в пределах 3 дюймов от измеренного оборудования. Ширина полосы пропускания разрешения анализатора спектра 30 кГц обеспечивает измерение низкошумного фона (- 80 дБм), поэтому пики (излучение на разных дискретных частотах) хорошо видны. Для повышения уверенности прототипа в прохождении испытаний на адаптивность к микроволновой темной камере в дальнем поле (3 и 10 м) пиковая мощность периметра должна быть ниже - 65 дБм. Красная линия показывает максимальный уровень излучающей мощности класса CISPR 11 A: менее 56 дБ в диапазоне частот от 30 МГц до 1 ГГц. Коричневая кривая под красной линией обозначает защитную полосу, указанную в руководстве EMC компании Keysight (ранее Angelen). Вертикальная и горизонтальная составляющие радиационных волн представлены синими и зелеными кривыми соответственно. На частотах 400 МГц и 560 МГц наблюдаются два пиковых значения мощности 38 дБ и 37 дБ, оба из которых ниже максимального порога.

Конструкция схем с низким уровнем EMI и тесты на предварительную совместимость (например, трехмерное моделирование EMI и электромагнитное сканирование ближнего поля) очень важны. Они позволяют избежать ненужной переработки PCB, сэкономить время и затраты на разработку, а также сократить время, затрачиваемое на тестирование соответствия EMI в микроволновой темной комнате, чтобы гарантировать, что электроника поступит в продажу вовремя или даже раньше.

ПХД поверхностное покрытие

А. Электролиз никеля / золота: это покрытие является наиболее стабильным, но по самой высокой цене.

b. Пропитанная серебряная пластина (Immersiog AG) не так хороша, как позолоченное покрытие, и подвержена переносу и утечке электричества.

c. Химическое никелирование / позолоченные пластины (ElectrolessNickel? ImmersionAu, ENIG), которые могут легко генерировать черные диски, когда процесс выщелачивания нестабилен.

d. Химическое лужение, безсвинцовое погружение еще не полностью созрело.

е. Пластины для утюживания горячим воздухом (Sn / Ag / CuHASL), процесс производства покрытия еще не полностью созрел.

f. Органические свариваемые консерванты (OSP, OrganicSolderability Preservations), это покрытие является самым дешевым, но с наименьшей производительностью. При использовании пластины OSP обратите внимание на время хранения пластины между обратным током и между обратным током и сваркой на пике волны, поскольку защитная пленка на пластине может быть повреждена при нагревании при высокой температуре, а свариваемость может быть значительно уменьшена.