Tin tức về PCB - Thiết kế EMC cho bảng mạch in

Khả năng tương thích điện từ là khả năng của một thiết bị hoặc hệ thống hoạt động tốt trong môi trường điện từ của nó và không gây nhiễu điện từ không thể chịu đựng được đối với bất cứ thứ gì trong môi trường. Mục đích của thiết kế tương thích điện từ là cho phép các thiết bị điện tử ức chế các nhiễu bên ngoài khác nhau, cho phép các thiết bị điện tử hoạt động bình thường trong một môi trường điện từ cụ thể và giảm nhiễu điện từ từ chính các thiết bị điện tử khác.

Khi độ nhạy của thiết bị điện tử ngày càng cao và khả năng nhận tín hiệu yếu ngày càng mạnh, băng tần của thiết bị điện tử ngày càng rộng và nhỏ hơn, đòi hỏi thiết bị điện tử phải có khả năng chống nhiễu mạnh hơn. Sóng điện từ được tạo ra bởi một số thiết bị điện tử có thể dễ dàng gây nhiễu điện từ cho các thiết bị điện tử khác xung quanh, gây ra sự cố hoặc ảnh hưởng đến việc truyền tín hiệu. Ngoài ra, nhiễu điện từ quá mức có thể gây ô nhiễm điện từ, gây hại cho sức khỏe con người và phá hủy môi trường sinh thái. Bài viết này phân tích một số kỹ thuật chính cho khả năng tương thích điện từ trong thiết kế PCB (bảng mạch in, còn được gọi là bảng mạch in).

1. Thiết kế nguồn điện

Nguồn điện của thiết bị điện tử được kết nối rộng rãi với các đơn vị chức năng khác. Một mặt, các tín hiệu không cần thiết được tạo ra trong nguồn điện có thể dễ dàng được ghép nối với từng đơn vị chức năng. Mặt khác, các tín hiệu không cần thiết trong một đơn vị có thể được ghép nối với trở kháng chung của nguồn điện. Chuyển sang các đơn vị khác. Do đó, các biện pháp sau đây nên được thực hiện trong thiết kế nguồn điện.

(1) Theo kích thước hiện tại của bảng mạch in, cố gắng tăng chiều rộng của dây nguồn và giảm điện trở vòng lặp để hướng của dây nguồn và dây mặt đất phù hợp với hướng truyền dữ liệu; Trong khi đó, các lớp điện và hình thành được sử dụng trong PCB nhiều lớp để giảm chiều dài đường dây từ dây điện đến lớp điện hoặc hình thành. Điều này giúp tăng cường khả năng chống ồn;

(2) Khi có thể, cung cấp nguồn điện riêng lẻ cho từng đơn vị chức năng và tất cả các mạch sử dụng nguồn điện công cộng càng gần và tương thích với nhau càng tốt;

(3) Sử dụng bộ lọc nguồn trên nguồn AC và DC, ngăn chặn nhiễu bên ngoài xâm nhập vào thiết bị thông qua nguồn điện, ngăn chặn các công tắc thoáng qua và các tín hiệu khác được tạo ra bên trong thiết bị xâm nhập vào nguồn điện chính và cách ly hiệu quả đầu vào và đầu ra của nguồn điện và đầu vào của bộ lọc và đầu ra dòng;

(4) Che chắn trường điện từ hiệu quả cho nguồn điện và cách ly nguồn điện cao thế khỏi các mạch nhạy cảm càng nhiều càng tốt, đặc biệt là nguồn chuyển mạch, điều này có thể gây ra bức xạ tần số cao và nhiễu dẫn. Sử dụng máy biến áp điện được che chắn tĩnh điện để ngăn chặn sự can thiệp của chế độ chung đối với đường dây điện, nhiều máy biến áp cách ly được che chắn có hiệu suất tốt hơn;

(5) Nguồn điện phải duy trì trở kháng đầu ra thấp ở tất cả các trạng thái chức năng mạch. Ngay cả trong dải tần số vô tuyến, tụ điện đầu ra phải thể hiện trở kháng thấp trong khi đảm bảo bộ điều chỉnh có thời gian đáp ứng đủ nhanh để ức chế gợn sóng và thoáng qua tần số cao. Hiệu ứng tải

(6) Diode chỉnh lưu phải hoạt động ở mật độ hiện tại thấp nhất để cung cấp đủ vòng RF cho diode Zener;

(7) Máy biến áp điện phải cân bằng đối xứng, không phải là máy biến áp cân bằng công suất, và vật liệu lõi được sử dụng phải là giới hạn thấp hơn của cảm ứng từ bão hòa (Bm). Trong mọi trường hợp, điều quan trọng là phải đảm bảo rằng lõi không được lái đến trạng thái bão hòa. Cấu trúc lõi của máy biến áp phải là loại D và loại C, tiếp theo là loại E.

2. Thiết kế dây đất

Tiếng ồn mặt đất là sự khác biệt về tiềm năng giữa các đường đất ở các bộ phận khác nhau của hệ thống hoặc tiếng ồn mặt đất do sự hiện diện của trở kháng mặt đất. Do hệ thống nối đất có vấn đề về độ lệch điện nối đất, trong quá trình thiết kế nối đất sản phẩm, phương pháp nối đất tương ứng phải được lựa chọn theo đặc điểm của PCB. Trong thiết kế thiết bị điện tử, nối đất là một phương pháp quan trọng để kiểm soát nhiễu. Hầu hết các vấn đề gây nhiễu có thể được giải quyết nếu nối đất và che chắn có thể được kết hợp đúng cách. Cấu trúc dây mặt đất trong thiết bị điện tử bao gồm hệ thống, khung gầm, kỹ thuật số và tương tự. Thiết kế dây nối đất nên chú ý những điểm sau:

(1) Dây nối đất phải càng dày càng tốt. Nếu đường dây nối đất là tốt, tiềm năng nối đất sẽ dao động với sự thay đổi hiện tại, dẫn đến mức tín hiệu thời gian của thiết bị điện tử không ổn định và giảm hiệu suất chống ồn. Do đó, dây nối đất nên được thiết kế càng dày càng tốt để có thể cho phép gấp ba lần dòng điện thông qua bảng mạch in. Nếu có thể, chiều rộng của dây nối đất phải lớn hơn 3 mm.

b) Lựa chọn đúng cách nối đất. Mục đích của thiết lập nối đất một điểm là ngăn dòng điện và dòng RF từ hai hệ thống con có mức tham chiếu khác nhau đi qua cùng một đường dẫn trở lại và gây ra khớp nối trở kháng chung. Cách nối đất này phù hợp hơn với PCB tần số thấp và có thể làm giảm tác động của trở kháng truyền phân tán. Tuy nhiên, trong PCB tần số cao, điện cảm của đường dẫn trở lại trở thành một phần chính của trở kháng dòng ở tần số cao. Do đó, để giảm thiểu trở kháng nối đất trong PCB tần số cao, phương pháp nối đất đa điểm thường được sử dụng. Đa điểm nối đất Điều quan trọng nhất là yêu cầu chiều dài tối thiểu của dây dẫn nối đất, vì dây dẫn dài hơn có nghĩa là điện cảm lớn hơn, do đó làm tăng trở kháng nối đất và tạo ra sự khác biệt về vị trí nối đất. Cấu trúc mặt đất hỗn hợp là sự kết hợp của mặt đất một điểm và mặt đất đa điểm. Cấu trúc này thường được sử dụng khi tần số hỗn hợp cao và thấp tồn tại trong PCB, tức là mặt đất đơn điểm ở tần số thấp và mặt đất đa điểm ở tần số cao.

(3) Mặt đất kỹ thuật số tách biệt với mặt đất tương tự. Có cả mạch logic tốc độ cao và mạch tuyến tính trên bảng. Chúng nên được tách ra càng xa càng tốt. Các dây nối đất của cả hai không nên được trộn lẫn và nên được kết nối với dây nối đất của thiết bị đầu cuối nguồn. Các dây nối đất của mạch tần số thấp nên được nối đất song song tại một điểm càng nhiều càng tốt. Khi hệ thống dây thực tế khó khăn, nó có thể được nối liền một phần và sau đó nối đất song song. Mạch tần số cao nên được nối đất nhiều điểm trong chuỗi, dây nối đất nên ngắn và dày, và lá nối đất diện tích lớn giống như lưới nên được sử dụng xung quanh các phần tử tần số cao bất cứ khi nào có thể. Cố gắng tăng diện tích mặt đất của mạch tuyến tính.

(4) Đường nối đất tạo thành một vòng khép kín. Khi thiết kế hệ thống nối đất cho bảng mạch in chỉ bao gồm các mạch kỹ thuật số, làm cho dây nối đất trở thành mạch kín có thể cải thiện đáng kể khả năng chống ồn. Bởi vì có nhiều thành phần mạch tích hợp trên bảng mạch in, đặc biệt là khi có các thành phần tiêu thụ nhiều năng lượng hơn, do giới hạn độ dày của dây mặt đất, một sự khác biệt lớn về điện thế được tạo ra trên dây mặt đất, dẫn đến giảm khả năng chống ồn. Dây nối đất tạo thành vòng lặp, sẽ làm giảm chênh lệch điện thế và cải thiện khả năng chống ồn của thiết bị điện tử.

(5) Sử dụng bộ cách ly quang học để cắt nhiễu từ mạch nối đất. Kết nối quang thường sử dụng bộ ghép quang và kết nối cáp quang. Điện dung ký sinh của cặp quang thường là 2pF, có thể cung cấp cách ly tốt cho tần số cao. Kết nối cáp quang hầu như không có điện dung ký sinh, nhưng việc lắp đặt và bảo trì rất tốn kém và bất tiện.

3. Thiết kế bỏ qua và tách rời

Bypass đề cập đến việc truyền năng lượng RF chế độ chung không mong muốn từ một cụm hoặc cáp. Chức năng chính của tụ điện bypass là tạo ra các thành phần AC để loại bỏ năng lượng không mong muốn đi vào khu vực nhạy cảm. Tách rời đề cập đến chức năng chính của việc loại bỏ các thùng chứa điện là cung cấp nguồn DC cục bộ cho các thành phần để giảm sự lây lan của tiếng ồn chuyển đổi trên bảng và hướng tiếng ồn xuống mặt đất.

3.1 Lựa chọn tụ điện

Bằng cách chọn các tụ điện bỏ qua và tách rời, tần số tự cộng hưởng của tụ điện mong muốn có thể được tính toán bằng chuỗi logic và tốc độ xung nhịp được sử dụng và giá trị tụ điện được chọn dựa trên tần số và dung kháng trong mạch. Đối với kích thước gói, hãy cố gắng chọn tụ điện SMT có độ tự cảm chì thấp hơn so với tụ điện thông qua lỗ. Ngoài ra, thiết kế sản phẩm thường sử dụng tụ điện tách rời song song để cung cấp băng tần hoạt động lớn hơn và giảm mất cân bằng mặt đất. Hệ thống tụ điện song song, khi tần số hoạt động cao hơn tần số tự cộng hưởng, bình chứa điện lớn thể hiện trở kháng cảm và tăng khi tần số tăng; Trong khi các tụ điện nhỏ thể hiện trở kháng tụ điện và giảm khi tần số tăng lên, tại thời điểm này trở kháng tụ điện của toàn bộ mạch tụ nhỏ hơn trở kháng của một tụ điện duy nhất.

3.2 Cấu hình tụ điện bypass

Các tụ điện bypass thường được sử dụng như các thiết bị bypass tần số cao để giảm yêu cầu năng lượng thoáng qua của mô-đun công suất. Nói chung, tụ điện điện phân nhôm và bình chứa điện tantali phù hợp hơn như một tụ điện bỏ qua. Giá trị điện dung phụ thuộc vào yêu cầu hiện tại thoáng qua trên PCB. Trong phạm vi 10~470LF, nếu có nhiều mạch tích hợp, mạch chuyển mạch tốc độ cao và nguồn cung cấp dây dẫn dài trên PCB, bạn nên chọn tụ điện dung lượng lớn.

3.3 Cấu hình tụ điện tách rời

(1) Đầu vào nguồn kết nối một tụ điện điện phân 10~100LF. Nếu có thể, tốt nhất là kết nối trên 100LF;

(2) Về nguyên tắc, mỗi chip mạch tích hợp nên được trang bị một tụ gốm 0,01pF. Nếu khoảng cách giữa các tấm in không đủ, bạn có thể đặt 1~10pF Tantalum Electric Container mỗi 4~8 chip;

(3) Đối với các thiết bị có khả năng chống ồn yếu và thay đổi công suất lớn khi tắt nguồn, chẳng hạn như thiết bị lưu trữ RAM và ROM, tụ điện tách rời nên được kết nối trực tiếp giữa dây nguồn và dây mặt đất của chip;

(4) Dây dẫn tụ điện không nên quá dài, đặc biệt là tụ điện bỏ qua tần số cao;

(5) Bởi vì có công tắc tơ, rơle, nút và các bộ phận khác trong bảng in, do đó, trong quá trình hoạt động sẽ tạo ra tia lửa lớn hơn, phải sử dụng mạch RC để hấp thụ dòng xả. Nói chung, R lấy 1~2K, C lấy 2,2~47LF;

(6) CMOS có trở kháng đầu vào rất cao và dễ bị ảnh hưởng bởi cảm ứng, vì vậy khi sử dụng, các thiết bị đầu cuối không sử dụng phải được nối đất hoặc kết nối với nguồn điện tích cực.

4. Thiết kế bảng mạch tín hiệu hỗn hợp

Hiểu được đường đi và phương pháp mà dòng điện trở lại là chìa khóa để tối ưu hóa thiết kế bảng mạch tín hiệu hỗn hợp. Bạn không thể chỉ xem xét dòng chảy của dòng tín hiệu và bỏ qua con đường cụ thể của dòng điện. Nếu hệ thống phải được phân chia và hệ thống dây điện phải đi qua khoảng trống giữa các bộ phận, một điểm duy nhất có thể được kết nối giữa các bộ phận để tạo thành một cây cầu nối giữa hai bộ phận và sau đó được nối bằng cầu nối. Bằng cách này, đường dẫn trở lại DC có thể được cung cấp dưới mỗi đường tín hiệu, làm cho diện tích vòng lặp hình thành nhỏ. Trong quá trình thiết kế PCB tín hiệu hỗn hợp cần lưu ý những điểm sau:

(1) PCB được chia thành các phần tương tự và kỹ thuật số độc lập, nhận ra sự phân chia của nguồn điện tương tự và kỹ thuật số, và bộ chuyển đổi A/D được đặt giữa các phân vùng;

(2) Không chia đất. Đặt mặt đất đồng đều dưới phần analog và phần kỹ thuật số của bảng;

(3) Trong tất cả các lớp của bảng, tín hiệu kỹ thuật số chỉ có thể được định tuyến trong phần kỹ thuật số của bảng, tín hiệu tương tự chỉ có thể được định tuyến đến phần mô phỏng của bảng;

(4) Hệ thống dây điện không thể đi qua khoảng cách giữa các mặt phẳng phân phối điện, dây tín hiệu phải đi qua khoảng cách giữa các mặt phẳng phân phối điện phải nằm trên lớp dây điện gần mặt đất rộng lớn;

(5) Phân tích đường dẫn và phương pháp của dòng điện mặt đất trở lại thực tế;

(6) Áp dụng bố cục chính xác và quy tắc định tuyến.

Tóm lại, khi các sản phẩm điện tử ngày càng trở nên phức tạp, tốc độ cao và dày đặc, yêu cầu thiết kế của bảng mạch PCB ngày càng cao, đặc biệt là các vấn đề thiết kế về khả năng tương thích điện từ ngày càng nổi bật. Thiết kế hợp lý như bỏ qua, tách và mạch tín hiệu hỗn hợp.