Thông tin PCB - Tương thích điện từ Multilayer PCB Board Wire Thiết kế

Trong bảng mạch in, điều quan trọng là phải xem xét thiết kế tương thích điện từ (EMC) trong giai đoạn thiết kế mạch. Lấy bảng 12 lớp làm ví dụ, phương pháp phân lớp, quy tắc dây, bố trí dây nối đất và dây điện và khả năng tương thích điện từ được giới thiệu. Tương thích điện từ là một kỷ luật toàn diện mới nổi tập trung vào các vấn đề nhiễu điện từ và chống nhiễu. Khả năng tương thích điện từ có nghĩa là ở mức môi trường điện từ quy định, các chỉ số hiệu suất của thiết bị hoặc hệ thống điện tử không bị giảm do nhiễu điện từ và bản thân chúng tạo ra bức xạ điện từ không vượt quá mức giới hạn và không ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của các hệ thống khác. và đạt được mục đích không gây nhiễu lẫn nhau, làm việc đáng tin cậy chung giữa thiết bị và thiết bị, hệ thống và hệ thống. Gây nhiễu điện từ (EMI) là do nguồn gây nhiễu điện từ truyền năng lượng cho các hệ thống nhạy cảm thông qua các đường nối. Nó bao gồm ba dạng cơ bản: dẫn dây và nối đất chung, bức xạ không gian hoặc khớp nối trường gần. Thực tế đã chứng minh rằng ngay cả khi sơ đồ mạch được thiết kế chính xác và bảng mạch in không được thiết kế đúng cách, nó có thể ảnh hưởng xấu đến độ tin cậy của thiết bị điện tử. Do đó, đảm bảo khả năng tương thích điện từ của bảng mạch in là chìa khóa cho toàn bộ thiết kế hệ thống. Bài viết này chủ yếu đề cập đến khả năng tương thích điện từ. Công nghệ và ứng dụng của nó trong thiết kế bảng mạch in nhiều lớp.

Bảng mạch PCB là sự hỗ trợ của các thành phần mạch và thiết bị trong các sản phẩm điện tử. Nó cung cấp kết nối điện giữa các thành phần mạch và thiết bị và là một thành phần cơ bản của một loạt các thiết bị điện tử. Ngày nay, các mạch tích hợp quy mô lớn và siêu lớn được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, với mật độ cài đặt ngày càng tăng của các thành phần trên bảng mạch in và tốc độ truyền tín hiệu ngày càng nhanh hơn. Vấn đề EMC cũng ngày càng trở nên nổi bật. Ban PCB được chia thành một mặt (bảng một lớp), hai mặt (bảng hai lớp) và nhiều lớp. Bảng điều khiển một mặt và hai mặt thường được sử dụng trong các mạch cáp mật độ thấp đến trung bình và mạch tích hợp thấp, và bảng nhiều lớp sử dụng các mạch có mật độ cao và mạch tích hợp cao. Từ quan điểm tương thích điện từ, mạch một mặt và hai mặt không phù hợp với mạch tốc độ cao, dây một mặt và hai mặt không còn đáp ứng được yêu cầu của mạch hiệu suất cao, và sự phát triển của mạch dây nhiều lớp cung cấp khả năng giải quyết các vấn đề trên. Ứng dụng ngày càng rộng rãi. Các tính năng của hệ thống dây điện nhiều lớp Bảng PCB bao gồm vật liệu điện môi hữu cơ và vô cơ với cấu trúc nhiều lớp. Kết nối giữa các lớp được thực hiện thông qua các lỗ thông qua và tín hiệu điện dẫn giữa các lớp có thể được thực hiện bằng cách mạ hoặc lấp đầy các lỗ thông qua vật liệu kim loại. Sở dĩ hệ thống dây điện nhiều lớp được sử dụng rộng rãi, có những đặc điểm sau: (1) Bên trong tấm nhiều lớp có lớp điện và lớp dây điện đặc biệt. Lớp nguồn có thể được sử dụng như một vòng lặp tiếng ồn để giảm nhiễu; Đồng thời, lớp nguồn cũng cung cấp một vòng lặp cho tất cả các tín hiệu của hệ thống để loại bỏ nhiễu ghép nối trở kháng chung. Trở kháng của dây nguồn giảm, do đó làm giảm nhiễu trở kháng chung. (2) tấm nhiều lớp thông qua hình thành đặc biệt, tất cả các đường tín hiệu có dây nối đất đặc biệt. Đặc điểm của đường tín hiệu: trở kháng ổn định, dễ dàng phù hợp, giảm biến dạng dạng sóng do phản xạ; Trong khi đó, sử dụng dây nối đất đặc biệt. Lớp đường làm tăng điện dung phân phối giữa đường tín hiệu và đường mặt đất, giảm nhiễu xuyên âm, 2. Laminate Design of Printed Circuit Board 2.1 Cable Rules of PCB Board Phân tích khả năng tương thích điện từ của bảng mạch nhiều lớp có thể dựa trên định luật Kirchhoff và định luật Faraday về cảm ứng điện từ. Theo định luật Kirchhoff, bất kỳ tín hiệu miền thời gian nào truyền từ nguồn đến tải phải có đường dẫn trở kháng. Bảng mạch PCB nhiều lớp thường được sử dụng trong các hệ thống hiệu suất cao, tốc độ cao, trong đó nhiều lớp được sử dụng cho nguồn điện DC hoặc mặt phẳng tham chiếu mặt đất. Các mặt phẳng này thường là các mặt phẳng rắn không có bất kỳ sự phân chia nào và vì có đủ các lớp để sử dụng làm nguồn điện hoặc mặt phẳng nối đất, không cần phải áp dụng điện áp DC khác nhau trên cùng một lớp. Lớp này sẽ trở lại đường dẫn như một dòng điện cho các tín hiệu trên các đường truyền liền kề. Tạo ra một đường dẫn trở kháng thấp hiện tại là một mục tiêu EMC quan trọng cho các lớp phẳng này. Các lớp tín hiệu được phân phối giữa các lớp mặt phẳng tham chiếu vật lý và chúng có thể là các dải đối xứng hoặc các dải bất đối xứng. Hãy lấy tấm 12 lớp làm ví dụ về cấu trúc và cách bố trí của tấm nhiều lớp. Hệ thống phân cấp của nó là T-P-S-P-P-P-P-P-P-P-P-P-P-P-P-B, "T" là lớp trên cùng, "P" là lớp mặt phẳng tham chiếu, "S" là lớp tín hiệu và "B" là lớp dưới cùng. Từ tầng trên cùng đến tầng dưới cùng là tầng thứ nhất, tầng thứ hai và tầng thứ mười hai. Lớp trên cùng và lớp dưới cùng được sử dụng làm miếng đệm cho các cụm lắp ráp và tín hiệu không nên đi quá lâu ở lớp trên cùng và lớp dưới cùng để giảm bức xạ trực tiếp từ dấu vết. Các đường tín hiệu không tương thích nên được cách ly với nhau và mục đích của chúng là tránh nhiễu kết hợp với nhau. Tần số cao và thấp, dòng điện lớn và nhỏ, đường tín hiệu kỹ thuật số và analog không tương thích. Trong bố trí phần tử, các phần tử không tương thích nên được đặt ở các vị trí khác nhau trên bảng in và bố trí các đường tín hiệu vẫn cần thiết. Cẩn thận cách ly chúng. Khi thiết kế, hãy chú ý đến 3 vấn đề sau: (1) Xác định lớp phẳng tham chiếu nào sẽ chứa nhiều vùng công suất với điện áp DC khác nhau. Giả sử có nhiều điện áp DC trên lớp 11, điều này có nghĩa là nhà thiết kế phải giữ tín hiệu tốc độ cao càng xa lớp 10 và lớp dưới càng tốt, vì dòng điện trở lại không thể chảy qua mặt phẳng tham chiếu phía trên lớp 10 và các tụ điện nối là cần thiết, với các lớp tín hiệu 3, 5, 7 và 9 tương ứng. Dấu vết của các tín hiệu quan trọng nên được định tuyến theo một hướng càng nhiều càng tốt để tối ưu hóa số lượng dấu vết có thể có trên lớp. Các dấu vết tín hiệu phân bố trên các lớp khác nhau phải vuông góc với nhau, điều này có thể làm giảm nhiễu kết hợp giữa điện trường và từ trường giữa các đường dây. Lớp 3 và 7 có thể được thiết lập để theo dõi "đồ vật", trong khi lớp 5 và 9 có thể được thiết lập để theo dõi "đồ vật" chính. Chạy đường dây "Nam Bắc". Theo dõi tuyến đường đến tầng nào phụ thuộc vào nơi nó đến đích. (2) Khi định tuyến tín hiệu tốc độ cao, các lớp thay đổi và các lớp khác nhau được sử dụng để định tuyến độc lập để đảm bảo dòng điện trở lại từ một mặt phẳng tham chiếu đến mặt phẳng tham chiếu mới cần thiết. Điều này được thực hiện để giảm diện tích vòng lặp tín hiệu và giảm bức xạ hiện tại chế độ vi sai và bức xạ hiện tại chế độ chung của vòng lặp. Bức xạ vòng lặp tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện và diện tích vòng lặp. Trên thực tế, thiết kế không cần phải trả lại dòng điện để thay đổi mặt phẳng tham chiếu, mà chỉ cần thay đổi từ một bên của mặt phẳng tham chiếu sang bên kia. Ví dụ, sự kết hợp của các lớp tín hiệu có thể được sử dụng như các cặp lớp tín hiệu: lớp 3 và lớp 5, lớp 5 và lớp 7, lớp 7 và lớp 9, cho phép kết hợp dây được hình thành theo hướng đông-tây và bắc. Nhưng không nên sử dụng kết hợp các lớp 3 và 9, vì điều này đòi hỏi dòng chảy ngược từ lớp 4 đến lớp 8. Mặc dù tụ điện tách rời có thể được đặt gần lỗ thông qua, ở tần số cao, tụ điện trở nên vô dụng do sự hiện diện của dây dẫn và cảm ứng thông qua lỗ. Hơn nữa loại dây này sẽ làm tăng diện tích mạch tín hiệu, không có lợi cho việc giảm bức xạ dòng điện. (3) Chọn điện áp DC cho lớp mặt phẳng tham chiếu. Trong ví dụ này, có rất nhiều tiếng ồn trên pin tham chiếu nguồn/mặt đất do xử lý tín hiệu tốc độ cao bên trong bộ xử lý. Do đó, điều quan trọng là sử dụng tụ điện tách rời để cung cấp cho bộ xử lý cùng một điện áp DC và sử dụng tụ điện tách rời hiệu quả nhất có thể. Cách để giảm độ tự cảm của các thành phần này là giữ cho dấu vết kết nối càng ngắn và rộng càng tốt và giữ cho các lỗ thông qua càng ngắn và dày càng tốt. Nếu lớp 2 được chỉ định là "nối đất" và lớp 4 được chỉ định là nguồn điện cho bộ xử lý, lỗ thông qua phải ngắn nhất có thể so với lớp trên cùng của bộ xử lý và tụ điện tách rời. 2.2 Quy tắc 20-H và quy tắc 3-W Trong thiết kế khả năng tương thích điện từ của bảng mạch PCB nhiều lớp, có hai nguyên tắc cơ bản để xác định khoảng cách giữa lớp nguồn và cạnh của bảng mạch nhiều lớp và giải quyết khoảng cách giữa các dải in: quy tắc 20-H và quy tắc 3-W. Nguyên lý 20-H: Dòng điện RF thường tồn tại ở rìa của mặt phẳng nguồn do kết nối giữa các thông lượng từ. Sự kết hợp này giữa các layer được gọi là hiệu ứng Edge. Khi sử dụng logic kỹ thuật số tốc độ cao và tín hiệu đồng hồ, mặt phẳng nguồn sẽ tương tác. Kết hợp dòng RF. Để giảm hiệu ứng này, kích thước vật lý của mặt phẳng nguồn điện phải nhỏ hơn ít nhất 20H so với kích thước vật lý gần mặt đất (H là khoảng cách giữa mặt phẳng nguồn điện và mặt phẳng mặt đất), và hiệu ứng cạnh của nguồn điện thường xảy ra khoảng 10h. Khoảng 10% dòng điện từ bị chặn, và nếu bạn muốn đạt được 98% dòng điện từ bị chặn, bạn cần một giá trị ranh giới 100%. Quy tắc 20-H xác định khoảng cách vật lý giữa mặt phẳng cung cấp năng lượng và mặt phẳng tiếp đất gần nhất, bao gồm độ dày đồng, được lấp đầy trước và lớp tách cách nhiệt. Sử dụng 20-H có thể làm tăng tần số cộng hưởng của chính PCB. Ảnh hưởng của cạnh RF trên bảng mạch PCB Quy tắc 3-W: Khi khoảng cách giữa hai dòng in nhỏ, nhiễu xuyên âm điện từ xảy ra giữa hai dòng, dẫn đến lỗi mạch liên quan. Để tránh sự can thiệp này, khoảng cách giữa các đường không được nhỏ hơn 3 lần. Chiều rộng đường, tức là không nhỏ hơn 3W (W là chiều rộng của hàng in). Chiều rộng của dòng in phụ thuộc vào yêu cầu trở kháng dòng, quá rộng sẽ ảnh hưởng đến mật độ dây, quá hẹp sẽ ảnh hưởng đến tính toàn vẹn và cường độ của tín hiệu được truyền đến thiết bị đầu cuối. Mạch đồng hồ, cặp vi sai và hệ thống cáp của các cổng I/O là tất cả các đối tượng ứng dụng cơ bản của nguyên tắc 3-W. Nguyên lý 3-W chỉ đại diện cho ranh giới của dòng điện từ trong đó năng lượng xuyên âm bị suy giảm 70%. Nếu các yêu cầu cao hơn, chẳng hạn như đường ranh giới thông lượng điện từ đảm bảo phân rã năng lượng xuyên âm 98%, thì phải sử dụng khoảng thời gian 10W. Do đó, dây nối đất có trở kháng nhất định và tạo thành mạch điện, cho dù đó là nối đất một điểm hay nối đất nhiều điểm, nó phải tạo thành một mạch trở kháng thấp vào mặt đất thực tế hoặc giá đỡ. Dấu vết điển hình dài 25 mm sẽ hiển thị độ tự cảm khoảng 15 đến 20 nH và sự hiện diện của điện dung phân phối sẽ tạo thành một mạch cộng hưởng giữa mặt phẳng nối đất và giá đỡ thiết bị. Thứ hai, hiệu ứng đường truyền và hiệu ứng ăng ten xảy ra khi dòng điện nối đất chảy qua đường đất. Khi chiều dài của đường dây là 1/4 bước sóng, trở kháng cao được thể hiện, đường dây mặt đất thực sự mở và đường dây mặt đất trở thành ăng ten phát ra bên ngoài, sàn nối được lấp đầy với dòng điện tần số cao và xoáy được hình thành bởi nhiễu. Do đó, nhiều vòng lặp được hình thành giữa các điểm tiếp xúc có đường kính (hoặc khoảng cách giữa các điểm tiếp xúc) nhỏ hơn 1/20 bước sóng tần số. Chọn thiết bị phù hợp là một yếu tố quan trọng trong sự thành công của thiết kế, đặc biệt là khi chọn thiết bị logic, cố gắng chọn thiết bị logic có thời gian tăng vượt quá 5ns, không bao giờ chọn thiết bị logic có trình tự thời gian nhanh hơn yêu cầu mạch. 2.4 Bố trí dây nguồn Đối với bảng nhiều lớp, cấu trúc nối đất lớp điện được sử dụng để cung cấp điện. Trở kháng đặc trưng của cấu trúc này nhỏ hơn nhiều so với trở kháng đặc trưng của cặp quỹ đạo, có thể nhỏ hơn 1 μ. Cấu trúc này có một số điện dung nhất định và không cần thêm tụ tách tần số cao bên cạnh mỗi chip tích hợp. Ngay cả khi tụ điện lớp không đủ, nó không nên được thêm vào bên cạnh chip tích hợp khi cần tụ điện tách rời bên ngoài, mà có thể được thêm vào bất cứ nơi nào trên bảng in. Các chân nguồn và chân nối đất của chip tích hợp có thể được kết nối trực tiếp với lớp nguồn và hình thành thông qua các lỗ kim loại, vì vậy các mạch nguồn luôn ở đó. Do nguyên tắc "dòng điện luôn đi theo con đường trở kháng", dòng chảy ngược tần số cao trên mặt đất luôn dọc theo dấu vết trừ khi có khoảng trống mặt đất để chặn nó, do đó, vòng lặp tín hiệu luôn có mặt. Có thể thấy rằng cấu trúc nối đất của lớp cung cấp điện có ưu điểm là bố trí đơn giản và linh hoạt và khả năng tương thích điện từ tốt so với nguồn cung cấp cho các cặp theo dõi. Kết luận Tóm lại, trong thiết kế của bảng mạch PCB nhiều lớp, các thành phần nên được đặt trong các nhóm để ngăn chặn sự can thiệp giữa các nhóm; Mạch tốc độ cao nên được bố trí hợp lý để tránh nhiễu với các mạch khác thông qua khớp nối điện trường hoặc khớp nối từ trường; Rối loạn khớp nối trở kháng địa tuyến chung; Khu vực của vòng cung cấp điện nên được giảm đến một mức độ nhất định, và các vòng cung cấp điện của các nguồn cung cấp điện khác nhau không nên chồng chéo lên nhau để tránh khớp nối từ trường; Các đường tín hiệu không tương thích nên được cách ly với nhau để tránh nhiễu khớp nối; Khu vực vòng lặp tín hiệu nhỏ, giảm bức xạ vòng lặp và bức xạ chế độ chung trên bảng PCB.