Thông tin PCB - Công nghệ điều khiển EMC/EMI trong thiết kế bảng mạch PCB

Giới thiệu công nghệ điều khiển EMI trong thiết kế bảng mạch kỹ thuật số PCB. Với sự gia tăng tích hợp thiết bị mạch tích hợp, thu nhỏ dần thiết bị và tăng tốc độ thiết bị, các vấn đề EMI trong thiết bị điện tử cũng trở nên nghiêm trọng hơn. Từ quan điểm thiết kế EMC/EMI của thiết bị hệ thống, việc xử lý các vấn đề EMC/EMI trong giai đoạn thiết kế bảng mạch PCB của thiết bị là một phương tiện hiệu quả và tiết kiệm chi phí để đưa thiết bị hệ thống đến các tiêu chuẩn tương thích điện từ. Nguyên tắc tạo và triệt tiêu nhiễu điện từ Nguồn nhiễu điện từ truyền năng lượng đến các hệ thống nhạy cảm thông qua các đường nối. Nó bao gồm ba dạng cơ bản: dẫn qua dây dẫn hoặc nối đất chung, bức xạ qua không gian hoặc khớp nối qua trường gần. Mối nguy hiểm của EMI là làm giảm chất lượng của tín hiệu truyền dẫn, gây nhiễu hoặc thậm chí thiệt hại cho mạch hoặc thiết bị, khiến thiết bị không thể đáp ứng các yêu cầu chỉ số kỹ thuật theo tiêu chuẩn tương thích điện từ. Để ngăn chặn EMI, thiết kế EMI của mạch kỹ thuật số nên được thực hiện theo các nguyên tắc sau: các chỉ số được chia thành mạch monoboard và được điều khiển theo từng giai đoạn theo thông số kỹ thuật EMC/EMI có liên quan. Điều khiển từ ba yếu tố: nguồn gây nhiễu của EMI, đường dẫn ghép năng lượng và hệ thống nhạy cảm để mạch có phản ứng tần số phẳng, đảm bảo hoạt động ổn định bình thường của mạch. Bắt đầu từ thiết kế mặt trước của thiết bị, tập trung vào thiết kế EMC/EMI và giảm chi phí thiết kế.

2. Công nghệ điều khiển EMI của bảng mạch kỹ thuật số PCB phải phân tích các vấn đề cụ thể khi xử lý các dạng EMI khác nhau. Trong thiết kế bảng mạch PCB của mạch kỹ thuật số, điều khiển EMI có thể được thực hiện từ các khía cạnh sau.2.1 Lựa chọn thiết bị Trong thiết kế EMI, điều đầu tiên cần xem xét là tốc độ của thiết bị được chọn. Bất kỳ mạch nào thay thế thiết bị có thời gian tăng 5ns bằng thiết bị có thời gian tăng 2,5ns sẽ làm tăng EMI khoảng 4 lần. Cường độ bức xạ của EMI tỷ lệ thuận với bình phương của tần số, tần số EMI (fknee), còn được gọi là băng thông phát xạ EMI, là một chức năng của thời gian tăng tín hiệu, không phải tần số tín hiệu: fknee=0,35/Tr (trong đó Tr là thời gian tăng tín hiệu của thiết bị). Dải tần số của loại EMI bức xạ này là từ 30 MHz đến vài GHz, và trong băng tần này, bước sóng rất ngắn đến mức ngay cả dây rất ngắn trên bảng mạch cũng có thể trở thành ăng ten phát. Khi EMI cao, mạch có xu hướng mất chức năng bình thường. Do đó, trong việc lựa chọn thiết bị, trong điều kiện đảm bảo các yêu cầu về hiệu suất mạch, nên sử dụng chip tốc độ thấp bất cứ khi nào có thể và sử dụng mạch truyền động/nhận thích hợp. Ngoài ra, vì pin chì của thiết bị có điện cảm ký sinh và điện dung ký sinh, ảnh hưởng của hình thức đóng gói thiết bị đối với tín hiệu trong thiết kế tốc độ cao không thể bỏ qua vì nó cũng là một yếu tố quan trọng của bức xạ EMI. Thông thường, các thông số ký sinh của các thiết bị SMD nhỏ hơn các thiết bị plug-in và các thông số ký sinh của gói BGA nhỏ hơn gói QFP. Việc lựa chọn đầu nối 2.2 và xác định đầu cuối tín hiệu là các liên kết quan trọng trong truyền tín hiệu tốc độ cao và các liên kết yếu dễ dàng tạo ra EMI. Trong thiết kế đầu cuối của đầu nối, nhiều chân nối đất hơn có thể được bố trí để giảm khoảng cách giữa tín hiệu và mặt đất, giảm diện tích vòng lặp tín hiệu hiệu quả tạo ra bức xạ trong đầu nối và cung cấp đường dẫn trở kháng thấp. Nếu cần thiết, có thể xem xét cách ly một số tín hiệu quan trọng bằng chân nối đất. Thiết kế nhiều lớp 2.3, khi chi phí cho phép, có thể làm giảm bức xạ EMI bằng cách tăng số lượng hình thành và đặt các lớp tín hiệu bên cạnh chúng. Đối với bảng mạch PCB tốc độ cao, mặt phẳng nguồn và mặt đất được ghép nối chặt chẽ để giảm trở kháng nguồn, do đó làm giảm EMI. Bố trí 2.4 Theo dòng tín hiệu, bố trí hợp lý có thể giảm nhiễu giữa các tín hiệu. Bố cục phù hợp là chìa khóa để kiểm soát EMI. Nguyên tắc cơ bản của bố cục là: tín hiệu analog dễ bị nhiễu bởi tín hiệu kỹ thuật số, mạch analog nên được tách ra khỏi mạch kỹ thuật số; Đường đồng hồ là nguồn gây nhiễu và bức xạ chính, do đó nên tránh xa các mạch nhạy cảm và giữ cho dấu vết đồng hồ ngắn; Mạch tản nhiệt nên cố gắng tránh ở khu vực trung tâm của bảng, đồng thời xem xét ảnh hưởng của tản nhiệt và bức xạ; Đầu nối nên được bố trí càng nhiều càng tốt ở một bên của bảng và tránh xa các mạch tần số cao; Mạch đầu vào/đầu ra gần đầu nối tương ứng và tụ điện tách rời gần chân nguồn tương ứng; Xem xét đầy đủ tính khả thi của bố cục phân chia công suất, các thiết bị đa năng nên được đặt trên ranh giới của khu vực phân chia công suất để giảm hiệu quả ảnh hưởng của việc phân chia mặt phẳng đối với EMI; 2.5 Điều khiển trở kháng: Đường tín hiệu tốc độ cao có đặc điểm của đường truyền, cần phải thực hiện điều khiển trở kháng để tránh phản xạ tín hiệu, quá giật và rung chuông, giảm bức xạ EMI. Phân loại tín hiệu, Và theo cường độ bức xạ EMI và độ nhạy của các tín hiệu khác nhau (tín hiệu tương tự, tín hiệu đồng hồ, tín hiệu I/O, xe buýt, nguồn điện, v.v.), tách nguồn gây nhiễu khỏi hệ thống nhạy cảm càng nhiều càng tốt để giảm khớp nối. Kiểm soát chặt chẽ chiều dài dấu vết của tín hiệu đồng hồ (đặc biệt là tín hiệu đồng hồ tốc độ cao), số lượng lỗ hổng, phân vùng chéo, thiết bị đầu cuối, lớp dây, đường dẫn trở lại, v.v. Vòng lặp tín hiệu, tức là dòng tín hiệu chảy vào vòng lặp được hình thành bởi dòng tín hiệu, là chìa khóa để điều khiển EMI trong thiết kế bảng mạch PCB và phải được kiểm soát khi định tuyến. Để hiểu được dòng chảy của mỗi tín hiệu quan trọng, hãy định tuyến tín hiệu quan trọng đến gần đường dẫn trở lại để đảm bảo diện tích vòng lặp của nó. Đối với tín hiệu tần số thấp, làm cho dòng điện chảy qua đường dẫn của điện trở; Đối với tín hiệu tần số cao, hãy để dòng điện tần số cao chảy qua đường dẫn của cuộn cảm thay vì điện trở. Đối với bức xạ chế độ vi sai, cường độ bức xạ EMI (E) tỷ lệ thuận với bình phương của dòng điện, diện tích của vòng lặp hiện tại và tần số. (Trong đó I là hiện tại, A là diện tích vòng lặp, f là tần số, r là khoảng cách đến tâm vòng lặp và k là hằng số.) Do đó, diện tích vòng lặp hiện tại có thể được giảm khi đường dẫn trở lại của cuộn cảm nằm ngay dưới đường tín hiệu, do đó năng lượng bức xạ EMI giảm. Các tín hiệu quan trọng không được đi qua khu vực phân đoạn. Dấu vết tín hiệu khác biệt tốc độ cao nên được ghép nối chặt chẽ nhất có thể. Đảm bảo rằng các dải, microband và mặt phẳng tham chiếu của chúng tuân thủ các yêu cầu. Dây dẫn của tụ điện tách rời phải ngắn và rộng. Tất cả các dấu vết tín hiệu phải càng xa các cạnh của bảng càng tốt. Đối với các mạng kết nối đa điểm, chọn cấu trúc liên kết phù hợp để giảm phản xạ tín hiệu và giảm phát xạ EMI. Xử lý tách mặt phẳng nguồn 2.6 Đối với việc phân chia lớp nguồn, khi có một hoặc nhiều nguồn phụ trên mặt phẳng nguồn chính, tính liên tục của mỗi khu vực nguồn và đủ chiều rộng lá đồng phải phù hợp