Công nghệ PCB - Làm thế nào để tối ưu hóa thiết kế EMC của PCB

Với sự phát triển của thời đại điện, ngày càng có nhiều nguồn sóng điện từ trong môi trường sống của con người, chẳng hạn như radio, truyền hình, thông tin vi sóng, thiết bị gia dụng, trường điện từ tần số công suất và trường điện từ tần số cao của đường dây truyền tải. Khi cường độ trường của các trường điện từ này vượt quá một giới hạn nhất định và thời gian tác dụng đủ dài, nó có thể gây hại cho sức khỏe con người; Đồng thời, chúng cũng có thể can thiệp vào các thiết bị điện tử và thông tin liên lạc khác. Trong trường hợp này, cần được bảo vệ. Khái niệm nhiễu điện từ và che chắn thường được đề xuất trong quá trình phát triển, sản xuất và sử dụng các thiết bị điện tử. Khi các sản phẩm điện tử hoạt động bình thường, cốt lõi là quá trình làm việc phối hợp giữa bảng mạch PCB và các bộ phận được lắp đặt trên đó. Điều quan trọng là phải cải thiện các chỉ số hiệu suất của các sản phẩm điện tử và giảm tác động của nhiễu điện từ.

1. Thiết kế bảng PCB

Bảng mạch in 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. Nó là thành phần cơ bản nhất trong tất cả các loại thiết bị điện tử. Hiệu suất của bảng mạch PCB liên quan trực tiếp đến chất lượng và hiệu suất của thiết bị điện tử. Với sự phát triển của mạch tích hợp, công nghệ SMT và công nghệ lắp ráp vi mô, mật độ cao, các sản phẩm điện tử đa chức năng ngày càng tăng, dẫn đến hệ thống dây điện phức tạp trên bảng mạch PCB, nhiều bộ phận và lắp đặt dày đặc, chắc chắn sẽ gây nhiễu giữa chúng. Sự nhiễu ngày càng nghiêm trọng, do đó, vấn đề ức chế nhiễu điện từ đã trở thành chìa khóa để hệ thống điện tử có thể hoạt động bình thường hay không. Tương tự như vậy, với sự phát triển của công nghệ điện, mật độ PCB ngày càng cao hơn và chất lượng của thiết kế bảng PCB có ảnh hưởng lớn đến khả năng gây nhiễu và chống nhiễu của mạch. Để có được hiệu suất mạch điện tử tốt nhất, ngoài việc lựa chọn các thành phần và thiết kế mạch, thiết kế bảng mạch PCB tốt là một yếu tố rất quan trọng trong khả năng tương thích điện từ (EMC).

1.1 Thiết kế lớp PCB hợp lý

Tùy thuộc vào độ phức tạp của mạch, việc lựa chọn hợp lý số lớp của PCB có thể giảm nhiễu điện từ một cách hiệu quả, giảm đáng kể kích thước của PCB và chiều dài của vòng lặp hiện tại và dây nhánh, giảm đáng kể nhiễu chéo giữa các tín hiệu. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng khi sử dụng cùng một vật liệu, các tấm bốn lớp có tiếng ồn thấp hơn 20dB so với các tấm hai lớp. Tuy nhiên, số lượng lớp càng cao, quy trình sản xuất càng phức tạp và chi phí sản xuất càng cao. Trong hệ thống dây PCB nhiều lớp, tốt nhất là sử dụng cấu trúc dây lưới "tốt" giữa các lớp liền kề, tức là các hướng của hệ thống dây tương ứng của các lớp liền kề vuông góc với nhau. Ví dụ, phía trên của PCB được định tuyến theo chiều ngang, phía dưới được định tuyến theo chiều dọc và sau đó được kết nối qua lỗ.

1.2 Thiết kế kích thước bảng PCB hợp lý

Khi kích thước bảng PCB quá lớn, dòng in sẽ tăng, trở kháng sẽ tăng, khả năng chống ồn sẽ giảm, khối lượng thiết bị sẽ tăng và chi phí sẽ tăng tương ứng. Nếu kích thước quá nhỏ và tản nhiệt không tốt, các đường liền kề rất dễ bị nhiễu. Nói chung, lớp cơ khí (lớp cơ khí) xác định khung vật lý, kích thước tổng thể của bảng mạch PCB, cấm sử dụng lớp giữ (lớp giữ) để xác định diện tích hiệu quả của bố cục và hệ thống dây điện. Thông thường, theo số lượng đơn vị chức năng của mạch, tất cả các thành phần của mạch tích hợp, hình dạng và kích thước tối ưu của bảng mạch PCB cuối cùng được xác định. Hình chữ nhật thường được sử dụng với tỷ lệ khung hình 3: 2. Khi kích thước của bảng lớn hơn 150mm * 200mm, độ bền cơ học của PCB nên được xem xét.

2. Bố trí của bảng PCB

Trong thiết kế bảng mạch PCB, các kỹ sư điện tử có thể chỉ tập trung vào việc tăng mật độ, giảm chiếm không gian, thực hiện sản xuất đơn giản hoặc theo đuổi bố cục đẹp và thống nhất mà bỏ qua tác động của bố cục mạch đối với khả năng tương thích điện từ, do đó phát ra rất nhiều tín hiệu vào không gian. Hình thành quấy nhiễu lẫn nhau. Bố cục PCB kém có thể dẫn đến nhiều vấn đề tương thích điện từ (EMC) hơn là loại bỏ chúng.

Các mạch kỹ thuật số, mạch tương tự và mạch cung cấp điện trong các thiết bị điện tử khác nhau về bố cục và đặc tính định tuyến linh kiện, cũng như các phương pháp gây nhiễu và ức chế nhiễu mà chúng tạo ra. Vì tần số của các mạch tần số cao và thấp khác nhau, phương pháp gây nhiễu và ức chế nhiễu của chúng cũng khác nhau. Do đó, trong bố trí phần tử, mạch kỹ thuật số, mạch analog và mạch nguồn nên được đặt riêng biệt, và mạch tần số cao và mạch tần số thấp nên được đặt riêng biệt. Nếu có thể, chúng nên được tách riêng hoặc tạo thành một bảng PCB riêng biệt. Trong bố cục, cần đặc biệt chú ý đến sự phân bố thiết bị và hướng truyền tín hiệu của tín hiệu mạnh và yếu.

2.1 Bố trí hội đồng PCB

Bố cục thành phần của bảng mạch PCB giống như các mạch logic khác và các thành phần liên quan đến nhau nên được đặt càng gần càng tốt để chống ồn tốt hơn. Vị trí của các thành phần trên bảng PCB nên được xem xét đầy đủ về khả năng chống nhiễu điện từ. Một trong những nguyên tắc là dây dẫn giữa các thành phần phải ngắn nhất có thể. Trong bố cục, phần tín hiệu tương tự, phần mạch kỹ thuật số tốc độ cao và phần nguồn tiếng ồn (như rơle, công tắc dòng điện cao, v.v.) nên được tách hợp lý để giảm thiểu khớp nối tín hiệu với nhau.

Bộ tạo đồng hồ, bộ dao động tinh thể và đầu vào đồng hồ CPU đều dễ gây nhiễu, vì vậy chúng nên ở gần nhau hơn. Các thiết bị dễ bị nhiễu, mạch điện thấp và mạch điện cao nên tránh xa mạch logic càng xa càng tốt. Nếu có thể, một bảng PCB khác nên được thực hiện, điều này rất quan trọng.

Yêu cầu bố trí tổng thể cho các thành phần PCB: Bố trí của các thành phần mạch và đường dẫn tín hiệu phải giảm thiểu việc ghép các tín hiệu không cần thiết.

1) Các kênh tín hiệu cấp thấp không thể tiếp cận các kênh tín hiệu cấp cao và các dây nguồn không lọc, bao gồm các mạch có thể tạo ra các quá trình thoáng qua.

2) Tách mạch analog cấp thấp và mạch kỹ thuật số để tránh khớp nối trở kháng chung giữa mạch analog, mạch kỹ thuật số và mạch điện chung.

3) Các mạch logic cao, trung bình và tốc độ thấp yêu cầu các khu vực khác nhau trên PCB.

4) Khi sắp xếp mạch, chiều dài đường tín hiệu nên được giảm thiểu.

5) Đảm bảo không có đường tín hiệu song song quá dài giữa các tấm liền kề, giữa các lớp liền kề của cùng một tấm và giữa các dây liền kề trên cùng một lớp.

6) Bộ lọc nhiễu điện từ (EMI) phải càng gần nguồn nhiễu điện từ càng tốt và được đặt trên cùng một bảng mạch.

2.2 Dây bảng PCB

Thành phần của bảng mạch PCB là một cấu trúc nhiều lớp sử dụng một loạt các cán, định tuyến và xử lý pre-nhúng trên một ngăn xếp thẳng đứng. Trong bảng mạch PCB nhiều lớp, để dễ dàng gỡ lỗi, đường tín hiệu sẽ được đặt ở lớp ngoài cùng.

Trong trường hợp tần số cao, phân phối cảm ứng và phân phối tụ điện của bảng PCB, chẳng hạn như dấu vết, quá lỗ, điện trở, tụ điện và đầu nối, không thể bỏ qua. Điện trở gây ra sự phản xạ và hấp thụ tín hiệu tần số cao. Điện dung phân phối của các dấu vết cũng sẽ hoạt động. Hiệu ứng ăng ten xảy ra khi chiều dài của dấu vết lớn hơn 1/20 bước sóng tương ứng của tần số tiếng ồn và tiếng ồn được phát ra thông qua dấu vết.

Hầu hết các dây dẫn của bảng mạch PCB được thực hiện thông qua lỗ. Một lỗ quá mức có thể mang lại điện dung phân tán khoảng 0,5pF và giảm số lượng lỗ quá mức có thể làm tăng tốc độ đáng kể.

Bản thân vật liệu đóng gói của mạch tích hợp giới thiệu điện dung từ 2 đến 6 pF. Các đầu nối trên PCB có điện cảm phân tán 520nH. Hai ổ cắm mạch tích hợp 24 chân trực tuyến giới thiệu cảm ứng phân tán 4-18nH.