W projektowaniu płytek PCB kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) i związane z nią zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) tradycyjnie były dwoma głównymi problemami inżynierów, szczególnie w przypadku dzisiejszych projektów płytek drukowanych, a pakiety podzespołów stale się kurczą, a producenci OEM wymagają systemów o większej szybkości.W tym artykule pokażę, jak uniknąć problemów elektromagnetycznych podczas projektowania płytek PCB.
1. W centrum uwagi są przesłuchy i wyrównanie
Wyrównanie jest szczególnie ważne dla zapewnienia prawidłowego przepływu prądu.Jeżeli prąd pochodzi z oscylatora lub innego podobnego urządzenia, szczególnie ważne jest oddzielenie go od warstwy masy lub uniemożliwienie równoległego przepływu prądu z innym ustawieniem.Dwa szybkie sygnały równolegle mogą generować zakłócenia elektromagnetyczne i elektromagnetyczne, zwłaszcza przesłuchy.Ważne jest, aby ścieżki rezystorów były jak najkrótsze, a ścieżki prądu powrotnego możliwie najkrótsze.Długość ścieżki powrotnej powinna być taka sama jak długość ścieżki nadawczej.
W przypadku EMI jedna ścieżka nazywana jest „ścieżką naruszenia”, a druga „ścieżką ofiary”.Sprzężenie indukcyjne i pojemnościowe wpływa na ścieżkę „ofiary” ze względu na obecność pól elektromagnetycznych, generując w ten sposób prądy do przodu i wstecz na „ścieżce ofiary”.W ten sposób tętnienie jest generowane w stabilnym środowisku, w którym długości nadawania i odbioru sygnału są prawie równe.
W dobrze zrównoważonym środowisku ze stabilnym ustawieniem, indukowane prądy powinny się wzajemnie znosić, eliminując w ten sposób przesłuchy.Żyjemy jednak w niedoskonałym świecie, w którym takie rzeczy nie mają miejsca.Dlatego naszym celem jest ograniczenie przesłuchów do minimum we wszystkich ustawieniach.Efekt przesłuchu można zminimalizować, jeśli szerokość między równoległymi liniami jest dwukrotnie większa od szerokości linii.Na przykład, jeśli szerokość linii wynosi 5 milimetrów, minimalna odległość między dwiema równoległymi liniami powinna wynosić 10 milimetrów lub więcej.
W miarę pojawiania się nowych materiałów i komponentów projektanci płytek PCB muszą także w dalszym ciągu zajmować się problemami związanymi z kompatybilnością elektromagnetyczną i zakłóceniami.
2. Kondensatory odsprzęgające
Kondensatory odsprzęgające zmniejszają niepożądane skutki przesłuchów.Powinny być umieszczone pomiędzy pinami zasilania i masy urządzenia, co zapewnia niską impedancję prądu przemiennego oraz redukcję szumów i przesłuchów.Aby uzyskać niską impedancję w szerokim zakresie częstotliwości, należy zastosować wiele kondensatorów odsprzęgających.
Ważną zasadą umieszczania kondensatorów odsprzęgających jest to, że kondensator o najniższej wartości pojemności jest umieszczany jak najbliżej urządzenia, jak to możliwe, aby zmniejszyć wpływ indukcyjności na wyrównanie.Kondensator ten należy umieścić jak najbliżej pinów zasilających urządzenie lub toru zasilającego, a pola kondensatora należy podłączyć bezpośrednio do przelotek lub poziomu masy.Jeśli wyrównanie jest długie, użyj wielu przelotek, aby zminimalizować impedancję uziemienia.
3. Uziemienie płytki PCB
Ważnym sposobem na zmniejszenie zakłóceń elektromagnetycznych jest zaprojektowanie warstwy uziemiającej PCB.Pierwszym krokiem jest zapewnienie możliwie największej powierzchni uziemienia na całej powierzchni płytki drukowanej, aby zredukować emisję, przesłuchy i hałas.Szczególną ostrożność należy zachować podczas podłączania każdego elementu do punktu uziemiającego lub warstwy uziemiającej, bez czego nie można w pełni wykorzystać neutralizującego efektu niezawodnej warstwy uziemiającej.
Szczególnie złożona konstrukcja PCB ma kilka stabilnych napięć.W idealnym przypadku każde napięcie odniesienia ma odpowiednią warstwę uziemiającą.Jednakże zbyt wiele warstw uziemiających zwiększyłoby koszty produkcji płytki PCB i uczyniłoby ją zbyt kosztowną.Kompromisem jest zastosowanie warstw uziemiających w trzech do pięciu różnych lokalizacjach, z których każda może zawierać kilka sekcji uziemiających.Pozwala to nie tylko kontrolować koszty produkcji płytki, ale także zmniejsza zakłócenia elektromagnetyczne i EMC.
Aby zminimalizować kompatybilność elektromagnetyczną, ważny jest system uziemienia o niskiej impedancji.W wielowarstwowej płytce PCB lepiej jest mieć niezawodną warstwę uziemiającą niż miedziany blok równoważący (złodzieje miedzi) lub rozproszoną warstwę uziemiającą, ponieważ ma ona niską impedancję, zapewnia ścieżkę prądową i jest najlepszym źródłem sygnałów zwrotnych.
Bardzo ważny jest także czas powrotu sygnału do masy.Czas potrzebny na podróż sygnału do i ze źródła musi być porównywalny, w przeciwnym razie wystąpi zjawisko podobne do anteny, w wyniku czego wypromieniowana energia stanie się częścią zakłócenia elektromagnetycznego.Podobnie, wyrównanie prądu do/ze źródła sygnału powinno być tak krótkie, jak to możliwe, jeśli ścieżka źródłowa i powrotna nie są tej samej długości, nastąpi odbicie od masy, co również spowoduje wygenerowanie zakłóceń elektromagnetycznych.
4. Unikaj kątów 90°
Aby zredukować zakłócenia elektromagnetyczne, należy unikać ustawiania, przelotek i innych elementów tak, aby tworzyły kąt 90°, ponieważ kąt prosty będzie generował promieniowanie.Aby uniknąć kąta 90°, należy wyrównać co najmniej dwa przewody pod kątem 45° do narożnika.
5. Należy zachować ostrożność podczas stosowania przewiertu
W prawie wszystkich układach PCB należy zastosować przelotki, aby zapewnić przewodzące połączenie pomiędzy różnymi warstwami.W niektórych przypadkach powodują one również odbicia, ponieważ impedancja charakterystyczna zmienia się, gdy w ramach wyrównania tworzone są przelotki.
Należy również pamiętać, że przelotki zwiększają długość ułożenia i muszą być dopasowane.W przypadku wyrównań różnicowych należy w miarę możliwości unikać przelotek.Jeśli nie da się tego uniknąć, w obu ustawieniach należy zastosować przelotki, aby skompensować opóźnienia w ścieżce sygnału i powrotu.
6. Kable i ekranowanie fizyczne
Kable przewodzące obwody cyfrowe i prądy analogowe mogą generować pasożytniczą pojemność i indukcyjność, powodując wiele problemów związanych z kompatybilnością elektromagnetyczną.W przypadku stosowania skrętki dwużyłowej utrzymywany jest niski poziom sprzężenia, a generowane pola magnetyczne są eliminowane.W przypadku sygnałów o wysokiej częstotliwości należy stosować kable ekranowane, z uziemieniem zarówno z przodu, jak i z tyłu, aby wyeliminować zakłócenia EMI.
Ekranowanie fizyczne polega na zamknięciu całości lub części systemu w metalowej obudowie, aby zapobiec przedostawaniu się zakłóceń elektromagnetycznych do obwodów PCB.Ekranowanie to działa jak zamknięty kondensator przewodzący masę, zmniejszając rozmiar pętli anteny i pochłaniając zakłócenia elektromagnetyczne.
Czas publikacji: 23 listopada 2022 r