Präzisions-Leiterplattenherstellung, Hochfrequenz-Leiterplatten, mehrschichtige Leiterplatten und Leiterplattenbestückung.
Mikrowellen-Technik
Störungen beim Hochfrequenz-PCB-Design
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Störungen beim Hochfrequenz-PCB-Design

Störungen beim Hochfrequenz-PCB-Design

2021-11-15
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Author:iPCBer

Bei der Konstruktion von Hochfrequenz-Leiterplatten müssen Ingenieure Leistungsrauschen, Übertragungsleitungsstörungen, Kupplungen, elektromagnetische Störungen (EMI) in vier Aspekten berücksichtigen.


1. Geräusche der Stromversorgung

In der Hochfrequenzschaltung hat das Rauschen der Stromversorgung einen wesentlichen Einfluss auf das Hochfrequenzsignal. Daher ist die erste Anforderung, dass die Stromversorgung geräuscharm ist. Hier sind sauberes Land und saubere Energie gleichermaßen wichtig. Warum? Die Leistungsmerkmale sind in Abbildung 1 dargestellt. Offensichtlich hat das Netzteil eine bestimmte Impedanz, und die Impedanz ist über die Stromversorgung verteilt, so dass das Rauschen auch auf der Stromversorgung überlagert wird. Dann sollten wir die Impedanz der Stromversorgung so weit wie möglich minimieren, daher ist es am besten, eine proprietäre Leistungsschicht und eine Kontaktschicht zu haben. Bei der Hochfrequenzschaltung ist die Stromversorgung in Form von Schichten ausgelegt, die in den meisten Fällen viel besser ist als in Form von Bussen, so dass die Schaltung immer dem Pfad mit der geringsten Impedanz folgen kann. Darüber hinaus bietet die Leistungsplatine auch eine Signalschleife für alle erzeugten und empfangenen Signale auf der Leiterplatte, die die Signalschleife minimieren und Rauschen reduzieren kann, was von Niederfrequenzschaltungsdesignern oft übersehen wird.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, Stromrauschen im PCB-Design zu beseitigen:

1.1. Hinweistafel durch Löcher: Durch Löcher müssen die Öffnungen auf der Leistungsschicht geätzt werden, um Platz für die Durchgangslöcher zu schaffen. Wenn die Öffnung der Leistungsschicht zu groß ist, wird die Signalschaltung beeinträchtigt, das Signal wird gezwungen, zu umgehen, der Bereich der Schaltung wird zunehmen, und das Rauschen wird zunehmen. Zur gleichen Zeit, wenn einige Signalleitungen in der Nähe der Öffnung konzentriert sind und diese Schleife teilen, verursacht die gemeinsame Impedanz Übersprechen.

1.2 Verbindungsleitungen benötigen genügend Erdungskabel: Jedes Signal benötigt seine eigene eindeutige Signalschleife, und der Bereich der Schleife des Signals und der Schleife ist so klein wie möglich, das heißt, das Signal und die Schleife sollten parallel sein.

1.3. Die Stromversorgung von analoger und digitaler Stromversorgung sollte getrennt werden: Hochfrequenzgeräte sind in der Regel sehr empfindlich gegenüber digitalem Rauschen, daher sollten sie getrennt und am Eingang der Stromversorgung angeschlossen werden. Wenn das Signal sowohl analoge als auch digitale Teile umfassen muss, kann eine Schleife an der Signalkreuzung platziert werden, um die Fläche der Schleife zu verringern. Spannt zwischen den Zahlen, die in der Signalschleife verwendet werden.

1.4 Vermeiden Sie Überlappungen einzelner Versorgungsschichten: Andernfalls können Schaltungsrausche leicht durch parasitäre Kapazität gekoppelt werden.

1.5. Isolieren Sie empfindliche Elemente wie PLL.

1.6. Stecken Sie das Netzkabel: Um den Signalkreis zu reduzieren, reduzieren Sie das Rauschen, indem Sie das Netzkabel seitlich an die Signalleitung legen.

Hochfrequenz PCB Design

Hochfrequenz PCB Design


2. Übertragungsleitungen

Es gibt nur zwei Arten von Übertragungsleitungen in PCB: Streifenleitung und Mikrowellenleitung. Das größte Problem der Übertragungsleitung ist die Reflexion. Reflexion kann viele Probleme verursachen. Zum Beispiel wird das Lastsignal die Überlagerung des Originalsignals und des Echosignals sein, was die Schwierigkeit der Signalanalyse erhöht. Reflexionen verursachen Rückflussverluste, die so stark sind wie additive Störgeräusche.

2.1 Reflektieren des Signals zurück zur Quelle erhöht das Systemrauschen, wodurch es für den Empfänger schwieriger wird, das Rauschen vom Signal zu unterscheiden;

2.2 Grundsätzlich verschlechtert jedes reflektierte Signal die Signalqualität und ändert die Form des Eingangssignals. Im Allgemeinen ist die Hauptlösung die Impedanzanpassung (zum Beispiel sollte die Verbindungsimpedanz sehr gut mit der Systemimpedanz übereinstimmen), aber manchmal ist die Impedanzberechnung schwieriger, Sie können sich auf einige Übertragungsleitungsimpedanzberechnungssoftware beziehen.

Die Methoden zur Beseitigung von Übertragungsleitungsstörungen im PCB-Design sind wie folgt:

2.2.1 Vermeiden Sie Impedanzkonstinuität von Übertragungsleitungen. Punkte mit diskontinuierlicher Impedanz, wie rechte Ecken und Durchgangslöcher, sollten so weit wie möglich vermieden werden. Die Methoden sind wie folgt: Vermeiden Sie gerade Ecken der Linie und gehen Sie bei 45° oder Bögen so weit wie möglich, auch in großen Kurven; Verwenden Sie so wenig Löcher wie möglich, da jedes Loch eine Impedanzkonstinuität ist, wie in Abb. 5 gezeigt; Das äußere Signal vermeidet den Durchgang durch die innere Schicht und umgekehrt.

2.2.2 Verwenden Sie keine Einsatzlinien. Denn jede Postzeile ist eine Störquelle. Wenn die Pfahlleitung kurz ist, kann sie am Ende der Übertragungsleitung angeschlossen werden. Wenn die Länge der Pfahlleitung lang ist, nimmt sie die Hauptübertragungsleitung als Quelle, was eine große Reflexion erzeugt und das Problem kompliziert. Es wird nicht empfohlen, es zu verwenden.


3. Leiterplattenkopplung

3.1 Gemeinsame Impedanzkopplung: Ein gemeinsamer Kopplungskanal, d. h. Störquellen und gestörte Geräte, teilen sich oft bestimmte Leiter (z. B. Stromversorgung, Bus, gemeinsame Erdung usw.).

Auf diesem Kanal verursacht der Abstieg des Ic wieder in Reihe eine Gleichtaktspannung in der Stromschleife, die den Empfänger beeinflusst.

3.2 Feldgleichtaktkopplung bewirkt, dass die Strahlungsquelle Gleichtaktspannung auf den Schleifen und gemeinsamen Referenzflächen verursacht, die durch den gestörten Schaltkreis gebildet werden. Wenn das Magnetfeld eine dominante Rolle spielt, ist die Gleichtaktspannung, die im Reihenerdkreis erzeugt wird, Vcm=-(Delta B/Delta t)*-Bereich (Delta B=die Variation der magnetischen Induktionsstärke in der Formel). Wenn das elektromagnetische Feld bekannt ist, ist seine induzierte Spannung Vcm=(L*h*F*E)/48. Die Formel eignet sich für L(m)=weniger als 150MHz, über diese Grenze hinaus kann die Berechnung der maximal induzierten Spannung auf Vcm=2*h*E vereinfacht werden.

3.3 Differenzmodus Feldkupplung: Bezieht sich auf die direkte Strahlung, die vom Bleipaar oder vom Blei und seiner Schaltung auf der Leiterplatte empfangen wird. Wenn so nah wie möglich an zwei Drähten. Diese Kupplung ist stark reduziert, so dass Sie die beiden Drähte zusammen verdrehen können, um die Störung zu reduzieren.

3.4 Interline-Kopplung (Übersprechen) kann unerwünschte Kopplung zwischen jeder Leitung verursachen, die einem parallelen Stromkreis entspricht, was die Leistung des Systems ernsthaft beeinträchtigen wird. Sie können in kapazitives und sensorisches Übersprechen eingeteilt werden. Ersteres liegt daran, dass die parasitäre Kapazität zwischen den Leitungen bewirkt, dass das Rauschen auf der Rauschquelle durch die Einspritzung von Strom an die Rauschempfangsleitung gekoppelt wird. Letzteres kann man sich als Signalkopplung zwischen den Primärstufen eines unerwünschten parasitären Transformators vorstellen. Die Größe des sensorischen Übersprechens hängt von der Nähe der beiden Schleifen, der Fläche der Straße und der Impedanz der betroffenen Last ab.

3.5 Stromleitungskupplung: bezieht sich auf die AC- oder DC-Stromleitungen unterliegen elektromagnetischen Störungen, und dann übertragen die Stromleitungen diese Störungen auf andere Geräte.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, Übersprechen im PCB-Design zu vermeiden:

3.5.1, die Größe beider Übersprechen nimmt mit der Erhöhung der Lastimpedanz zu, so dass Signalleitungen, die auf die Störung durch Übersprechen empfindlich sind, ordnungsgemäß beendet werden sollten.

3.5.2. Wenn der Abstand zwischen Signalleitungen so weit wie möglich erhöht wird, kann das Toleranzübersprechen effektiv reduziert werden. Masseschichtmanagement, Trennung zwischen Verdrahtung (z.B. aktive Signalleitungen und Masseleitungen, insbesondere zwischen Signalleitungen und Masse mit Zustandshopping) und Reduzierung der Bleiinduktivität.

3.5.3 Das Einfügen einer Erdungsleitung zwischen benachbarten Signalleitungen kann auch Toleranzübersprechen effektiv reduzieren, was erfordert, dass die Erdungsleitung jedes Viertel der Wellenlänge mit der Schicht verbunden wird.

3.5.4 Für perzeptuelles Übersprechen sollte der Ringbereich minimiert und beseitigt werden, wenn erlaubt.

3.5.5 Vermeiden Sie Signalfreigabeschleifen.

3.5.6. Bedenken über die Signalintegrität: Designer müssen während des Schweißprozesses eine Endverbindung herstellen, um die Signalintegrität zu lösen. Designer dieser Methode können sich auf die Mikrostreifenlänge der Kupferfolie zur Abschirmung konzentrieren, um eine gute Signalintegritätsleistung zu erzielen. Für Systeme mit dichten Steckverbindern in ihrer Kommunikationsarchitektur können Designer eine Leiterplatte als Terminal verwenden.


4. Elektromagnetische Störungen

Mit zunehmender Geschwindigkeit werden EMI immer ernster und manifestieren sich in vielen Aspekten (z.B. elektromagnetische Störungen an der Verbindung). Hochgeschwindigkeitsgeräte sind besonders empfindlich darauf, so dass sie Hochgeschwindigkeits-falsche Signale empfangen, während niedrige Geräte solche falschen Signale ignorieren.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, EMI zu beseitigen. PCB Design:

4.1, Schleifen reduzieren: Jede Schleife ist äquivalent zu einer Antenne, also müssen wir die Anzahl der Schleifen, den Bereich der Schleifen und den Antenneneffekt von Schleifen minimieren. Stellen Sie sicher, dass das Signal an zwei Punkten nur einen Loop-Pfad hat, vermeiden Sie künstliche Loops und verwenden Sie die Power Layer so weit wie möglich.

4.2, Filtern: Filtern kann verwendet werden, um EMI auf Strom- und Signalleitungen zu reduzieren. Es gibt drei Methoden: Entkopplungskapazität, EMI-Filter, magnetisches Element.

4.3. Abschirmung. Aufgrund der Länge des Artikels plus vieler Artikel, die Blockierung diskutieren, wird es nicht im Detail vorgestellt.

4.4. Minimieren Sie die Geschwindigkeit von Hochfrequenzgeräten.

4.5. Erhöhen Sie die dielektrische Konstante der Leiterplatte to prevent the high frequency parts such as transmission lines near the board from radiating outward. Erhöhung der Dicke von PCB Platten und die Minimierung der Dicke von Mikrostreifenleitungen können den Überlauf elektromagnetischer Leitungen und Strahlung verhindern.


5. Zusammenfassung:

In high frequency PCB-Design, Wir sollten den Prinzipien folgen:

5.1. Vereinheitlichung und Stabilität von Stromversorgung und Land.

5.2. Sorgfältige Verkabelung und ordnungsgemäße Beendigung können Reflexion beseitigen.

5.3. Sorgfältige Verkabelung und ordnungsgemäße Beendigung können Toleranz und sensorisches Übersprechen reduzieren.

5.4. Die Geräuschunterdrückung ist erforderlich, um die EMV-Anforderungen zu erfüllen.