Präzisions-Leiterplattenherstellung, Hochfrequenz-Leiterplatten, mehrschichtige Leiterplatten und Leiterplattenbestückung.
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Prinzipien des Leiterplattendesigns zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen
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Prinzipien des Leiterplattendesigns zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen

2022-01-12
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Author:pcb

Leiterplatte wirksamer Interferenzschutz Design ist ein Schlüsselglied in der Design von elektronischen Produkten, die Zuverlässigkeit und Stabilität der Schaltungsarbeit beeinflusst. Der Artikel analysiert die Hauptgründe für das Vorhandensein elektromagnetischer Störungen auf Leiterplatten, und fasst die effektive Unterdrückung und Verhinderung von elektromagnetischen Störungen in Leiterplatte Design aus der Auswahl der Leiterplatten, das Layout von Leiterplattenkomponenten, die Verkabelung von Strom und Erde, und die Verkabelung von Signalleitungen. Maßnahmen und Grundsätze. Die Leiterplatte ist der Träger von Schaltungskomponenten in elektronischen Produkten, Bereitstellung elektrischer Verbindungen zwischen Schaltungskomponenten, und ist die Grundkomponente verschiedener elektronischer Geräte. Seine Leistung steht in direktem Zusammenhang mit der Qualität elektronischer Geräte. Mit der Entwicklung der Informationsgesellschaft und der Entwicklung der elektronischen Technologie, die Integration von Schaltungen wird immer höher, Die Größe der Leiterplatten wird immer kleiner und kleiner, Die Dichte der Bauteile auf Leiterplatten wird immer höher, und die Laufgeschwindigkeit der elektronischen Produkte wird immer höher und höher. Daher, Das Problem der elektromagnetischen Störung und Kompatibilität, die durch sich selbst verursacht werden, ist prominenter. Daher, wie die elektromagnetischen Störungen von Leiterplattes ist ein heißes Diema in der heutigen Elektroniktechnik geworden. Das Problem der elektromagnetischen Verträglichkeit einer Leiterplatte ist der Schlüssel, ob ein elektronisches System normal arbeiten kann, die Zuverlässigkeit und Stabilität des Schaltkreises oder Systems beeinträchtigt. Daher, Das Problem der elektromagnetischen Störung sollte effektiv gelöst werden, wenn Designder Leiterplatte.

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In Bezug auf die Gründe für elektromagnetische Störungen, Maßnahmen und Grundsätze zur Verrgerung elektromagnetischer Störungen, die in Leiterplatte Design werden zusammengefasst.
1. Die reason for the existence of electromagnetic interference on the circuit board
In der high-speed electronic system composed of switching power supply and microprocessor, Die elektromagnetische Störung der Leiterplatte kommt hauptsächlich von der vorhandenen Hochfrequenz-Störquelle, Komponenten, Basisschleifen- und Differenzmodus und Gleichtaktrauschen.

1.1 The source of radio Frequenz interference present on the circuit board
In an intelligent high-speed electronic system, Die Quelle der Hochfrequenzstörungen auf der Leiterplatte kommt hauptsächlich vom Mikroprozessorsystem, das Stromversorgungssystem und die Oszillatorschaltung.
1) Microprocessor system
The radio frequency (RF) noise of a microprocessor is generated inside the chip and coupled to the outside in many different possible ways. Es existiert an allen Eingängen, Ausgänge, Strom und Boden gleichzeitig. Es sind potenzielle Geräusche, die jede Leitung des Mikroprozessors verursacht. Es kann Probleme mit den Füßen geben. The problem is noise from the input and output pins (I/O) of the microprocessor. Diese Geräusche werden hauptsächlich durch die Taktschaltung im Chip erzeugt, Anschluss an die internen und externen Kabel über die Ein- und Ausgangspins und Ausstrahlung, hauptsächlich manifestiert als kurzzeitige Impulswellenformstörung.
2) Power supply system
The power supply system includes the power regulator and its bypass capacitors on the regulator and microcontroller side. Diese Schaltkreise sind die Quelle aller HF-Energie im System und liefern die erforderlichen Schaltströme für die On-Chip-Sequenzschaltungen.
3) Oscillator circuit
The oscillator circuit provides a fast clock signal to the system, in einem digitalen System, da der Ausgangspuffer des Oszillators digital ist, Oberschwingungen werden auf der Ausgangsseite erzeugt, wenn eine Sinuswelle in eine Quadratwelle umgewandelt wird. Geräusche, die durch interne Betriebsabläufe entstehen, wie Taktpuffer, wird am Ausgang angezeigt und durch Komponentenkopplung verbreitet.

1.2 Other causes of electromagnetic interference
1) SMD components and through-hole components
SMD devices (SMDs) are better at handling RF energy than leaded chips because of their lower inductive reactance and closer placement of components. Typischerweise, the lead capacitance of through-hole components will self-oscillate (change from capacitive to inductive) at about 80MHz. Daher, das Rauschen über 80MHz muss kontrolliert werden, und viele ernsthafte Probleme müssen berücksichtigt werden, wenn Durchgangslochkomponenten in der Design.
2) Basic circuit
Each edge transition transmitted from the microprocessor to another chip is a current pulse that flows to the receiving chip, aus dem Erdungsstift des Empfängerchips, und dann zurück zum Erdungsstift des Mikroprozessors durch den Erdungsdraht, so bilden Sie eine grundlegende Schaltung. Solche Schleifen existieren überall in der Schaltung, und jegliche Rauschspannung und ihre begleitenden Ströme wandern durch den Impedanzpfad zurück zu ihrem Ursprung, eine Wirkung hervorrufen. Ein Return kann eine Signalleitung und ihr Rückweg sein, Ein Bypass zwischen Strom und Erde, Kristalloszillator und Treiber innerhalb eines Mikroprozessors, oder eine Rückkehr vom Spannungsregler der Stromversorgung zum Bypass-Kondensator. Je größer die geometrische Fläche der Schleife, je stärker die Strahlung, So können wir die Rauschausbreitung verringern, indem wir die Form und Impedanz des Rücklaufweges steuern.
3) Differential mode and common mode noise
Differential mode noise is the noise that occurs when a signal travels through the line to the receiving chip and then returns along the return line. Es gibt eine Differenzspannung zwischen den beiden Leitungen, das Rauschen ist, das jedes Signal erzeugen muss, um seine Funktion auszuführen. Die elektrische Feldstärke, die durch dieses Rauschen erzeugt wird, ist proportional zum Quadrat der Frequenz, die Größe des Stroms, und die Fläche der Stromschleife, und umgekehrt proportional zum Abstand vom Beobachtungspunkt zur Geräuschquelle. Daher, Das Verfahren zur Verringerung der differentiellen Modestrahlung besteht darin, die Betriebsfrequenz des Schaltkreises zu reduzieren, Reduzieren Sie die Fläche der Signalschleife oder reduzieren Sie die Stärke des Signalstroms. Eine effektive Methode in der Praxis ist die Steuerung des Bereichs der Signalschleife. Gleichtaktrauschen ist das Rauschen, das durch die Impedanz verursacht wird, die von den Signal- und Rücklaufleitungen geteilt wird, während die Spannung entlang der Signal- und Rücklaufleitungen gleichzeitig bewegt wird, ohne Differenzspannung zwischen ihnen. Gleichtaktimpedanzrauschen ist eine häufige Störquelle in den meisten mikroprozessorbasierten Systemen. Die elektrische Feldstärke, die durch dieses Rauschen erzeugt wird, ist proportional zur Größe der Frequenz, die Größe des Stroms und die Länge des Kabels, und umgekehrt proportional zum Abstand vom Beobachtungspunkt zur Geräuschquelle. Die Methoden zur Verringerung der Gleichtaktstrahlung sind: Verringern Sie die Impedanz des Erdungskabels, die Länge der Linie verkürzen, und verwenden Sie eine Gleichtakt-Drosselspule.

2. Leiterplatte Design principles
Since the integration degree and signal frequency of the circuit board are getting higher and higher with the development of electronic technology, elektromagnetische Störungen werden zwangsläufig verursacht. Daher, folgende Grundsätze sollten befolgt werden, wenn Designder Leiterplatte zur Steuerung der elektromagnetischen Störung der Leiterplatte innerhalb eines bestimmten Bereichs. Es kann die Design Anforderungen und Standards und Verbesserung der Gesamtleistung der Schaltung.

2.1 Selection of circuit boards
The primary task of Leiterplatte Design ist, die Größe der Leiterplatte richtig auszuwählen. Wenn die Größe zu groß ist, Der Impedanzwert der Leitung erhöht sich und die Störfestigkeit verringert sich, weil die Verbindung zwischen den Komponenten zu lang ist. Die dichte Anordnung der Geräte ist nicht förderlich für die Wärmeableitung, und die Verkabelung ist zu dünn und dicht, das leicht zu Übersprechen führt. Daher, Die Leiterplatte der geeigneten Größe sollte entsprechend den erforderlichen Komponenten des Systems ausgewählt werden. Leiterplatten werden in einseitige, doppelseitige und mehrschichtige Platten. Die Auswahl der Anzahl der Schichten der Leiterplatte hängt von der Funktion ab, die von der Schaltung implementiert werden soll, der Geräuschindex, Anzahl der Signale und Netzwerkkabel, etc. Eine angemessene Anzahl von Schichten kann das Problem der elektromagnetischen Verträglichkeit des Schaltkreises selbst verringern. Das übliche Auswahlprinzip ist: wenn die Signalfrequenz mittel- und niederfrequent ist, es gibt nur wenige Komponenten, und die Verdrahtungsdichte ist niedrig oder mittel, einseitig oder doppelseitig wählen; für hohe Verdrahtungsdichte, hohe Integration und viele Komponenten, Mehrschichtig 3 verwenden. Für hohe Signalfrequenz, Hochgeschwindigkeits-integrierte Schaltkreise, und dichte Komponenten, Wählen Sie 4 oder mehr Schichten von Leiterplatten. In the Design aus Mehrschichtplatten, Eine einzelne Schicht kann als Power Layer verwendet werden, eine Signalschicht und eine Masseschicht. Die Signalschleifenfläche wird reduziert und die differentielle Modestrahlung wird reduziert. Aus diesem Grund, Die mehrschichtige Platine kann die Strahlung der Platine reduzieren und die Störfestigkeit verbessern.


2.2 Layout of circuit board components
After determining the size of the Leiterplatte, Die Positionen von Sonderbauteilen sollten zuerst bestimmt werden, und alle Komponenten der Schaltung sollten in Blöcken entsprechend den Funktionseinheiten der Schaltung angeordnet sein. Die digitale Schaltungseinheit, Die analoge Schaltungseinheit und die Stromversorgungseinheit sollten getrennt werden, und die Hochfrequenz-Schaltungseinheit und die Niederfrequenz-Schaltungseinheit sollten auch getrennt werden. Gemeinsame Leiterplattenlayoutprinzipien sind wie folgt.

1) The principle of determining the location of special components:
1. Das Heizelement sollte in einer Position platziert werden, die der Wärmeableitung förderlich ist, wie die Kante der Leiterplatte, and away from the microprocessor chip;
2. Special high-frequency components should be placed next to each other to shorten the connection between them;
3. Sensitive components should be kept away from noise sources such as clock generators and oscillators;
4. Das Layout von einstellbaren Komponenten wie Potentiometern, einstellbare Induktivitäten, variable Kondensatoren, and key switches should conform to the structural requirements of the whole machine and facilitate adjustment;
5. Components with heavier mass should be fixed with brackets;
6. EMI-Filter sollten in der Nähe der EMI-Quelle platziert werden.

2) The principle of laying out the umbrella components of the circuit according to the circuit functional unit:
1. Each functional circuit should determine the corresponding position according to the signal flow between them to facilitate wiring;
2. Jeder Funktionskreis sollte zuerst die Position der Komponenten bestimmen, and place other components around the components to shorten the connection between the components as much as possible;
3. Für Hochfrequenzschaltungen, the distribution parameters between components should be considered;
4. Komponenten, die an der Leiterplattenkante platziert werden, sollten nicht weniger als 2mm vom Rand der Leiterplatte entfernt sein.
5. Die DC/DC-Wandler, switch tube and rectifier should be placed as close to the transformer as possible to reduce external radiation;
6. Spannungsregelkomponenten und Filterkondensatoren sollten in der Nähe der Gleichrichterdiode platziert werden.

2.3 The wiring principle of power supply and ground
Whether the wiring of the power supply and the ground of the Leiterplatte Ist vernünftig ist der Schlüssel zur Verringerung der elektromagnetischen Störungen der gesamten Leiterplatte. The Design Ein Problem, das im Leiterplatte, und ist oft eine schwierige Design. The Design sollte folgenden Grundsätzen folgen.

1) Wiring skills for power and ground
The wiring on the PCB is characterized by distributed parameters such as impedance, kapazitiver Reaktanz und induktiver Reaktanz. Um den Einfluss der Verteilungsparameter der Leiterplatte Verkabelung des elektronischen Hochgeschwindigkeitssystems, the wiring principles for the power supply and the ground are as follows:
1. Increase the spacing of the traces to reduce the crosstalk of capacitive coupling;
2. The power line and the ground line should be routed in parallel to make the distributed capacitance reach;
3. Je nach Größe des Tragstroms, Versuchen Sie, die Breite der Stromleitung und der Erdleitung so weit wie möglich zu erhöhen, Verringerung des Schleifenwiderstands, und gleichzeitig die Richtung der Stromleitung und der Erdungsleitung in jedem Funktionskreis konsistent mit der Übertragungsrichtung des Signals machen, die zur Verbesserung der Leistung beitragen. Anti-interference ability;
4. Stromversorgung und Erdung sollten direkt übereinander geführt werden, Dadurch wird der induktive Reaktanz reduziert und der Schleifenbereich vergrößert, and try to make the ground wire go under the power line as much as possible;
5. Je dicker der Erdungsdraht, die bessere, generally the width of the ground wire is not less than 3mm;
6. The ground wire is formed into a closed loop to reduce the potential difference on the ground wire and improve the anti-interference ability;
7. In der mehrschichtigen Leiterplattenverdrahtung Design, Eine der Schichten kann als "volle Bodenebene" verwendet werden, welche die Erdimpedanz reduzieren und gleichzeitig eine Abschirmrolle spielen können.

2) Grounding skills of each functional circuit
The grounding methods of each functional circuit of the Leiterplatte werden in Einpunkt- und Mehrpunkt-Erdung unterteilt. Die Einpunkt-Erdung wird je nach Anschlussform in Einpunkt-Reihenerdung und Einpunkt-Parallelerdung unterteilt. Die Einpunkt-Reihenerdung wird oft für die Schutzerdung verwendet, da die Länge jedes Erdungsdrahts unterschiedlich ist, Die Erdungsimpedanz jeder Schaltung ist unterschiedlich, und die elektromagnetische Verträglichkeit wird reduziert. Jeder Schaltkreis der Einpunkt-Parallelerdung hat seinen eigenen Erdungsdraht, so ist die gegenseitige Einmischung klein, aber es kann den Erdungsdraht verlängern und die Erdungsimpedanz erhöhen. Es wird oft für die Signalerdung verwendet, analoge Erdung, und Erdung. Mehrpunkt-Erdung bedeutet, dass jede Schaltung einen Erdungspunkt hat, wie in Abbildung 5 dargestellt. Mehrpunkt-Erdung wird häufig in Hochfrequenzschaltungen verwendet, mit kurzen Erdungsleitungen und kleinen Erdungsimpedanzwerten, Verringerung der Störung von Hochfrequenzsignalen. Um die Störung durch Erdung zu reduzieren, the grounding must also meet certain requirements:
1. Der Erdungskabel sollte so kurz wie möglich sein, and the ground plane should be large;
2. Avoid unnecessary ground loops and reduce the interference voltage of the common ground;
3. Das Erdungsprinzip besteht darin, verschiedene Erdungsmethoden für verschiedene Signale anzunehmen, and all groundings cannot be taken to the same grounding point;
4. Wann DesignMehrschichtige Leiterplatte, Die Stromversorgungsschicht und die Erdungsschicht sollten so weit wie möglich in die benachbarten Schichten gelegt werden, so that the capacitance between the layers can be formed in the circuit and the electromagnetic interference can be reduced;
5. Vermeiden Sie starke und schwache Stromsignale, digitale und analoge Signale im gemeinsamen Nenner.

3) Place the gridded plane
Gridding is an important Design Technik für Zweischichtplatten. Gitter ist, um den Erdungsdraht auf der Leiterplatte und das Bodenfüllmuster verwenden, um ein mit dem Boden verbundenes Netz aufzubauen, Bildung einer effektiven Bodenebene, das Geräusch wie eine vierschichtige Platine reduzieren kann. Es hat zwei Zwecke:. Nachahmung der Grundebene einer vierlagigen Platte, Bereitstellung eines Rücklaufpfades unten für jede Signalleitung; 2. Verringerung der Impedanz zwischen Mikroprozessor und Spannungsregler. Die Grundsätze, auf die geachtet werden sollte, wenn Designing are:
1. Each ground wire extends to fill the space of the printed circuit board as much as possible;
2. Place as many grilles as possible on the two-layer board;
3. Use as many through holes as possible to connect the top and bottom grids when the size is appropriate;
4. Die Linien müssen nicht rechtwinklig oder gleich breit sein.

4) Use of high frequency decoupling capacitors and ferrite beads
In digital circuits, wenn sich der Zustand des Logikgatters ändert, Ein großer Spike wird am Netzteil erzeugt, Bildung einer momentanen Rauschspannung. In diesem Fall, Entkopplungskondensatoren oder Ferritperlen werden im Allgemeinen verwendet, um die plötzliche Änderung des Stroms zu begrenzen. Änderung zur Reduzierung der Strahlung. Normalerweise, Hochfrequenz-Entkopplungskondensator mit einer Kapazität von ca. 0.01μF­0.1μF wird zwischen der Stromversorgung und der Masse jedes Chips hinzugefügt, Ferritperlen und Ferritperlen werden auf der Stromleitung in der Nähe des Chips platziert, um die Hochfrequenz von der Stromleitung zu blockieren. aktuelle Quelle. Wann Designing, try to:
1. Verwenden Sie Tantal-Kondensatoren anstelle von Aluminium-Elektrolytkondensatoren, which have large internal inductance;
2. Je näher der Kondensator am Chip ist, die bessere, and the lead of the decoupling capacitor should not be too long;
3. The ferrite beads are only used on the +V power supply line, not on the ground line;
4. Platzieren Sie die Ferritperlen so nah wie möglich an der Geräuschquelle.

2.4 Wiring principles of signal lines

1) Reduce the capacitive and inductive crosstalk of the line
Wann wiring, Es gibt kapazitives und induktives Übersprechen zwischen parallel verlaufenden Leitungen auch über kurze Distanzen. Wenn kapazitiv gekoppelt, Eine steigende Kante an der Quelle verursacht eine steigende Kante am Opfer. Mit induktiver Kupplung, Die Spannungsänderung am Opfer ist das Gegenteil der Änderung an der Quelle. Die meisten Übersprechen sind kapazitiv, und die Größe des Rauschens ist proportional zum parallelen Abstand, frequency, Amplitude der Quellspannung, und Opferimpedanz, und umgekehrt proportional zum Abstand sind die beiden Linien getrennt. Daher, the measures to reduce crosstalk are:
1. Keep the lines connected to the microprocessor that carry radio frequency noise away from other signals;
2. The return ground wire of the signal that may be the victim of noise should be routed below it;
3. Do not take noise lines on the outer edge of the circuit board;
4. Wenn möglich, route some noisy lines together and then surround them with a ground wire;
5. Halten Sie geräuschlose Leitungen von Bereichen auf dem Board fern, die anfällig für Geräusche sind, wie Steckverbinder, Oszillatorschaltungen, Relais, und Relaistreiber.

2) Reasonably arrange the number of return ground wires
In the computer industry, Es ist eine gängige Praxis, mindestens einen Erdungskabel für jedes 9-Signalkabel in einem Kabel oder Kabel zu haben. Bei hohen Geschwindigkeiten, dieses Verhältnis ändert sich auf 5:1. Grundsätze, die berücksichtigt werden können, wenn Designing signal lines and return lines:
1. is that each signal line in the cable has a return ground wire to form a twisted pair;
2. Do not exceed one return ground for every 9 signal lines;
3. Wenn das Kabel mehr als einen Fuß lang ist, there should be a return ground wire for every 4 signal wires;
4. Wenn möglich, Eine massive Metallhalterung sollte als mechanische Halterung verwendet werden, zwischen den beiden Leiterplatten gelötet, sowohl als Montagebügel als auch als zuverlässige HF-Rücklaufmasse.

3) Other wiring principles
1. Die Kupferfolie, die als Draht verwendet wird, macht die Impedanz des Drahtes bei einer 90-Grad-Drehung diskontinuierlich, die Reflexionsstörungen verursachen können, So sollte der 90-Grad-Draht auf eine 135-Grad-Spur geändert werden, which will help reduce reflection interference;
2. Für die Leiterplatte mit doppelseitiger Verdrahtung, the wiring of the upper and lower layers should cross vertically to reduce coupling and help suppress interference;
3. Isolierte Verkabelung wird verwendet. In vielen Schaltungen, die parallel geführt werden müssen, a grounded isolated wiring can be considered to be added to the two signal lines;
4. Alle Leitungen sollten möglichst entlang des Gleichstrombodens verlegt werden, and try to avoid laying along the AC ground;
5. Kurzverdrahtung verwenden. Für den Fall, dass die Leitungen nicht angeordnet oder nur durch Wickeln in großen Kreisen verbunden werden können, Einfach mit isolierten "fliegenden Drähten" anstelle von gedruckten Drähten verbinden, or directly bridge with the leads of resistance-capacitance components;
6. Der Gleichstromkreis sollte weg vom Wechselstromkreis verdrahtet werden, and the input signal line and the output signal line should be separated;
7. Signalspuren sollten keine Verzweigungen haben, and should be connected from one component to the next to avoid reflection interference or harmonic interference;
8. Die hochfrequenten Signalleitungen wie Uhren sollten nahe an der Erdungsleitung geführt werden, um den Schleifenbereich zu machen, um differentielle Modestrahlung zu reduzieren.

3. Conclusion
It is impossible to completely eliminate electromagnetic interference in electronic products. Wir können nur notwendige Maßnahmen ergreifen, um elektromagnetische Störungen zu reduzieren und elektromagnetische Störungen innerhalb eines bestimmten Bereichs zu kontrollieren. Eine gute Leiterplatte Design ist die Verringerung elektromagnetischer Störungen. wichtiger Teil. When Designg einer Leiterplatte, Sie können sich auf die Design oben genannte Grundsätze, aber diese Prinzipien sind nicht statisch. Verschiedene Anti-Interferenz-Methoden sollten entsprechend den spezifischen Schaltungsbedingungen flexibel angewendet werden, um die Anforderungen der elektromagnetischen Verträglichkeit zu erfüllen. Dies erfordert LeiterplatteDesign Die übliche Erfahrungssammlung und Zusammenfassung.