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Leiterplatte Blog - EMV/EMI Steuerungstechnik im Leiterplattendesign

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EMV/EMI Steuerungstechnik im Leiterplattendesign

2022-03-01
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Author:pcb

Dieser Artikel stellt EMI-Steuerungstechnologie in der digitalen Leiterplattendesign vor. Mit der Verbesserung der IC-Geräteintegration, der allmählichen Miniaturisierung von Geräten und der zunehmenden Geschwindigkeit von Geräten ist das EMI-Problem in elektronischen Produkten auch ernster. Aus der Sicht der Systemausrüstung EMV/EMI Design ist der Umgang mit EMV/EMI Problemen in der Leiterplattendesignphase der Ausrüstung ein effektives und kostengünstiges Mittel, um die Systemausrüstung den Normen der elektromagnetischen Verträglichkeit zu entsprechen.1 Prinzipien der EMI-Erzeugung und -Unterdrückung EMI entsteht aus Quellen elektromagnetischer Störungen, die Energie über Kopplungspfade an empfindliche Systeme übertragen. Es umfasst drei grundlegende Formen: Leitung durch Draht oder gemeinsame Erde, Strahlung durch Raum oder Kopplung durch Nahfeld. Die Gefahr einer EMI besteht darin, die Qualität des Übertragungssignals zu verringern, Störungen oder sogar Schäden an der Schaltung oder Ausrüstung zu verursachen, so dass die Ausrüstung nicht die technischen Indexanforderungen erfüllen kann, die in der Norm für elektromagnetische Verträglichkeit festgelegt sind. Um EMI zu unterdrücken, sollte das EMI-Design digitaler Schaltungen nach folgenden Grundsätzen durchgeführt werden: Gemäß den einschlägigen EMV/EMI-technischen Spezifikationen werden die Indikatoren in Einplatinenschaltungen zerlegt und stufenweise gesteuert. Von den drei Elementen der EMI, d.h. der Störquelle, dem Energiekopplungspfad und dem empfindlichen System, wird es gesteuert, um die Schaltung einen flachen Frequenzgang haben zu lassen und den normalen und stabilen Betrieb der Schaltung sicherzustellen. Beginnen Sie mit dem Frontend-Design der Geräte, achten Sie auf das EMV/EMI-Design und reduzieren Sie die Designkosten.

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2. EMI-Steuerungstechnologie der digitalen LeiterplattenBeim Umgang mit verschiedenen Formen von EMI müssen spezifische Probleme analysiert werden. Beim Leiterplattendesign von digitalen Schaltungen kann die EMI-Steuerung unter den folgenden Aspekten durchgeführt werden.2.1 Geräteauswahl Im EMI-Design ist die Geschwindigkeit des ausgewählten Geräts als erstes zu berücksichtigen. Jede Schaltung, die ein Gerät mit einer 5ns Anstiegszeit durch ein Gerät mit einer 2,5ns Anstiegszeit ersetzt, erhöht die EMI um einen Faktor von etwa 4. Die abgestrahlte Intensität des EMI ist proportional zum Quadrat der Frequenz, und die EMI-Frequenz (fknee) wird auch EMI-Emissionsbandbreite genannt, die eine Funktion der Signalanstiegszeit und nicht der Signalfrequenz ist: fknee =0.35/Tr (wobei Tr die Signalanstiegszeit des Geräts ist). Der Frequenzbereich dieser Art von abgestrahlten EMI beträgt 30MHz bis mehrere GHz, und in diesem Frequenzband sind die Wellenlängen so kurz, dass selbst sehr kurze Verkabelungen auf einer Leiterplatte zu einer Sendeantenne werden können. Wenn EMI hoch ist, neigt die Schaltung dazu, ihre normale Funktion zu verlieren. Daher sollten im Hinblick auf die Geräteauswahl unter der Voraussetzung, dass die Anforderungen an die Schaltungsleistung erfüllt werden, Low-Speed-Chips so weit wie möglich verwendet und geeignete Antriebs-/Empfangskreise verwendet werden. Da die Bleistifte des Geräts parasitäre Induktivität und parasitäre Kapazität aufweisen, kann der Einfluss der Geräteverpackungsform auf das Signal nicht ignoriert werden, da es auch ein wichtiger Faktor für EMI-Strahlung ist. Im Allgemeinen sind die parasitären Parameter von SMD-Geräten kleiner als die von Steckvorrichtungen, und die parasitären Parameter von BGA-Paketen sind kleiner als die von QFP-Paketen.2.2 Steckerauswahl und SignalklemmendefinitionConnector ist das Schlüsselglied der Hochgeschwindigkeitssignalübertragung, und es ist auch die schwache Verbindung, die anfällig für EMI ist. Im Anschlussdesign des Steckers können mehr Massepunkte angeordnet werden, um den Abstand zwischen dem Signal und der Masse zu verringern, den effektiven Signalschleifenbereich zu verringern, der Strahlung im Stecker erzeugt, und einen niederohmigen Rückweg bereitzustellen. Wenn nötig, erwägen Sie, einige Schlüsselsignale mit Massepunkten zu isolieren.2.3 LaminatentwurfUnter der Voraussetzung der Kostenzulassung kann die Erhöhung der Anzahl der Masseschichten und die Platzierung der Signalschicht neben der Masseplanschicht EMI-Strahlung reduzieren. Bei Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten werden die Leistungs- und Masseebenen in unmittelbarer Nähe gekoppelt, um die Spannungsversorgungsimpedanz zu reduzieren und dadurch EMI zu reduzieren.2.4 LayoutEntsprechend dem Signalstromfluss kann ein vernünftiges Layout die Interferenz zwischen Signalen verringern. Das richtige Layout ist der Schlüssel zur Steuerung von EMI. Die Grundprinzipien des Layouts sind: Analoge Signale sind anfällig für Störungen durch digitale Signale, und analoge Schaltungen sollten von digitalen Schaltungen getrennt werden; Die Taktleitung ist die Hauptquelle für Störungen und Strahlung, daher sollte sie von empfindlichen Schaltkreisen ferngehalten werden und die Taktspuren kurz halten; Der Stromableitungskreis sollte so weit wie möglich im zentralen Bereich der Platine vermieden werden, und der Einfluss von Wärmeableitung und Strahlung sollte gleichzeitig berücksichtigt werden; Der Stecker sollte so weit wie möglich auf einer Seite der Platine angeordnet sein, und weg von der Hochfrequenzschaltung; Die Eingangs-/Ausgangsschaltung befindet sich in der Nähe des entsprechenden Anschlusses und der Entkopplungskondensator befindet sich in der Nähe der entsprechenden Stromversorgungsstifte; die Durchführbarkeit des Layouts für die Leistungsteilung umfassend zu prüfen, sollten Mehrleistungsgeräte über die Grenze des Leistungsteilungsbereichs platziert werden, um die Auswirkungen der Ebenenteilung auf die EMI wirksam zu verringern; Die Rücklaufebene (Pfad) ist nicht geteilt.2.5 VerdrahtungsImpedanzsteuerung: Hochgeschwindigkeitssignalleitungen weisen die Eigenschaften von Übertragungsleitungen auf, und Impedanzsteuerung ist erforderlich, um Signalreflexion, Überschwingen und Klingeln zu vermeiden und EMI-Strahlung zu reduzieren.Klassifizieren Sie die Signale, und trennen Sie die Störquelle vom empfindlichen System so weit wie möglich entsprechend der EMI-Strahlungsintensität und Empfindlichkeit verschiedener Signale (Analogsignal, Taktsignal, I/O-Signal, Bus, Stromversorgung, etc.), um Kopplung zu reduzieren. Kontrollieren Sie streng die Spurenlänge, Anzahl der Durchgänge, Querfächer, Abschlüsse, Routing-Schichten, Rückläufe usw. von Taktsignalen (insbesondere Hochgeschwindigkeits-Taktsignale). Die Signalschleife, das heißt die Schleife, die durch das Signal gebildet wird, das zum hereinkommenden Signal fließt, ist der Schlüssel zur EMI-Steuerung im Leiterplattendesign und muss während der Verdrahtung gesteuert werden. Um die Fließrichtung jedes Schlüsselsignals zu verstehen, leiten Sie das Schlüsselsignal nahe an den Rückweg, um seinen Schleifenbereich sicherzustellen. Für niederfrequente Signale, lassen Sie den Strom durch den Pfad des Widerstands fließen; Für Hochfrequenzsignale, lassen Sie den Hochfrequenzstrom durch den Weg der Induktivität fließen, nicht den Widerstand. Bei differentieller Modenstrahlung ist die EMI-Strahlungsintensität (E) proportional zum Strom, der Fläche der Stromschleife und dem Quadrat der Frequenz. (wobei I der Strom ist, A ist der Schleifenbereich, f ist die Frequenz, r ist der Abstand zum Zentrum der Schleife, und k ist eine Konstante.) Daher, wenn der Induktorrücklauf gerade unter dem Signaldraht ist, kann der Stromschleifenbereich reduziert werden, wodurch EMI-Strahlungsenergie reduziert wird. Kritische Signale dürfen den segmentierten Bereich nicht durchqueren. Hochgeschwindigkeits-Differenzsignalspuren sollten so eng wie möglich gekoppelt sein. Stellen Sie sicher, dass Striplines, Mikrostreifenlinien und ihre Bezugsebenen die Anforderungen erfüllen. Die Leitungen der Entkopplungskondensatoren sollten kurz und breit sein. Alle Signalspuren sollten so weit wie möglich vom Rand der Platine entfernt gehalten werden. Wählen Sie für Mehrpunktverbindungsnetze eine geeignete Topologie, um Signalreflexionen zu reduzieren und EMI-Emissionen zu reduzieren.2.6 Split Processing of Power PlaneFür die Aufteilung der Stromversorgungsschicht, wenn sich ein oder mehrere Sub-Netzteile auf einer Hauptstromversorgungsebene befinden, sollten die Kontinuität jedes Versorgungsbereichs und eine ausreichende Kupferfolienbreite