Präzisions-Leiterplattenherstellung, Hochfrequenz-Leiterplatten, mehrschichtige Leiterplatten und Leiterplattenbestückung.
PCB-Blog
Design der elektromagnetischen Verträglichkeit basierend auf Leiterplatte
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Design der elektromagnetischen Verträglichkeit basierend auf Leiterplatte

2022-03-04
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Author:pcb

1. Introduction to PCB
PCB, der chinesische Name ist Leiterplatten,ist eine wichtige elektronische Komponente, Stützkörper für elektronische Bauteile, und Anbieter von elektrischen Anschlüssen für elektronische Bauteile. Weil es mit elektronischem Druck hergestellt wird, es wird eine "gedruckte" Leiterplatte genannt. Erfinder der Leiterplatte war der Österreicher Paul Eisler, der in 1936 die Leiterplatte in einem Funkgerät verwendete. In 1943, Amerikaner verwendeten die Technologie ausgiebig in militärischen Radios. Im Januar, Die Vereinigten Staaten haben die Erfindung offiziell für kommerzielle Zwecke anerkannt. Die Leiterplattentechnologie ist erst seit Mitte der 1950er Jahre weit verbreitet. Vor dem Aufkommen von Leiterplatten, Die Verbindung zwischen elektronischen Komponenten wurde durch direkte Verbindung von Drähten erreicht. Jetzt, Schalttafeln existieren nur als wirksame experimentelle Werkzeuge; Leiterplatten haben die Elektronikindustrie dominiert. Klassifizierung nach der Anzahl der Schaltungsschichten: unterteilt in einseitig, doppelseitige und mehrschichtige Platten. Allgemeine mehrschichtige Bretter sind in der Regel 4-schichtige Bretter oder 6-schichtige Bretter, und komplexe Mehrschichtplatten können mehr als zehn Schichten erreichen.

Leiterplatten

1. Es gibt drei Hauptabteilungstypen: Leiterplatte:
1) Single panel
A single-sided board is a basic PCB with parts concentrated on one side and wires on the other side. Weil die Drähte nur auf einer Seite erscheinen, Diese Art von PCB wird einseitig genannt. Weil einzelne Platinen viele strenge Einschränkungen beim Entwurf von Schaltungen haben, Nur frühe Schaltungen verwendeten diese Arten von Leiterplatten.
2) Double panel
The double-sided circuit board has wiring on both sides, aber die Drähte auf beiden Seiten zu verwenden, Es muss eine ordnungsgemäße Schaltungsanbindung zwischen den beiden Seiten vorhanden sein. Solche "Brücken" zwischen Schaltungen werden Vias genannt. Vias sind kleine Löcher auf einer Leiterplatte, gefüllt oder lackiert mit Metall, die beidseitig mit Drähten verbunden werden können. Weil doppelseitige Platten die doppelte Fläche von einseitigen Platten haben, und weil Verkabelung ineinandergreifen kann, Es ist besser geeignet für komplexere Schaltungen als einseitige Leiterplatten.
3) Multilayer board
In order to increase the area that can be wired, Mehrschichtplatinen verwenden mehr ein- oder doppelseitige Verdrahtungsplatinen. Eine Leiterplatte mit einer doppelseitigen Innenschicht, zwei einseitige Außenschichten, oder zwei doppelseitige Innenschichten und zwei einseitige Außenschichten, abwechselnd durch Positioniersystem und isolierende Klebematerialien, und leitfähige Muster. Leiterplatten, die nach Konstruktionsanforderungen miteinander verbunden sind, werden vierschichtig und sechsschichtig Leiterplatten, auch bekannt als mehrschichtige Leiterplatten. Die Anzahl der Schichten der Platine stellt mehrere unabhängige Verdrahtungsschichten dar, in der Regel ist die Anzahl der Schichten gerade, und umfasst die beiden äußeren Schichten. Die meisten Motherboards sind 4- bis 8-lagig aufgebaut, aber technisch, fast 100-lagig Leiterplattes kann erreicht werden. Die meisten großen Supercomputer verwenden mehrschichtige Motherboards, aber weil solche Computer durch Cluster vieler gewöhnlicher Computer ersetzt werden können, Ultra-Multi-Layer Boards sind allmählich aus dem Gebrauch gefallen. Weil die Schichten in der Leiterplatte dicht miteinander verbunden sind, Es ist im Allgemeinen nicht einfach, die tatsächliche Zahl zu sehen, aber wenn man genau auf das Motherboard schaut, Du kannst es immer noch sehen.

Nach der weichen und harten Klassifizierung, Es ist in gewöhnliche Leiterplatten und flexible Leiterplatten unterteilt. PCB ist eine Arbeitsplattform für Schaltungskomponenten in elektronischen Geräten. Es stellt elektrische Verbindungen zwischen Schaltungskomponenten bereit. Seine Leistung steht in direktem Zusammenhang mit der Qualität elektronischer Geräte. Mit der schnellen Entwicklung der Mikroelektronik-Technologie und der Verbesserung der Schaltungsintegration, die Dichte der Komponenten auf der Leiterplatte wird immer höher und höher, und die Systemarbeitsgeschwindigkeit wird immer schneller, was das Design der elektromagnetischen Kompatibilität der Leiterplatte immer wichtiger macht, Der Schlüssel zum stabilen und normalen Betrieb des Systems.

2. Common EMI in PCB

There are two ways to solve the electromagnetic compatibility problem in PCB Design: active reduction and passive compensation. Aus diesem Grund, Störquelle und Ausbreitungsweg elektromagnetischer Störungen müssen analysiert werden. Elektromagnetische Störungen, die normalerweise im PCB-Design vorhanden sind, umfassen:, Übersprechen und Strahlungsstörungen.
2.1 Conducted interference
Conducted interference mainly affects other circuits through wire coupling and common mode impedance coupling. Zum Beispiel, wenn Geräusche durch einen Stromversorgungskreis in ein System gelangen, Alle Schaltungen, die das Netzteil verwenden, werden betroffen sein. Abbildung 1 zeigt, dass das Rauschen durch die Gleichtaktimpedanz gekoppelt ist. Schaltung 1 und Schaltung 2 verwenden einen gemeinsamen Draht, um die Versorgungsspannung und die Erdung zurückzuerhalten. Wenn die Spannung der Schaltung 1 plötzlich steigen muss, Dann muss die Spannung der Schaltung 2 auf die gemeinsame Stromversorgung zurückzuführen sein und die Impedanz zwischen den beiden Schaltungen sinkt.
2.2 Crosstalk Störung
Crosstalk is when one signal line interferes with another adjacent signal path. Es tritt normalerweise auf benachbarten Schaltungen und Leitern auf, und zeichnet sich durch die gegenseitige Kapazität und gegenseitige Induktivität von Schaltungen und Leitern aus. Zum Beispiel, Eine Streifenleitung auf der Leiterplatte trägt ein Low-Level-Signal, und wenn die Länge der Parallelverdrahtung 10cm übersteigt, Übersprechen wird Störungen auftreten. Da das Übersprechen durch die gegenseitige Kapazität des elektrischen Feldes und die gegenseitige Induktivität des Magnetfeldes verursacht werden kann, bei der Betrachtung des Übersprecheproblems auf der Leiterplattenstreife, Das Hauptproblem besteht darin zu bestimmen, welches elektrische Feld und die Magnetfeldkopplung der Hauptfaktor ist.
2.3 Radiated Interference
Radiated interference is the interference introduced by the radiation of space electromagnetic waves. Die Strahlungsstörung in der Leiterplatte ist hauptsächlich die Gleichtaktstrom-Strahlungsstörung zwischen Kabeln und internen Leiterbahnen. Das Problem der Feld-zu-Leitung Kopplung tritt auf, wenn elektromagnetische Wellen auf eine Übertragungsleitung abgestrahlt werden. Verteilte kleine Spannungsquellen entlang der Leitung können in Gleichtakt- und Differenztaktkomponenten zerlegt werden. Gleichtaktstrom bezieht sich auf den Strom auf den beiden Drähten mit einer kleinen Amplitudendifferenz, aber der gleichen Phase, Während sich der Differenzmodenstrom auf den Strom auf den beiden Drähten mit gleicher Amplitude und entgegengesetzter Phase bezieht.

3. Electromagnetic compatibility design of PCB
With the increasing density of electronic components and circuits on the Leiterplatte, zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Stabilität des Systems, Entsprechende Maßnahmen sind zu treffen, um die Gestaltung der Leiterplatte erfüllen die Anforderungen der elektromagnetischen Verträglichkeit und verbessern die Störschutzleistung des Systems.

3.1 Auswahl von Leiterplatte
In Leiterplatte design, Übersprechen zwischen Signalen auf benachbarten Übertragungsleitungen durch gegenseitige Kopplung elektromagnetischer Felder. Daher, bei der Auslegung der elektromagnetischen Verträglichkeit von Leiterplatten, Betrachten Sie zuerst die Größe der Leiterplatte. Die Größe der Leiterplatte ist zu groß, die gedruckte Linie ist zu lang, Und die Impedanz Es wird unweigerlich zunehmen, die Anti-Lärm Fähigkeit wird abnehmen, und die Kosten werden ebenfalls steigen; wenn die Leiterplattengröße zu klein ist, Übersprechen zwischen benachbarten Übertragungsleitungen ist anfällig, und die Wärmeableitungsleistung ist nicht gut. Die Anzahl der Schichten der Leiterplatte wird nach den umfassenden Faktoren der Stromversorgung bestimmt, Art des Bodens, die Dichte der Signalleitungen, die Signalfrequenz, Anzahl der Signale, die für spezielle Verkabelungen erforderlich sind, die umgebenden Elemente, und Kosten und Preis. Um die strengen Anforderungen der EMV zu erfüllen und die Herstellungskosten zu berücksichtigen, Eine geeignete Erhöhung der Masseebene ist eine der Methoden des PCB EMV Designs. Für die Versorgungsschicht, Die interne elektrische Schichtteilung kann im Allgemeinen die Bedürfnisse mehrerer Netzteile erfüllen, aber wenn mehrere Netzteile benötigt werden und ineinander geschaltet sind, zwei oder mehr Schichten von Stromversorgungsebenen müssen berücksichtigt werden. Für die Signalschicht, zusätzlich zur Berücksichtigung der Routingdichte von Signalleitungen, aus EMV-Sicht, Es ist auch notwendig, die Abschirmung oder Isolierung von Schlüsselsignalen zu berücksichtigen, um festzustellen, ob die Anzahl der entsprechenden Schichten erhöht werden soll.

3.2 PCB layout design
The layout of the PCB should generally follow the following principles:
(1) Try to shorten the connection between high-frequency components and reduce their distribution parameters and mutual electromagnetic interference. Leicht störende Komponenten sollten nicht zu nah beieinander liegen, und der Ein- und Ausgang sollte so weit wie möglich entfernt gehalten werden.
(2) There may be a high voltage between some components or wires, und der Abstand zwischen ihnen sollte erhöht werden, um versehentlichen Kurzschluss durch Entladung zu vermeiden.
(3) The device with large heat generation should leave space for the heat sink, oder installieren Sie es sogar auf der Bodenplatte der gesamten Maschine, um Wärmeableitung zu erleichtern. Thermische Elemente sollten von Heizelementen ferngehalten werden.
(4) Arrange the position of each functional unit according to the circuit flow, so dass das Layout für die Signalzirkulation bequem ist, und das Signal kann die gleiche Richtung wie möglich halten.
(5) Take the component of each functional module as the center, und um ihn herum anordnen, um die Leitungs- und Verbindungslänge zwischen Komponenten zu minimieren und zu verkürzen.
(6) Comprehensively consider the distribution parameters among the components. Die Komponenten möglichst parallel anordnen, das nicht nur förderlich ist, die Anti-Interferenz-Fähigkeit zu verbessern, hat aber auch ein schönes Aussehen und ist einfach in der Massenproduktion.

3.3 Layout design of components
Compared with discrete components, Integrierte Schaltungskomponenten haben die Vorteile einer guten Abdichtung, weniger Lötstellen und geringe Ausfallrate, und sollte bevorzugt werden. Zur gleichen Zeit, Die Wahl eines Geräts mit einer langsameren Signalneigung kann die durch das Signal erzeugten Hochfrequenzkomponenten reduzieren. Der volle Einsatz von SMD-Komponenten kann die Länge der Verbindung verkürzen, die Impedanz reduzieren, und die elektromagnetische Verträglichkeit verbessern. Beim Anordnen von Bauteilen, zuerst gruppieren Sie sie in einer bestimmten Weise, Sie in derselben Gruppe zusammenfügen, und inkompatible Komponenten separat anordnen, um sicherzustellen, dass die Komponenten sich im Raum nicht gegenseitig stören. Darüber hinaus, Schwere Bauteile sollten mit Klammern befestigt werden.

3.4 Verkabelung von Leiterplatte
Das allgemeine Prinzip des PCB-Layoutdesigns besteht darin, zuerst die Uhr und empfindliche Signalleitungen zu verlegen, und dann die Hochgeschwindigkeitssignalleitungen auslegen, und die unwichtigen Signalleitungen. Beim Verdrahten, unter der Prämisse des allgemeinen Grundsatzes, the following details need to be considered:
(1) In the multi-layer board wiring, a "well"-shaped network structure is used between adjacent layers;
(2) Reduce wire bending and avoid sudden change in wire width. Um charakteristische Impedanzänderungen zu verhindern, the corners of the signal lines should be designed into arcs or connected with 45-degree broken lines;
(3) The distance between the outer conductors or components of the Leiterplatte ist nicht weniger als 2mm vom Rand der Leiterplatte entfernt, das nicht nur verhindert, dass sich die charakteristische Impedanz ändert, but also facilitates PCB clamping;
(4) For devices that must lay a large area of copper foil, they should be grid-shaped and connected to the ground through vias;
(5) Short and thin wires can effectively suppress interference, aber zu kleine Drahtbreite erhöht den Drahtwiderstand. Die Breite des Drahtes hängt vom Strom ab, der durch den Draht fließt. Im Allgemeinen, für Kupfer mit einer Dicke von 0.05mm und eine Breite von 1mm Die zulässige Strombelastung der Folie beträgt 1A. Für digitale integrierte Schaltungen mit geringer Leistung, die Linienbreite von 0.2-0.5mm kann ausgewählt werden. In der gleichen Leiterplatte, Die Breite der Erdungs- und Stromleitungen sollte größer sein als die der Signalleitungen.

3.5 Entwurf der Stromleitung Leiterplatte
(1) According to the size of the PCB current of the printed board, Versuchen Sie, die Breite der Stromleitung und der Erdungsleitung zu verdicken, um den Schleifenwiderstand zu reduzieren. Zur gleichen Zeit, Machen Sie die Richtung der Stromleitung und der Erdleitung konsistent mit der Richtung der Datenübertragung, das hilft, die Anti-Lärm-Fähigkeit zu verbessern. .
(2) Try to use SMD components, die Länge der Stifte verkürzen, Verringerung der Fläche der Entkopplungskondensatorstromschleife, und den Einfluss der verteilten Induktivität der Komponenten reduzieren.
(3) Add a power filter to the front end of the power transformer to suppress common mode noise and differential mode noise, und isolieren Sie die Störung von externen und internen Impulsgeräuschen.
(4) Filter capacitors and decoupling capacitors should be added to the power supply lines of the printed circuit board. Fügen Sie einen Elektrolytkondensator mit großer Kapazität zum Stromeingang der Platine für Niederfrequenzfilterung hinzu, und anschließen Sie dann einen Keramikkondensator mit geringer Kapazität parallel zur Hochfrequenzfilterung.
(5) Do not overlap the analog power supply and the digital power supply to avoid coupling capacitance and mutual interference.

3.6 Erdungsdraht Design von Leiterplatte
(1) In order to reduce the ground loop interference, Es ist notwendig, einen Weg zu finden, um die Bildung des Schleifenstroms zu beseitigen. Insbesondere, ein Trenntransformator, Optokoppler-Isolation, etc. kann verwendet werden, um die Bildung des Erdschleifenstroms abzuschneiden, oder eine Balanceschaltung kann verwendet werden, um den Schleifenstrom zu eliminieren.
(2) In order to eliminate the coupling of the common impedance, die Impedanz des gemeinsamen Erdungskabels sollte reduziert werden, Der Draht sollte verdickt werden oder Kupfer sollte auf den Erdungsdraht gelegt werden; auf der anderen Seite, gegenseitige Interferenzen können durch geeignete Erdungsmethoden vermieden werden, wie z.B. Einpunkt-Erdung parallel, Serie Hybrid-Einpunkt-Erdung eliminiert die gemeinsame Impedanz vollständig.
(3) In order to eliminate the interference of digital devices to analog devices, Digitale Masse und analoge Masse sollten getrennt werden, und analoge Masse und digitale Masse sollten separat eingestellt werden. Hochfrequenzschaltungen werden meist in Reihe geerdet. Der Erdungsdraht sollte kurz und dick sein, und die Umgebung hochfrequenter Bauteile sollte mit einer gitterartigen großen Kupferfläche abgeschirmt werden.

3.7 Layout der Kristalloszillatorschaltung auf Leiterplatte
Die Frequenz der Kristalloszillatorschaltung ist hoch, was es zu einer wichtigen Störquelle im System macht. Bezüglich des Layouts der Kristalloszillatorschaltung, there are the following considerations:
(1) The crystal oscillator circuit is as close as possible to the integrated block, und alle gedruckten Linien, die den Eingang verbinden/Die Ausgangsklemmen des Kristalloszillators sind so kurz wie möglich, um den Einfluss von Störeinflüssen und verteilter Kapazität auf den Kristalloszillator zu reduzieren.
(2) The ground wire of the crystal oscillator capacitor should be connected to the device using the wide and short printed wire as possible; the digital ground pins close to the crystal oscillator should minimize the number of vias.
(3) The crystal case is grounded.

3.8 Konstruktion des elektrostatischen Schutzes Leiterplatte
Elektrostatische Entladung zeichnet sich durch ein hohes Potential aus, geringe Ladung, hoher Strom und kurze Zeit. The electrostatic protection of PCB design can be considered from the following aspects:
(1) Try to choose components with high anti-static level, Empfindliche und empfindliche Bauteile mit schlechter antistatischer Fähigkeit sollten von elektrostatischen Entladequellen ferngehalten werden. Tests haben gezeigt, dass der Ausfallabstand jedes Kilovolts elektrostatischer Spannung ca. 1mm beträgt, also wenn die Komponenten in einem Abstand von 16mm von der elektrostatischen Entladequelle gehalten werden, the electrostatic voltage of about 16KV can be resisted;
(2) Ensure that the signal return has a short path, and selectively add filter capacitors and decoupling capacitors to improve the electrostatic discharge immunity of the signal line;
(3) Use protection devices such as voltage transient suppression diodes to protect the circuit;
(4) Relevant personnel must wear an electrostatic wristband when touching the PCB to avoid electrostatic accumulation damage caused by the movement of human charge.

4. Conclusion
PCB electromagnetic compatibility design is to reduce external electromagnetic radiation and improve the ability to resist electromagnetic interference. Angemessene Anordnung und Verkabelung sind der Schlüssel zum Design. Die verschiedenen in diesem Artikel beschriebenen Methoden und Techniken sind von Vorteil, um die EMV-Eigenschaften von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten zu verbessern. Natürlich, Diese sind nur ein Teil des EMV-Designs. Reflektierte Geräusche, Ausstrahlungsgeräusche, und andere verfahrenstechnische Fragen werden in der Regel berücksichtigt. Interference. Im eigentlichen Design, angemessene anti-elektromagnetische Interferenzmaßnahmen sollten entsprechend den Entwurfszielanforderungen und Entwurfsbedingungen angenommen werden, Es sollten umfassende Überlegungen getroffen werden, um die Leiterplatten mit guter EMV-Leistung.