PCB-Technologie - EMV/EMI Steuerungstechnik im Leiterplattendesign

Mit der Verbesserung der IC-Geräteintegration, die allmähliche Miniaturisierung der Geräte und die zunehmende Geschwindigkeit der Geräte, Das EWI-Problem bei elektronischen Produkten ist ernster geworden. Aus Sicht der EMV/EMI-Auslegung der Systemausrüstung, ordnungsgemäßer Umgang mit EMV/EWI-Fragen im PCB-Design Stufe der Ausrüstung ist die effektivste und kostengünstigste Methode für Systemausrüstung, um elektromagnetische Kompatibilitätsstandards zu erfüllen. Dieser Artikel stellt EMI-Steuerungstechnik in digitaler Schaltung vor PCB-Design.

1 Prinzip der Erzeugung und Unterdrückung von EMI

Die Erzeugung von EMI wird dadurch verursacht, dass die elektromagnetische Störquelle Energie über den Kopplungspfad an das empfindliche System überträgt. Es umfasst drei Grundformen: Leitung über Draht oder Common Ground, Strahlung durch Raum oder Nahfeld-Kopplung. Die Gefahr von EMI manifestiert sich in der Verringerung der Qualität des Übertragungssignals, verursacht Störungen oder sogar Schäden an der Schaltung oder Ausrüstung, wodurch die Ausrüstung nicht in der Lage ist, die technischen Indexanforderungen zu erfüllen, die durch die Norm für elektromagnetische Verträglichkeit festgelegt sind.

Um EMI zu unterdrücken, sollte das EMI-Design von digitalen Schaltungen nach folgenden Prinzipien durchgeführt werden:

Entsprechend den einschlägigen EMV/EMI technischen Spezifikationen werden die Indikatoren in Einplatinenschaltungen zerlegt und auf verschiedenen Ebenen gesteuert.

Steuerung von den drei Elementen des EMI, nämlich Störquelle, Energiekopplungspfad und empfindliches System, so dass die Schaltung einen flachen Frequenzgang hat und den normalen und stabilen Betrieb der Schaltung gewährleistet.

Beginnen Sie mit dem Frontend-Design der Ausrüstung, achten Sie auf das EMV/EMI-Design und reduzieren Sie die Designkosten.

2 EMI control technology of digital circuit PCB

Im Umgang mit verschiedenen Formen von EMI müssen spezifische Probleme detailliert analysiert werden. Beim PCB-Design von digitalen Schaltungen kann EMI von den folgenden Aspekten gesteuert werden.

2.1 Geräteauswahl

Bei der Entwicklung von EMI müssen wir zuerst die Geschwindigkeit des ausgewählten Geräts berücksichtigen. Wenn in jeder Schaltung ein Gerät mit einer Anstiegszeit von 5ns durch ein Gerät mit einer Anstiegszeit von 2,5ns ersetzt wird, erhöht sich die EMI um etwa das Vierfache. Die Strahlungsintensität des EMI ist proportional zum Quadrat der Frequenz. Die höchste EMI-Frequenz (fknee) wird auch EMI-Emissionsbandbreite genannt. Es ist eine Funktion der Signalanstiegszeit anstatt der Signalfrequenz: fknee;0.35/Tr (wobei Tr die Signalanstiegszeit des Geräts ist)

Der Frequenzbereich dieser abgestrahlten EMI beträgt 30MHz bis mehrere GHz. In diesem Frequenzband ist die Wellenlänge sehr kurz, und selbst sehr kurze Verkabelungen auf der Leiterplatte können zu einer Sendeantenne werden. Wenn die EMI hoch ist, verliert die Schaltung leicht ihre normale Funktion. Daher sollten bei der Auswahl von Geräten unter der Prämisse der Sicherstellung der Leistungsanforderungen der Schaltung Low-Speed-Chips so viel wie möglich verwendet werden, und ein geeigneter Antriebs-/Empfangskreis sollte angenommen werden. Da die Bleistifte des Geräts alle parasitäre Induktivität und parasitäre Kapazität aufweisen, kann der Einfluss der Gerätepaketform auf das Signal nicht ignoriert werden, da es auch ein wichtiger Faktor bei der Erzeugung von EMI-Strahlung ist. Im Allgemeinen sind die parasitären Parameter von SMD-Geräten kleiner als die von Plug-in-Geräten und die parasitären Parameter von BGA-Paketen kleiner als QFP-Pakete.

2.2 Steckerauswahl und Signalklemmendefinition

Der Stecker ist ein Schlüsselglied in der Hochgeschwindigkeitssignalübertragung und es ist auch ein schwaches Glied, das anfällig für EMI ist. Mehr Massepunkte können im Klemmendesign des Steckers 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. Bei Bedarf sollten Sie einige Schlüsselsignale mit Massepunkten isolieren.

2.3 gestapeltes Design

Unter der Voraussetzung der Kostenzulassung kann die Erhöhung der Anzahl der Masseebenen und das Platzieren der Signalschicht in der Nähe der Masseebene die EMI-Strahlung reduzieren. Bei Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten sind die Leistungsebene und die Masseebene eng gekoppelt, was die Stromversorgungsimpedanz verringern und dadurch EMI reduzieren kann.

2.4 Layout

Entsprechend dem Signalstromfluss kann ein vernünftiges Layout die Interferenzen zwischen Signalen reduzieren. Ein vernünftiges Layout ist der Schlüssel zur Steuerung von EMI. Die Grundprinzipien des Layouts sind:

Das analoge Signal wird leicht durch das digitale Signal gestört, und die analoge Schaltung sollte von der digitalen Schaltung getrennt werden;

Die Taktleitung ist die Hauptquelle für Störungen und Strahlung. Halten Sie sich von empfindlichen Schaltkreisen fern und halten Sie die Taktleitung am kürzesten;

Hochstromkreise mit hoher Leistung sollten so weit wie möglich im zentralen Bereich der Platine vermieden werden, und die Auswirkungen der Wärmeableitung und Strahlung sollten berücksichtigt werden;

Der Stecker sollte auf einer Seite der Platine so weit wie möglich und weit weg von der Hochfrequenzschaltung angeordnet sein;

Die Eingangs-/Ausgangsschaltung befindet sich in der Nähe des entsprechenden Anschlusses, und der Entkopplungskondensator befindet sich in der Nähe des entsprechenden Netzteilstifts;

Berücksichtigen Sie die Machbarkeit des Layouts für die Stromversorgungsabteilung vollständig, und Multi-Power-Geräte sollten über die Grenze des Stromversorgungsabteilungsbereichs platziert werden, um die Auswirkungen der Planenteilung auf EMI effektiv zu reduzieren;

Die Rücklaufebene (Pfad) ist nicht geteilt.

2.5 Verkabelung

Impedanzsteuerung: Hochgeschwindigkeitssignalleitungen präsentieren die Eigenschaften von Übertragungsleitungen, und Impedanzsteuerung ist erforderlich, um Signalreflexion, Überschwingen und Klingeln zu vermeiden und EMI-Strahlung zu reduzieren.

Klassifizieren Sie die Signale entsprechend der EMI-Strahlungsintensität und Empfindlichkeit verschiedener Signale (Analogsignal, Taktsignal, I/O-Signal, Bus, Stromversorgung usw.), trennen Sie die Störquelle und das empfindliche System so weit wie möglich und reduzieren Sie die Kopplung.

Steuern Sie strictly die Spurenlänge des Taktsignals (insbesondere das Hochgeschwindigkeits-Taktsignal), die Anzahl der Durchgänge, den Trennbereich, den Abschluss, die Verdrahtungsschicht, den Rückweg usw.

.Die Signalschleife, das ist, die Schleife, die durch das Signal gebildet wird, das zu dem Signal fließt, das hereinkommt, ist der Schlüssel zur EMI-Kontrolle in PCB-Design und muss während der Verdrahtung kontrolliert werden. Um die Strömungsrichtung jedes Schlüsselsignals zu verstehen, Das Schlüsselsignal sollte nah an den Rückweg geleitet werden, um sicherzustellen, dass seine Schleifenfläche die kleinste ist.

Für niederfrequente Signale, lassen Sie den Strom durch den Pfad mit dem geringsten Widerstand fließen; Bei Hochfrequenzsignalen muss der Hochfrequenzstrom durch den Pfad mit der geringsten Induktivität fließen, nicht durch den Pfad mit dem geringsten Widerstand (siehe Abbildung 1). Bei differentieller Modenstrahlung ist die EMI-Strahlungsintensität (E) proportional zum Strom, der Fläche der Stromschleife und dem Quadrat der Frequenz. (I ist der Strom, A ist der Schleifenbereich, f ist die Frequenz, r ist der Abstand zum Zentrum der Schleife, und k ist eine Konstante.)

Wenn sich der minimale Induktivitätsrückgang also direkt unter dem Signaldraht befindet, kann die Fläche der Stromschleife verringert werden, wodurch die EMI-Strahlungsenergie reduziert wird.

Schlüsselsignale dürfen den segmentierten Bereich nicht überqueren.

High-Speed Differenzsignalverdrahtung sollte so dicht wie möglich gekoppelt sein.

Stellen Sie sicher, dass die Streifenlinie, die Mikrostreifenlinie und ihre Bezugsebene die Anforderungen erfüllen.

Der Leitungsdraht des Entkopplungskondensators sollte kurz und breit sein.

Alle Signalspuren sollten so weit wie möglich vom Rand der Platine entfernt sein.

Wählen Sie für ein Mehrpunktverbindungsnetzwerk eine geeignete Topologie aus, um die Signalreflexion zu reduzieren und EMI-Strahlung zu reduzieren.

2.6 Split Verarbeitung der Leistungsebene

Segmentierung der Leistungsschicht

Wenn sich ein oder mehrere Sub-Netzteile auf einer Hauptstromebene befinden, achten Sie auf die Kontinuität jedes Netzteilbereichs und eine ausreichende Kupferfolienbreite. Die Trennlinie muss nicht zu breit sein, im Allgemeinen reicht 20-50mil Linienbreite aus, um die Spaltstrahlung zu reduzieren.

Trennung der Bodenschicht

Die Bodenebene sollte intakt gehalten werden, um Spaltung zu vermeiden. Wenn es geteilt werden muss, ist es notwendig, zwischen digitaler Masse, analoger Masse und Rauschmasse zu unterscheiden und mit der externen Masse durch einen gemeinsamen Massepunkt am Ausgang zu verbinden.

Um die Randstrahlung der Stromversorgung zu reduzieren, sollte die Energie-/Erdungsebene dem 20H-Entwurfsprinzip folgen, das heißt, die Größe der Erdungsebene ist 20H größer als die Größe der Leistungsebene (siehe Abbildung 2), so dass die Randfeldstrahlungsintensität um 70%.

3 Andere EMI-Kontrollmethoden

3.1 Entwurf des Energiesystems

Entwerfen Sie ein niederohmiges Stromsystem, um sicherzustellen, dass die Impedanz des Stromverteilungssystems im Frequenzbereich niedriger als fknee niedriger als die Zielimpedanz ist.

Verwenden Sie Filter, um geführte Störungen zu kontrollieren.

Energieentkopplung. Im EMI-Design kann die Bereitstellung angemessener Entkopplungskondensatoren den Chip zuverlässig arbeiten, Hochfrequenzrauschen in der Stromversorgung reduzieren und EMI reduzieren. Aufgrund des Einflusses der Drahtinduktivität und anderer parasitärer Parameter ist die Ansprechgeschwindigkeit des Netzteils und seiner Stromversorgungsdrähte langsam, was den momentanen Strom, den der Treiber in der Hochgeschwindigkeitsschaltung benötigt, unzureichend macht. Entwerfen Sie die Bypass- oder Entkopplungskondensatoren und die verteilten Kondensatoren der Stromversorgungsschicht angemessen, so dass der Energiespeichereffekt des Kondensators verwendet werden kann, um dem Gerät schnell Strom bereitzustellen, bevor die Stromversorgung reagiert. Eine korrekte kapazitive Entkopplung kann einen niederohmigen Strompfad liefern, der der Schlüssel zur Reduzierung von Gleichtakt-EMI ist.

3.2 Erdung

Erdungsdesign ist der Schlüssel zur Reduzierung der EMI der gesamten Platine.

Stellen Sie sicher, dass Sie Einpunkt-Erdung, Mehrpunkt-Erdung oder gemischte Erdung verwenden.

Digitale Masse, analoge Masse und Rauschmasse sollten getrennt werden, und ein geeigneter gemeinsamer Massepunkt sollte bestimmt werden.

Wenn der Doppelpanel-Entwurf keine Erdungsdrahtschicht hat, ist es sehr wichtig, das Erdungsdraht-Netz vernünftig zu entwerfen und sicherzustellen, dass die Breite des Erdungsdrahts>die Breite des Stromdrahts>die Breite des Signaldrahtes>die Breite des Stromdrahtes>die Breite des Signaldrahtes. Eine großflächige Pflastermethode kann auch verwendet werden, aber es ist notwendig, auf die Kontinuität der großen Fläche auf demselben Boden zu achten.

Stellen Sie für das mehrschichtige Board-Design sicher, dass es eine Masseebene-Schicht gibt, um die gemeinsame Bodenimpedanz zu reduzieren.

3.3 Anschluss von Dämpfungswiderständen in Serie

Unter der Voraussetzung, dass die Anforderungen an die Schaltungssequenz erlauben, besteht die grundlegende Technik zur Unterdrückung der Störquelle darin, einen kleinen Widerstandswiderstand in Reihe am Schlüsselsignalausgangsende anzuschließen, normalerweise einen 22-33Ω-Widerstand. Diese kleinen Widerstände in Reihe am Ausgang können die Steig-/Fallzeit verlangsamen und die Über- und Unterschwingsignale glätten, wodurch die Amplitude der Hochfrequenz-Oberschwingungen der Ausgangswellenform reduziert und der Zweck der effektiven Unterdrückung von EMI erreicht wird.

3.4 Schild

Schlüsselkomponenten können EMI-Abschirmmaterialien oder Abschirmnetze verwenden.

Die Abschirmung von Schlüsselsignalen kann als Streifenleitungen oder durch Massedrähte auf beiden Seiten der Schlüsselsignale getrennt sein.

3.5 Spread Spectrum

Die Spread-Spektrum-Methode (Spread-Spektrum) ist eine neue und effektive Methode zur Reduzierung von EMI. Spread-Spektrum ist, das Signal zu modulieren und die Signalenergie auf einen relativ breiten Frequenzbereich zu erweitern. Tatsächlich ist dieses Verfahren eine kontrollierte Modulation des Taktsignals, und dieses Verfahren wird den Jitter des Taktsignals nicht signifikant erhöhen. Die praktische Anwendung beweist, dass Spread-Spektrum-Technologie effektiv ist und Strahlung um 7 bis 20dB reduzieren kann.

3.6 EMI-Analyse und -Prüfung

Simulationsanalyse

Nachdem die Leiterplattenverkabelung abgeschlossen ist, können EM-I-Simulationssoftware und Expertensystem für Simulationsanalysen verwendet werden, um die EMV/EMI-Umgebung zu simulieren, um zu bewerten, ob das Produkt die Anforderungen der relevanten elektromagnetischen Kompatibilitätsstandards erfüllt.

Scantest

Verwenden Sie einen elektromagnetischen Strahlungsscanner, um die montierte und eingeschaltete Maschinenscheibe zu scannen, um die Verteilungskarte des elektromagnetischen Feldes in der PCB (as shown in Figure 3, der rote, grün, and blue-white areas in the figure indicate the electromagnetic radiation energy from low to high). Nach dem Test Als Ergebnis, PCB-Design wird verbessert.

4 Zusammenfassung

Mit der kontinuierlichen Entwicklung und Anwendung neuer Hochgeschwindigkeits-Chips, Signalfrequenzen werden immer höher, und die Leiterplatten that carry them may become smaller and smaller. PCB-Design wird sich schwerwiegenderen Herausforderungen des EWI stellen. Nur kontinuierliche Exploration und kontinuierliche Innovation können die EMV/EMI-Design von PCB Vorstand erfolgreich.