Noticias de PCB - Habilidades de diseño de PCB de circuitos digitales

Con la mejora de la integración de los dispositivos de circuitos integrados, la miniaturización gradual de los equipos y la mejora de la velocidad de los dispositivos, los problemas de EMI en los productos electrónicos se han vuelto más graves. Desde el punto de vista del diseño EMC / emi del equipo del sistema, manejar correctamente los problemas EMC / emi en la etapa de diseño de PCB del equipo es el medio más eficaz y de menor costo para que el equipo del sistema cumpla con los estándares de compatibilidad electromagnética. Este artículo presenta la tecnología de control EMI en el diseño de PCB de circuitos digitales.

1. principios de producción y inhibición del IME

La generación de EMI es causada por la transmisión de energía de una fuente de interferencia electromagnética a un sistema sensible a través de una ruta de acoplamiento. Incluye tres formas básicas: conducción a través de cables o puesta a tierra pública, radiación a través del espacio o acoplamiento de campo cercano. El daño de la interferencia electromagnética se manifiesta en la reducción de la calidad de las señales transmitidas, la interferencia o incluso el daño al circuito o equipo, lo que impide que el equipo cumpla con los requisitos de los indicadores técnicos estipulados en las normas de compatibilidad electromagnética.

Para frenar el emi, el diseño del EMI de los circuitos digitales debe llevarse a cabo de acuerdo con los siguientes principios:

. de acuerdo con las especificaciones técnicas EMC / emi pertinentes, los indicadores se descomponen en circuitos de una sola placa y se realizan diferentes niveles de control.

. El control se realiza a partir de tres elementos del emi, a saber, la fuente de interferencia, la ruta de acoplamiento energético y el sistema sensible, para que el circuito tenga una respuesta de frecuencia plana y garantice el funcionamiento normal y estable del circuito.

. A partir del diseño frontal del dispositivo, preste atención al diseño EMC / emi para reducir los costos de diseño.

2. tecnología de control EMI para circuitos digitales PCB

Al abordar diversas formas de emi, se deben analizar en detalle cuestiones específicas. En el diseño de PCB de circuitos digitales, el EMI puede controlarlo desde los siguientes aspectos.

1. selección de equipos

Al diseñar el emi, primero debemos considerar la velocidad del equipo seleccionado. En cualquier circuito, si se reemplaza un dispositivo con un tiempo de subida de 5 NS por un dispositivo con un tiempo de subida de 2,5 ns, el EMI se multiplicará aproximadamente por cuatro. La intensidad de radiación de la interferencia electromagnética es proporcional al cuadrado de la frecuencia. La frecuencia EMI más alta (fknee) también se llama ancho de banda de transmisión emi. Es una función del tiempo de subida de la señal, no de la frecuencia de la señal: fknee = 0,35 / TRS (donde TRS es el tiempo de subida de la señal del dispositivo)

El rango de frecuencia del EMI de esta radiación es de 30 MHz a varios ghz. En esta banda de frecuencia, la longitud de onda es muy corta, e incluso el cableado muy corto en la placa de PCB puede convertirse en una antena emisora. Cuando la interferencia electromagnética es muy alta, el circuito puede perder fácilmente su función normal. Por lo tanto, en la selección del dispositivo, siempre que se garanticen los requisitos de rendimiento del circuito, se debe utilizar un chip de baja velocidad en la medida de lo posible y un circuito de conducción / recepción adecuado. Además, debido a que los pines de plomo del dispositivo tienen inductores parasitarios y condensadores parasitarios, en el diseño de alta velocidad, el impacto de la forma de encapsulamiento del dispositivo en la señal no puede ser ignorado, ya que también es un factor importante para la generación de radiación emi. Por lo general, los parámetros parasitarios del dispositivo de chip son menores que los parámetros parasitarios del dispositivo de plug - in, y los parámetros parasitarios del paquete bga son más pequeños que los parámetros parasitarios del paquete qfps.

2. selección de conectores y definición de terminales de señal

Los conectores son un eslabón clave en la transmisión de señales de alta velocidad y un eslabón débil que es propenso a la generación de emi. En el diseño terminal del conector se pueden colocar más pines de tierra para reducir la distancia entre la señal y el suelo, reducir el área efectiva del bucle de señal que genera radiación en el conector y proporcionar rutas de retorno de baja resistencia. Si es necesario, considere aislar algunas señales clave con un pin de tierra.

3. diseño laminado

Bajo la premisa de que el costo lo permite, aumentar el número de formaciones conectadas y acercar las capas de señal a las formaciones conectadas puede reducir la radiación emi. Para los PCB de alta velocidad, el plano de alimentación y el plano de tierra están estrechamente acoplados, lo que puede reducir la resistencia de la fuente de alimentación y, por lo tanto, el emi.

4. diseño

De acuerdo con la corriente de la señal, un diseño razonable puede reducir la interferencia entre las señales. Un diseño razonable es la clave para controlar la interferencia electromagnética. Los principios básicos del diseño son:

. las señales analógicas son vulnerables a la interferencia de las señales digitales, y los circuitos analógicos deben separarse de los circuitos digitales;

Las líneas de reloj son la principal fuente de interferencia y radiación. Manténgase alejado del circuito sensible y mantenga la línea de reloj más corta;

. Se debe tratar de evitar el uso de circuitos de alta corriente y alta potencia en la zona central de la placa, y se debe considerar el impacto de la disipación de calor y la radiación;

. los conectores deben colocarse en la medida de lo posible a un lado de la placa y mantenerse alejados de los circuitos de alta frecuencia;

El circuito de entrada / salida está cerca del conector correspondiente, y el capacitor de desacoplamiento está cerca del pin de alimentación correspondiente;

. teniendo plenamente en cuenta la viabilidad del diseño de la División de energía, los equipos de energía múltiple deben colocarse a través de los límites de la División de energía para reducir efectivamente el impacto de la División plana en el emi;

. el plano de retorno (camino) no está dividido.

5. cableado

. control de resistencia: la línea de señal de alta velocidad mostrará las características de la línea de transmisión y requiere un control de resistencia para evitar la reflexión de la señal, el exceso de impulso y el zumbido, y reducir la radiación emi.

. clasificar las señales, separar las fuentes de interferencia y los sistemas sensibles en la medida de lo posible y reducir el acoplamiento de acuerdo con la intensidad y sensibilidad de la radiación EMI de diferentes señales (señales analógicas, señales de reloj, señales de E / s, autobuses, fuentes de alimentación, etc.).

. controlar estrictamente la longitud del rastro, el número de agujeros, el área de división, la terminación, la capa de cableado, la ruta de retorno, etc. de la señal del reloj (especialmente la señal del reloj de alta velocidad).

. el circuito de señal, es decir, el circuito formado por la señal de salida a la señal de entrada, es la clave del control EMI en el diseño de PCB y debe controlarse al cableado. Para comprender la dirección de flujo de cada señal de clave, la ruta de la señal de clave debe estar cerca de la ruta de retorno para garantizar que su área de bucle sea mínima.

Para señales de baja frecuencia, la corriente fluye a través de la ruta con la menor resistencia; Para las señales de alta frecuencia, la corriente de alta frecuencia fluye a través de la ruta con la menor inducción, no la ruta con la menor resistencia (véase la figura 1). Para la radiación de modo diferencial, la intensidad de la radiación EMI (e) es proporcional al cuadrado del área y la frecuencia de la corriente y el anillo de corriente. (donde I es la corriente, a es el área del bucle, F es la frecuencia, R es la distancia al Centro del bucle y k es la constante).

Por lo tanto, cuando la ruta mínima de retorno de la inducción está justo debajo de la línea de señal, se puede reducir el área del Circuito de corriente, reduciendo así la energía de radiación emi.

. las señales clave no deben pasar por áreas segmentadas.

. el cableado de la señal diferencial de alta velocidad debe acoplarse lo más estrechamente posible.

. Asegúrese de que las líneas de banda, las líneas de MICROSTRIP y sus planos de referencia cumplan con los requisitos.

Los cables de los condensadores de desacoplamiento deben ser cortos y anchos.

. todos los rastros de señal deben mantenerse lo más alejados posible de los bordes de la placa de circuito.

Para las redes de conexión multipunto, elija la topología adecuada para reducir la reflexión de la señal y reducir la radiación emi.

6. tratamiento de división del plano dinámico

. Subdivisión de la capa de potencia

Cuando hay una o más subestaciones en el plano de la fuente de alimentación principal, asegúrese de la continuidad y el ancho suficiente de la lámina de cobre en cada área de la fuente de alimentación. La línea divisoria no necesita ser demasiado ancha, por lo general, el ancho de línea de 20 - 50 mil es suficiente para reducir la radiación de brecha.

. separación de la capa superficial

El plano del suelo debe mantenerse intacto para evitar la división. Si es necesario separarse, es necesario distinguir entre puesta a tierra digital, puesta a tierra analógica y puesta a tierra acústica, y conectarse a la puesta a tierra externa a través de un punto a tierra público en la salida.

Para reducir la radiación marginal de la fuente de alimentación, el plano de alimentación / puesta a tierra debe seguir el principio de diseño de 20h, es decir, el tamaño del plano de puesta a tierra es 20h mayor que el tamaño del plano de la fuente de alimentación (véase la figura 2), lo que puede reducir la intensidad de la radiación del campo marginal en un 70%.

3. otros métodos de control del EMI

1. diseño del sistema eléctrico

Diseñar un sistema eléctrico de baja resistencia para garantizar que la resistencia del sistema de distribución esté por debajo de la resistencia objetivo en un rango de frecuencia inferior a fknee.

. utilice un filtro para controlar la interferencia conducida.

. desacoplamiento de la fuente de alimentación. En el diseño del emi, proporcionar un capacitor de desacoplamiento razonable puede hacer que el chip funcione de manera confiable, reducir el ruido de alta frecuencia en la fuente de alimentación y reducir el emi. Debido a la influencia de la inducción del cable y otros parámetros parasitarios, la velocidad de respuesta de la fuente de alimentación y su cable de alimentación es más lenta, lo que hace que la corriente instantánea necesaria por el conductor en el circuito de alta velocidad sea insuficiente. Diseñar razonablemente los condensadores distribuidos de los condensadores de derivación o desacoplamiento y las capas de energía para que el efecto de almacenamiento de energía de los condensadores pueda proporcionar corriente eléctrica rápidamente al equipo antes de la respuesta de energía. El desacoplamiento capacitivo correcto puede proporcionar una ruta de potencia de baja resistencia, que es la clave para reducir el EMI de modo común.

2. puesta a tierra

El diseño de la tierra es la clave para reducir el EMI de toda la placa de circuito.

. Asegúrese de usar tierra de un solo punto, tierra de varios puntos o tierra mixta.

La puesta a tierra digital, la puesta a tierra analógica y la puesta a tierra acústica deben separarse y se debe determinar un punto de tierra público adecuado.

. Si el diseño de la placa de doble cara no tiene una capa de tierra, es importante diseñar racionalmente la cuadrícula de tierra y asegurarse de que el ancho de la tierra > el ancho de la línea de alimentación > el ancho de la línea de señal. También se pueden utilizar métodos de colocación de grandes áreas, pero es necesario prestar atención a la continuidad de grandes áreas de tierra en el mismo piso.

. para el diseño de placas multicapa, asegúrese de que hay formación de puesta a tierra para reducir la resistencia pública a la puesta a tierra.

3. resistencia de amortiguación en serie

Bajo la premisa de que la secuencia del circuito requiere permiso, la tecnología básica para inhibir la fuente de interferencia es conectar una pequeña resistencia en serie en el extremo de salida de la señal clave, generalmente una resistencia de Isla 22 - 33. Estas pequeñas resistencias conectadas en serie en el extremo de salida pueden ralentizar el tiempo de subida / bajada y suavizar las señales de sobrecorriente y bajada, reduciendo así la amplitud de los armónicos de alta frecuencia de la forma de onda de salida y logrando el objetivo de inhibir eficazmente el emi.

4. escudos

. los componentes clave pueden utilizar materiales de blindaje EMI o redes de blindaje.

El blindaje de la señal clave se puede diseñar como una línea de banda o se puede separar por tierra a ambos lados de la señal clave.

5. espectro extendido

El método de espectro extendido es un nuevo y eficaz método para reducir la interferencia electromagnética. El espectro extendido consiste en modular la señal y ampliar la energía de la señal a un rango de frecuencia relativamente amplio. De hecho, este método es una modulación controlada de la señal del reloj, y este método no aumenta significativamente el temblor de la señal del reloj. Las aplicaciones prácticas han demostrado que la tecnología de espectro extendido es efectiva y puede reducir la radiación de 7 a 20 db.

6. análisis y pruebas de interferencia electromagnética

. Análisis de simulación

Una vez completado el cableado de pcb, se puede utilizar el software de simulación EMI y el sistema de expertos para realizar análisis de simulación y simular el entorno EMC / emi para evaluar si el producto cumple con los requisitos de las normas de compatibilidad electromagnética pertinentes.

. prueba de escaneo

Después del montaje y la electrificación, se escaneó el disco de la máquina con un escáner de radiación electromagnética y se obtuvo el mapa de distribución del campo electromagnético en el PCB de acuerdo con la prueba (como se muestra en la figura 3, las áreas rojas, verdes y azules en el mapa indican que la energía de radiación electromagnética es de baja a alta). por lo tanto, se modificó el diseño del pcb.

Cuarto, Conclusiones

Con el desarrollo continuo y la aplicación de nuevos chips de alta velocidad, la frecuencia de la señal es cada vez mayor, y las placas de PCB que los llevan pueden ser cada vez más pequeñas. El diseño de PCB se enfrentará a desafíos EMI más graves. Solo la exploración e innovación continuas pueden hacer que el diseño EMC / emi de la placa de PCB tenga éxito.