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Technologie PCB
Conférence de conception EMI / EMC: Plan d'image de la carte de circuit imprimé (Partie 2)
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Conférence de conception EMI / EMC: Plan d'image de la carte de circuit imprimé (Partie 2)

Conférence de conception EMI / EMC: Plan d'image de la carte de circuit imprimé (Partie 2)

2021-08-23
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Author:IPCB

An image plane is a layer of copper conductors (or other conductors) that is located inside a printed circuit board (PCB). It may be a voltage plane, Ou plan de référence 0v adjacent au circuit ou à la couche de câblage du signal. In the 1990s, Le concept de plan d'image est largement utilisé, and now it is a proper term for industry standards. Cette définition sera expliquée dans le présent document., principle and design of the image plane.


Conception du plan d'image


Figure 4 is the image plane in the PCB, which has a common partial inductance. Dans ce nombre, most of the RF current of the signal trace will return to the ground plane, Juste en dessous de la trajectoire du signal. In this return "image" structure, the RF return current will encounter a finite impedance (inductance). This return current produces a "voltage gradient (slope)" (the rate of change of voltage per unit path length), Aussi connu sous le nom de "Tension sonore au sol". Ground noise voltage will cause part of the signal current to pass through discrete capacitors on the ground plane.

Le courant en mode commun typique est 1 / 10n fois le courant en mode différentiel Idm (n est un entier positif inférieur à 10). Cependant, les courants en mode commun (I1 et ICM) produiront plus de rayonnement que les courants en mode différentiel (et). Ceci est dû au fait que le champ de courant RF en mode commun est ajouté et que le champ de courant en mode différentiel est soustrait.

Pour réduire la tension du bruit au sol, il faut augmenter l'inductance commune entre la piste et le plan d'image le plus proche. Cela fournit un chemin amélioré pour le courant de retour, cartographiant le courant d'image à la source de courant de retour. La tension de bruit de mise à la terre vgnd est calculée comme suit:

Vgnd = lg Di2 / DT MGS di1 / DT

Les symboles de la figure 4 et de la formule ci - dessus ont la signification suivante:


LS = inductance partielle de la trajectoire du signal elle - même.

MSG = inductance de la partie commune entre la trace du signal et le sol.

Lg = partie de l'inductance du niveau du sol lui - même.

MGS = inductance partielle commune entre le plan au sol et la trajectoire du signal.

Cstray = capacité errante du sol.

Vgnd = ground plane noise voltage.

Pour réduire la fréquence intermédiaire de la figure 4, la tension sonore au sol doit être réduite. La meilleure façon est de raccourcir la distance entre la trace du signal et le plan au sol. Dans la plupart des cas, la réduction du bruit au sol est limitée, car la distance entre le plan du signal et le plan de l'image ne peut être inférieure à une certaine valeur; En dessous de cette valeur, l'impédance fixe et la fonction de la carte de circuit ne sont pas garanties. En outre, il peut fournir une trajectoire supplémentaire pour le courant RF, réduisant ainsi la tension sonore au sol. Cette boucle supplémentaire comprend plusieurs fils au sol.

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Figure 4: The ground plane in the PCB

A stable plane will produce common mode radiation. Since the common partial inductance can reduce the generation of radiant radio frequency current, L'inductance partielle commune affecte également le courant en mode différentiel et le courant en mode commun.. L'utilisation d'un plan d'image réduit considérablement ces courants. En théorie, the differential mode current should be equal to zero, Mais en fait, il ne peut pas être éliminé à 100%, and the remaining differential mode current will be converted into a common mode current. Ce courant en mode commun est la principale source d'interférence électromagnétique. Because the remaining RF current on the return path is added to the main current (I1) in the signal path, Causer une interférence grave du signal. In order to reduce the common-mode current, Pour capter le flux magnétique, nous devons augmenter l'inductance de la partie commune entre le plan de piste et le plan d'image au maximum, Pour éliminer l'énergie RF inutile. La tension et le courant en mode différentiel produiront un courant en mode commun. In addition to increasing the common inductance value, La méthode de réduction du courant en mode différentiel doit également réduire au minimum la distance entre le plan de piste et le plan d'image..


Dans les PCB, lorsque le plan ou le chemin de retour RF est présent, la meilleure performance est obtenue si le chemin de retour est connecté à la source de référence. Pour TTL et CMOS, les broches d'alimentation et de sol de la puce sont connectées à la source de référence, à l'alimentation et au sol. Le vrai plan d'image n'existe que lorsque la boucle RF est connectée à l'alimentation électrique et à la broche au sol dans la puce. En général, il y a un circuit de mise à la terre dans la puce qui se connecte au sol du PCB, ce qui donne un bon plan d'image. Si vous supprimez ce plan d'image, un plan d'image virtuel est créé entre la piste et le plan au sol. En raison de la petite distance entre les traces, l'énergie rayonnée est réduite, de sorte que l'image RF est décalée. Le plan d'image idéal devrait être infini, sans fissures, fissures ou incisions.


Mise à la terre et retour du signal

Étant donné que la boucle est le milieu le plus important pour la propagation de l'énergie RF, la commande de la boucle de mise à la terre ou de signal (commande de la boucle) est l'un des facteurs de conception les plus importants pour supprimer l'interférence électromagnétique dans les PCB. Les éléments logiques à grande vitesse et les oscillateurs doivent être situés le plus près possible du circuit de mise à la terre afin d'éviter la formation de boucles; Il y aura un courant de Foucault dans ce circuit, auquel cas le châssis ou le châssis sera mis à la terre. Les courants de Foucault sont causés par des champs magnétiques variables, généralement parasites. La figure 5 montre une boucle composée d'une fente d'adaptateur PC et d'un seul point de mise à la terre. Il y a également une zone de boucle de signal supplémentaire dans cette figure. Chaque boucle produira un champ électromagnétique et un spectre de fréquences différents. Le courant RF produit un champ de rayonnement électromagnétique à une fréquence spécifique dont l'énergie rayonnée dépend de la zone de la boucle. À ce stade, un confinement doit être utilisé pour empêcher le couplage du courant RF à d'autres circuits; Ou rayonner dans l'environnement extérieur, causant une interférence électromagnétique. Cependant, il est préférable d'éviter autant que possible les courants de boucle RF générés par les circuits internes.

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Figure 5: Ground loop in the PCB

Si la trajectoire de retour du courant RF n'existe pas, un fil au sol relié à la base ou à la source de référence 0v peut être utilisé pour faciliter le mouvement.

Supprimer le mauvais courant RF. This is also called "loop area control".

Contrôle de la zone de boucle

Circuit causé par un champ magnétique, its electromagnetic field can be represented by a voltage source. La taille de la source de tension est proportionnelle à la surface totale du circuit. Alors..., in order to reduce the coupling effect of the magnetic field, La zone de la boucle doit être réduite. The electric field "pickup" receiving system also relies on the loop area to form a receiving antenna.

Lorsqu'il y a un champ électrique, une source de courant est générée entre l'alimentation électrique et le sol. Le champ électrique n'est pas couplé d'une ligne à l'autre, mais d'une ligne à l'autre, y compris le courant en mode commun. Cependant, pour le champ magnétique, comme le champ électrique est généré, le champ électromagnétique est couplé de la ligne à la ligne et de la voie à la terre.

La plupart des gens ignorent la nécessité de définir une zone de boucle entre l'alimentation électrique et le point de référence 0v dans le PCB. La grande zone de boucle illustrée à la figure 6 est la plus facile à concevoir, mais aussi la plus susceptible d'être induite en antenne par une « Décharge électrostatique (ESD) » ou d'autres champs. Les PCB multicouches peuvent réduire les dommages causés par l'EDD, réduire la production de champ magnétique et empêcher le champ magnétique de rayonner dans l'espace libre. Dans la figure 7, il y a une petite zone de boucle entre le plan au sol et le plan d'alimentation.

L'inductance du système de distribution peut être réduite en utilisant l'alimentation électrique et la mise à la terre. Si l'impédance caractéristique du système de distribution est réduite, la chute de tension de la carte de circuit est réduite. Si la chute de tension diminue, le phénomène de « rebond au sol» peut être évité. Lorsque l'interrupteur de porte logique est commuté rapidement, les changements de courant instantanés sont transmis par les broches IC à la surface d'alimentation ou au sol de la carte mère, ce qui entraîne des fluctuations de la tension de référence d'entrée, puis des bruits de radiofréquence (bruit RF) et des interférences électromagnétiques. Ce phénomène est appelé « rebond au sol ». De plus, tout en réduisant l'impédance caractéristique, la capacité entre le plan d'alimentation et le sol augmentera. Cette capacité produira toute chute de tension induite. C'est l'effet du découplage.

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Figure 6: la zone verte est une grande zone circulaire

Une grande zone de boucle est générée lorsque les lignes de signalisation circulent entre les composants. Mais nous oublions souvent l'impact des lignes de signalisation sur l'IME. Bien que l'intégrité du signal (Domaine temporel) demeure élevée, l'IME demeure (domaine de fréquence) parce que la zone de boucle du signal cause plus de problèmes que le système de distribution. Cela est particulièrement vrai du point de vue de l'EDD; Ceci est dû au fait que l'EDD entre directement dans les broches d'entrée des circuits et des composants. Afin de réduire les dommages potentiels causés par l'EDD, la réduction de la surface de la boucle est la méthode la plus simple. Les réseaux décentralisés d'alimentation électrique et au niveau du sol fournissent une trajectoire à faible impédance pour transférer l'énergie ESD au plan de référence de retour de 0V. Après tout, les circuits sont des circuits, et s'ils peuvent émettre des ondes électromagnétiques, ils devraient être en mesure de les recevoir.


En plus de réduire la tension du bruit de mise à la terre, le plan d'image empêche également la boucle de mise à la terre RF de devenir plus grande, car le courant RF est étroitement couplé à sa trajectoire de source de courant, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de trouver une autre trajectoire de retour. Lorsque la commande de boucle est maximisée, le flux magnétique est grandement éliminé. C'est l'un des concepts les plus importants pour supprimer le courant RF dans les PCB. Près de chaque plan de signal, une configuration correcte du plan d'image élimine le courant RF en mode commun. Le plan d'image qui transmet une grande quantité de courant RF doit être mis à la terre ou relié à un point de référence 0V. Afin d'éliminer les tensions RF excessives et les courants de Foucault, tous les terrains et les surfaces de base peuvent être reliés au sol de la base par un circuit de mise à la terre à faible impédance.

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Figure 7: PCB layout with a small loop area


Espacement des fils de mise à la terre

La façon la plus simple de réduire la génération de circuits dans les PCB est de concevoir un certain nombre de fils au sol, et tous ces fils au sol sont connectés au sol de la base. La mise à la terre multipoint est devenue une spécification nécessaire en raison de l'accélération des vitesses de bord des signaux de sortie des composants, en particulier dans les conceptions utilisant l'interconnexion I / O. Lorsque les PCB sont mis à la terre en plusieurs points, ils sont tous reliés à une structure métallique, et à ce stade, nous devons connaître l'espacement entre tous les fils de mise à la terre.

La distance entre les fils de mise à la terre ne doit pas dépasser»/20 of the highest frequency, Il comprend non seulement la fréquence principale, mais aussi la fréquence harmonique. If the edge rate of the output signal of a component is relatively slow, Le nombre de points de mise à la terre reliés à la Fondation peut être réduit, or the distance from the grounding position can be increased. Par exemple:, the λ/20 sur 64 MHz est 23.4 cm. Si la distance linéaire entre deux fils au sol est supérieure à 23.4 cm, there is a possibility that there will be a radio frequency loop, C'est peut - être la source de propagation de l'énergie RF..

The layout of the components in the PCB must be correct. La longueur de la trajectoire du signal peut être raccourcie en rapprochant étroitement les fils au sol des différents blocs de fonctions., reduce reflection, Et plus facile à câbler, while maintaining the integrity of the signal. Dans la mesure du possible, les trous de travers doivent être évités., because each via will increase the inductance of the trace by approximately 1 to 3 nH.

En outre, afin d'éviter le couplage entre différentes zones de bande passante, différents blocs de fonctions doivent être correctement partitionnés. Ces méthodes comprennent: l'utilisation de PCB séparés, l'isolation, le câblage différent... Une partition correcte peut améliorer les performances du circuit, rendre l'enroulement plus facile, raccourcir la longueur de la trace, réduire la surface du circuit et améliorer la qualité du signal. Avant le câblage, l'Ingénieur doit planifier quels composants appartiennent à quel bloc de fonctions et cette information peut être obtenue auprès du fournisseur de composants.