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Technologie PCB
Technologie de contrôle EMC / EMI dans la conception des PCB
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Technologie de contrôle EMC / EMI dans la conception des PCB

Technologie de contrôle EMC / EMI dans la conception des PCB

2021-08-24
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Author:IPCB

Avec l'amélioration de l'intégration des dispositifs IC, the gradual miniaturization of equipment and the increasing speed of devices, Le problème de l'interférence électromagnétique dans les produits électroniques devient de plus en plus grave. From the point of view of EMC/Conception de l'interférence électromagnétique de l'équipement du système, properly handling EMC/Problèmes de l'IME en Europe Conception des PCB stage of the equipment is the most effective and lowest cost method for system equipment to meet electromagnetic compatibility standards. Cet article présente la technologie de commande EMI dans les circuits numériques Conception des PCB.


1 Principle of EMI generation and suppression


The generation of EMI is caused by the electromagnetic interference source transmitting energy to the sensitive system through the coupling path. Il se compose de trois formes de base: conduction par fil ou mise à la terre commune, Rayonnement spatial, or near-field coupling. Les dangers de l'EMI se manifestent par une réduction de la qualité du signal transmis., causing interference or even damage to the circuit or equipment, L'équipement ne peut pas satisfaire aux exigences de l'indice technique spécifié dans la norme CEM..


Pour supprimer l'EMI, les circuits numériques doivent être conçus selon les principes suivants:

. Les indicateurs sont décomposés en circuits à une seule carte et contrôlés à différents niveaux conformément aux spécifications EMC / EMI applicables.

. commande à partir des trois éléments de l'EMI, c'est - à - dire la source d'interférence, la trajectoire de couplage d'énergie et le système sensible, de sorte que le circuit ait une réponse en fréquence plate pour assurer un fonctionnement normal et stable du circuit.

En commençant par la conception frontale de l'équipement, mettre l'accent sur la conception EMC / EMI et réduire les coûts de conception.


2 EMI control technology of digital circuit PCB

Dans le traitement des diverses formes d'interférence électromagnétique, il est nécessaire d'analyser en détail les problèmes spécifiques. Dans la conception des circuits numériques, EMI peut contrôler les aspects suivants.


2.1 sélection du matériel

Lors de la conception de l'ime, nous devons d'abord tenir compte de la vitesse de l'appareil sélectionné. Dans n'importe quel circuit, l'EMI est multiplié par environ 4 si l'appareil avec un temps de montée de 2,5 ns est remplacé par un appareil avec un temps de montée de 5 NS. L'intensité de rayonnement de l'IME est proportionnelle au carré de la fréquence. La fréquence EMI maximale (fknee) est également appelée largeur de bande EMI. Il est fonction du temps de montée du signal et non de la fréquence du signal: fknee = 0,3.5 / TR (où tr est le temps de montée du signal de l'équipement)


L'EMI rayonné varie de 30 MHz à plusieurs GHz. Dans cette bande de fréquences, les longueurs d'onde sont très courtes et même de très courtes connexions sur les circuits imprimés peuvent devenir des antennes émettrices. Lorsque l'EMI est élevé, le circuit peut facilement perdre sa fonction normale. Par conséquent, lors du choix de l'appareil, la puce à basse vitesse doit être utilisée dans la mesure du possible et un circuit d'entraînement / réception approprié doit être utilisé, à condition que les exigences de performance du circuit soient respectées. De plus, en raison de l'inductance parasitaire et de la capacité parasitaire dans les broches des dispositifs, l'influence de la forme d'emballage des dispositifs sur le signal ne peut être négligée dans la conception à grande vitesse, car elle est également un facteur important de la production de rayonnement EMI. En général, les paramètres parasitaires des dispositifs SMD sont inférieurs à ceux des dispositifs plug - in et les paramètres parasitaires des paquets BGA sont inférieurs à ceux des paquets qfp.


2.2 sélection des connecteurs et définition des bornes de signalisation

Le connecteur est le lien clé de la transmission de signaux à grande vitesse et le lien faible de l'interférence électromagnétique. D'autres broches de mise à la terre peuvent être disposées dans la conception du terminal du connecteur afin de réduire la distance entre le signal et la mise à la terre, de réduire la surface effective de la boucle de signal dans le connecteur qui génère le rayonnement et de fournir une trajectoire de retour à faible impédance. Si nécessaire, envisager d'isoler certains signaux critiques avec des broches au sol.


2.3 conception des piles

Si les coûts le permettent, increasing the number of ground plane layers and placing the signal layer close to the ground plane layer can reduce EMI radiation. Pour les PCB à grande vitesse, the power plane and ground plane are closely coupled, Cela réduit l'impédance de puissance, thereby reducing EMI.


2.4 disposition

Selon le courant du signal, a reasonable layout can reduce the interference between signals. Une disposition raisonnable est la clé du contrôle des interférences électromagnétiques. Les principes de base de la mise en page sont les suivants:


. Les signaux analogiques sont sujets à l'interférence des signaux numériques et les circuits analogiques doivent être séparés des circuits numériques;

La ligne d'horloge est la principale source d'interférence et de rayonnement. Éloignez - vous des circuits sensibles et Gardez la ligne d'horloge la plus courte possible;

.High-current, Dans la mesure du possible, l'utilisation de circuits de haute puissance dans la zone centrale de la carte de circuit doit être évitée., Les effets de la dissipation de chaleur et du rayonnement doivent être pris en considération;

. Les connecteurs doivent être installés sur le côté de la carte de circuit aussi loin que possible des circuits à haute fréquence;

. le circuit d'entrée / sortie est proche du connecteur correspondant et le condensateur de découplage est proche de la goupille d'alimentation correspondante;

.Fully consider the feasibility of the layout for power supply division, L'équipement Multi - alimentation doit traverser les limites de la zone de zonage de l'alimentation électrique afin de réduire efficacement l'impact de la zone plane sur l'IME;

. le plan de retour (chemin) n'est pas divisé.


2.5. Câblage

. contrôle de l'impédance: la ligne de signal à grande vitesse présentera les caractéristiques de la ligne de transmission et nécessite un contrôle de l'impédance afin d'éviter la réflexion du signal, la sonnerie super harmonique et de réduire le rayonnement EMI.

. classifier les signaux en fonction de l'intensité et de la sensibilité du rayonnement EMI de différents signaux (signaux analogiques, signaux d'horloge, signaux d'E / s, bus, alimentation électrique, etc.), séparer les sources d'interférence et les systèmes sensibles autant que possible et réduire le couplage.

. contrôler strictement la longueur de suivi du signal d'horloge (en particulier le signal d'horloge à grande vitesse), le nombre de trous, la zone de partition, le terminal, la couche de câblage, le chemin de retour, etc.

.The signal loop, Oui., the loop formed by the signal flowing out to the signal flowing in, Quelle est la clé du contrôle des interférences électromagnétiques? Conception des PCB and must be controlled during wiring. Comprendre la direction du flux de chaque signal clé, the key signal should be routed close to the return path to ensure that its loop area is the smallest.

ATL

Pour les signaux à basse fréquence, make the current flow through the path with the least resistance; for high-frequency signals, Une trajectoire qui minimise le courant à haute fréquence à travers l'inductance, not the path with the least resistance (see Figure 1). Rayonnement en mode différentiel, the EMI radiation intensity (E) is proportional to the current, Zone de la boucle actuelle, and the square of the frequency. (I is the current, A est la zone de boucle, f is the frequency, R est la distance du Centre de la boucle, K est constant.)


Par conséquent, lorsque la trajectoire de retour de l'inductance minimale est juste en dessous de la ligne de signal, la zone de la boucle de courant peut être réduite, ce qui réduit l'énergie de rayonnement EMI.

. Les signaux clés ne doivent pas traverser la zone divisée.

. Le câblage du signal différentiel à grande vitesse doit être aussi étroitement couplé que possible.

. s'assurer que les lignes de ruban, les lignes Microstrip et leurs plans de référence sont conformes aux exigences.

. Le plomb du condensateur de découplage doit être court et large.

.Toutes les traces de signal doivent être aussi éloignées que possible du bord de la carte de circuit..

. pour les réseaux multipoints, sélectionnez la topologie appropriée pour réduire la réflexion du signal et le rayonnement EMI.


2.6 démontage du tableau d'alimentation

.Segmentation of power layer

Lorsqu'il y a une ou plusieurs sous - sources d'alimentation sur le tableau d'alimentation principal, assurer la continuité et une largeur de feuille de cuivre suffisante pour chaque zone d'alimentation. La ligne de démarcation n'a pas besoin d'être trop large et, en général, une largeur de ligne de 20 à 50 mm est suffisante pour réduire le rayonnement interstitiel.


Séparation du plancher

Le niveau du sol doit être maintenu intact afin d'éviter la fragmentation.. Si vous devez vous séparer, Il est nécessaire de distinguer le sol numérique, analog ground and noise ground, Et relié à la mise à la terre externe par un point de mise à la terre commun à la sortie.

Afin de réduire le rayonnement de bord de l'alimentation électrique, le plan d'alimentation / sol doit suivre le principe de conception 20h, c'est - à - dire que la taille du plan au sol est supérieure de 20h à celle du plan d'alimentation électrique (voir figure 2), de sorte que l'intensité du rayonnement de champ de bord puisse être réduite de 70%.


3 autres méthodes de contrôle EMI

3.1. Conception du système électrique

. concevoir un système d'alimentation à faible impédance pour s'assurer que l'impédance du système de distribution dans la gamme de fréquences inférieure à fknee est inférieure à l'impédance cible.

. utiliser un filtre pour contrôler les interférences conduites.

. découplage de l'alimentation électrique. Dans la conception EMI, une capacité de découplage raisonnable peut rendre la puce fiable, réduire le bruit à haute fréquence dans l'alimentation électrique et réduire EMI. En raison de l'influence de paramètres parasitaires tels que l'inductance du conducteur, la vitesse de réponse de l'alimentation électrique et de sa ligne d'alimentation est lente, de sorte que le courant instantané requis par le conducteur dans le circuit à grande vitesse est insuffisant. Concevoir raisonnablement le condensateur de dérivation ou de découplage et le condensateur distribué de la couche d'alimentation afin d'utiliser l'effet de stockage d'énergie du condensateur pour alimenter rapidement l'équipement avant la réponse de l'alimentation. Un découplage correct du condensateur peut fournir une trajectoire de puissance à faible impédance, ce qui est essentiel pour réduire l'EMI en mode commun.


3.2 mise à la terre

Grounding design is the key to reducing EMI of the entire board.

. Assurez - vous d'utiliser une mise à la terre en un seul point, une mise à la terre en plusieurs points ou une mise à la terre hybride.

.Digital Ground, analog ground, Le sol doit être séparé du sol bruyant., and a suitable common ground point should be determined.

S'il n'y a pas de couche de fil de terre dans la conception des panneaux recto - latéraux, il est important de concevoir correctement la grille de fil de terre et de s'assurer que la largeur du fil de terre > Largeur du fil d'alimentation > Largeur du fil de signalisation. La méthode de pavage à grande surface peut également être utilisée, mais il faut veiller à la continuité du pavage à grande surface sur le même plancher.

. pour les conceptions à panneaux multiples, assurez - vous qu'il y a une couche de terre pour réduire l'impédance commune de la terre.


3.3 Connecting damping resistors in series

Dans la mesure où les exigences relatives à la séquence des circuits le permettent, la technique de base de suppression des sources d'interférence consiste à raccorder en série une petite résistance, généralement une résistance de 22 à 33 ©, à la sortie du signal critique. Ces petites résistances en série à l'extrémité de sortie peuvent ralentir le temps de montée / descente, lisser le signal de surtension et de sous - réglage, réduire l'amplitude de l'harmonique haute fréquence de la forme d'onde de sortie et atteindre l'objectif de supprimer efficacement EMI.


3.4 garde

.Les composants critiques peuvent être protégés par des matériaux de blindage EMI ou des écrans.

. Le blindage des signaux clés peut être conçu comme une ligne de ruban ou séparé par des fils au sol des deux côtés des signaux clés.


3.5 spectre étendu

La méthode du spectre étendu est une nouvelle méthode efficace de réduction des interférences électromagnétiques. Le spectre de propagation est la modulation du signal et l'extension de l'énergie du signal à une gamme de fréquences relativement large. En fait, cette méthode est de contrôler la modulation du signal d'horloge, et cette méthode n'augmente pas significativement le Jitter du signal d'horloge. L'application pratique prouve que la technologie du spectre étendu est efficace et peut réduire le rayonnement de 7 à 20 db.


3.6 analyse et essai des interférences électromagnétiques

.Analyse de simulation

Une fois le câblage des PCB terminé, le logiciel de simulation EMI et le système expert peuvent être utilisés pour effectuer l'analyse de simulation, simuler l'environnement EMC / EMI et évaluer si le produit satisfait aux exigences des normes de compatibilité électromagnétique pertinentes.

. test de balayage

Use an electromagnetic radiation scanner to scan the assembled and powered-on machine disk to obtain the electromagnetic field distribution map in the PCB (as shown in Figure 3, Rouge, green, and blue-white areas in the figure indicate the electromagnetic radiation energy from low to high). According to the test As a result, Conception des PCB Amélioration.


4 Résumé

With the continuous development and application of new high-speed chips, La fréquence du signal augmente, and the PCB boards that carry them may become smaller and smaller. Conception des PCB Sera confronté à de plus grands défis en matière d'IME. Only continuous exploration and continuous innovation can make the EMC/Conception EMI des PCB.