Notizie PCB - Ricerca sulla compatibilità elettromagnetica della scheda PCB di alimentazione

Con il miglioramento delle prestazioni dei dispositivi a semiconduttore di potenza e l'innovazione della tecnologia di conversione di commutazione, la tecnologia elettronica di potenza è stata ampiamente utilizzata in varie apparecchiature di alimentazione elettrica. Attualmente, i prodotti dell'alimentazione elettrica di commutazione tendono ad essere piccoli PCB ad alta velocità e ad alta densità. Questa tendenza ha causato problemi di compatibilità elettromagnetica sempre più gravi. Il processo di commutazione ad alta frequenza di tensione e corrente produce una grande quantità di EMI (interferenza elettromagnetica). Se questa parte dell'interferenza non è limitata, inciderà seriamente sul normale funzionamento delle apparecchiature elettriche circostanti. Pertanto, il design PCB dell'alimentatore di commutazione è un aspetto vitale per risolvere il problema di compatibilità elettromagnetica dell'alimentatore di commutazione. Il motivo per cui il PCB è considerato un componente indispensabile e importante nella progettazione dell'alimentazione di commutazione è che è responsabile della doppia connessione dei componenti elettrici e meccanici dell'alimentazione di commutazione ed è la chiave per ridurre la progettazione EMI delle apparecchiature elettroniche.

1 Interferenza elettromagnetica nella progettazione di PCB

1.1 Interferenza elettromagnetica dell'accoppiamento

Nella progettazione del circuito, l'interferenza elettromagnetica dell'accoppiamento colpisce principalmente altri circuiti attraverso l'accoppiamento di conduzione e l'accoppiamento di impedenza di modo comune. Dal punto di vista della progettazione EMC, i circuiti di alimentazione switching sono diversi dai circuiti digitali ordinari e hanno sorgenti di interferenza relativamente evidenti e linee sensibili. In generale, le fonti di interferenza degli alimentatori di commutazione sono concentrate principalmente su componenti e fili con grande tensione e tasso di cambio corrente, come FET di potenza, diodi di recupero rapido, trasformatori ad alta frequenza e fili ad essi collegati. Le linee sensibili si riferiscono principalmente ai circuiti di controllo e alle linee direttamente collegate alle apparecchiature di misura delle interferenze, perché questi accoppiamenti di interferenza possono influenzare direttamente il normale funzionamento del circuito e il livello di interferenza trasmesso all'esterno. L'accoppiamento di impedenza in modalità comune significa che quando le correnti di due circuiti passano attraverso un'impedenza comune, la tensione formata dalla corrente di un circuito sull'impedenza comune influenzerà l'altro circuito.

1.2 Interferenza tra le conversazioni incrociate

L'interferenza tra strisce, fili e cavi nel circuito stampato (PCB) è uno dei problemi più difficili da superare nel circuito del circuito stampato. Il crosstalk menzionato qui è un crosstalk in senso più ampio, non importa che la sorgente sia segnale utile o rumore, il crosstalk è espresso dalla capacità reciproca e dall'induttanza reciproca dei fili. Ad esempio, una linea di striscia sul PCB porta livelli di controllo e logica, e una seconda linea di striscia vicina ad essa porta un segnale di basso livello. Quando la lunghezza del cablaggio parallelo supera i 10 cm, è prevista un'interferenza crosstalk; Quando un cavo lungo trasporta diversi set di dati seriali o paralleli ad alta velocità e linee di controllo remoto, anche l'interferenza crosstalk diventa un problema importante. Il crosstalk tra fili e cavi adiacenti è causato dal campo elettrico che passa attraverso la capacità reciproca e dal campo magnetico che passa attraverso l'induttanza reciproca.

Quando si considera il problema del crosstalk nelle strisce PCB, il problema principale è determinare quale sia l'accoppiamento del campo elettrico (capacità reciproca) e del campo magnetico (induttanza reciproca) più importante. La determinazione del modello di accoppiamento dipende principalmente dall'impedenza della linea, dalla frequenza e da altri fattori. In generale, l'accoppiamento capacitivo è dominante alle alte frequenze, ma se una o entrambe le sorgenti o ricevitore utilizzano cavi schermati ed è messa a terra ad entrambe le estremità dello scudo, l'accoppiamento del campo magnetico sarà dominante. Inoltre, l'impedenza del circuito basso è generalmente inferiore a basse frequenze e l'accoppiamento induttivo è il fattore principale.

1.3 Interferenza elettromagnetica delle radiazioni

L'interferenza di radiazione è l'interferenza introdotta a causa della radiazione delle onde elettromagnetiche nello spazio. La radiazione elettromagnetica PCB è divisa in due tipi: radiazione differenziale e radiazione comune. Nella maggior parte dei casi, l'interferenza condotta prodotta dalla commutazione degli alimentatori è dominata da interferenze in modo comune e l'effetto di radiazione delle interferenze in modo comune è molto maggiore dell'interferenza in modo differenziale. Pertanto, ridurre le interferenze in modalità comune è particolarmente importante nella progettazione EMC degli alimentatori di commutazione. _) (^$RFSW#$%T

2 fasi di soppressione delle interferenze PCB

2.1 Informazioni sulla progettazione del PCB

Quando si progetta un PCB, è necessario comprendere le informazioni di progettazione del circuito stampato, che includono quanto segue:

(1) numero di dispositivi, dimensioni del dispositivo e imballaggio del dispositivo;

(2) requisiti per la disposizione generale, la posizione del layout del dispositivo, la presenza o l'assenza di dispositivi ad alta potenza e requisiti speciali per la dissipazione del calore dei dispositivi chip;

(3) la velocità del chip digitale, se il PCB è diviso in aree a bassa velocità, a media velocità e ad alta velocità e che sono le aree di ingresso e uscita dell'interfaccia;

(4) il tipo e la velocità della linea di segnale e la direzione di trasmissione, il requisito di controllo dell'impedenza della linea di segnale, la direzione della velocità del bus e la situazione di guida, il segnale chiave e le misure di protezione;

(5) tipo di alimentazione elettrica, tipo di terra, requisiti di tolleranza al rumore per alimentazione elettrica e terra, impostazione e divisione dell'alimentazione elettrica e piano di terra;

(6) Il tipo e la velocità della linea dell'orologio, la sorgente e la destinazione della linea dell'orologio, il requisito del ritardo dell'orologio e il requisito di cablaggio più lungo.

2.2 Layering PCB

In primo luogo, determinare il numero di strati di cablaggio e strati di alimentazione necessari per implementare la funzione entro un intervallo di costi accettabile. Il numero di strati del circuito stampato è determinato da fattori quali requisiti funzionali dettagliati, immunità, separazione delle categorie di segnale, densità del dispositivo e cablaggio bus. Attualmente, i circuiti stampati si sono gradualmente sviluppati da schede a singolo strato, a doppio strato e a quattro strati a schede a più strati. La progettazione di schede PCB stampate multistrato è la misura principale per raggiungere gli standard di compatibilità elettromagnetica. I requisiti sono:

(1) La distribuzione dello strato di potenza separato e dello strato di terra può ben sopprimere l'interferenza intrinseca del modo comune e ridurre l'impedenza della sorgente di punto;

(2) il piano di potenza e il piano di terra sono il più vicino possibile l'uno all'altro e il piano di terra è generalmente sopra il piano di potenza;

(3) è meglio disporre circuiti digitali e circuiti analogici in strati differenti;

(4) lo strato di cablaggio è preferibilmente adiacente all'intero piano metallico;

(5) I circuiti di orologio e i circuiti ad alta frequenza sono le principali fonti di interferenza e dovrebbero essere trattati separatamente.

2.3 Layout PCB

La chiave del design EMC del circuito stampato è il layout e il cablaggio, che è direttamente correlato alle prestazioni del circuito stampato. L'attuale automazione EDA del layout del circuito stampato è molto bassa, richiedendo un sacco di layout manuale. Prima del layout, deve essere determinata la dimensione del PCB che soddisfa la funzione al costo più basso possibile. Se la dimensione del PCB è troppo grande e la distribuzione del dispositivo è dispersa durante il layout, la linea di trasmissione può essere molto lunga, il che aumenterà l'impedenza, ridurrà la capacità anti-rumore e aumenterà il costo. Se i dispositivi sono posizionati in modo centralizzato, la dissipazione del calore non è buona e le tracce adiacenti sono inclini ad accoppiamento crosstalk. Pertanto, il layout deve essere eseguito in base all'unità di funzione del circuito e fattori come la compatibilità elettromagnetica, la dissipazione del calore e l'interfaccia devono essere presi in considerazione allo stesso tempo. Alcuni principi dovrebbero essere seguiti nel layout generale:

(1) disporre ogni unità di circuito funzionale secondo il flusso del segnale del circuito per mantenere il flusso del segnale nella stessa direzione;

(2) prendere il componente centrale di ogni unità di circuito funzionale come centro e altri componenti sono disposti intorno ad esso;

(3) accorciare il cablaggio tra componenti ad alta frequenza il più possibile e cercare di ridurre i loro parametri di distribuzione;

(4) i componenti suscettibili di interferenze non dovrebbero essere troppo vicini l'uno all'altro e i componenti in ingresso e in uscita dovrebbero essere lontani;

(5) Impedisca l'accoppiamento reciproco tra linee elettriche, linee di segnale ad alta frequenza e cablaggio generale.

2.4 Cablaggio PCB

(1) Principio di cablaggio

Durante il cablaggio, classificare tutte le linee di segnale. Posizionare prima l'orologio e le linee di segnale sensibili, quindi instradare le linee di segnale ad alta velocità. Dopo aver assicurato che i vias per tali segnali sono abbastanza piccoli e i parametri di distribuzione sono buoni, quindi instradare le linee di segnale generali non importanti. I principi da seguire sono:

1) I fili delle estremità di ingresso e uscita dovrebbero essere evitati per quanto possibile dal parallelo adiacente a lunga distanza; al fine di ridurre la traversa dei lunghi fili paralleli, la distanza tra le linee può essere aumentata o il filo di terra può essere inserito tra i fili;

2) La larghezza del circuito stampato non dovrebbe essere cambiata improvvisamente e il cavo non dovrebbe essere angolato improvvisamente. Mantenere l'impedenza del circuito il più possibile continua. Gli angoli della linea di trasmissione stampata seguono generalmente un arco circolare o formano un angolo di 135°;

3) Prestare particolare attenzione alla distribuzione di potenza e fili di terra dei circuiti ad alta frequenza;

4) Ridurre l'area del ciclo del filo nel processo di flusso corrente, perché la radiazione esterna del ciclo di trasporto della corrente è proporzionale alla corrente di passaggio, all'area del ciclo e alla frequenza del segnale;

5) Disporre più pin di ingresso del cavo di terra sparsi l'uno dall'altro sulla spina del circuito stampato, che aiuta a ridurre l'area del ciclo e l'impedenza del cavo di terra del cablaggio del pin del circuito stampato;

6) Ridurre la lunghezza del filo e aumentare la larghezza del filo contribuirà a ridurre l'impedenza del filo.

(2) Progettazione di cablaggio EMC del circuito stampato

Secondo il diagramma di distribuzione del campo elettrico di interferenza per portare avanti la progettazione di cablaggio EMC del circuito stampato, la sua idea di base è quella di mettere il circuito sensibile nell'area con interferenze più deboli. Quindi, secondo il concetto di "coefficiente di accoppiamento" che è stato proposto, la dimensione della capacità distribuita tra i circuiti stampati è stimata in tempo reale e il PCB può essere modificato e migliorato nel tempo durante la progettazione, che può ridurre efficacemente l'interferenza di conduzione del PCB.

Per scegliere un piano di layout adatto, calcolare prima la mappa di distribuzione dell'intensità di interferenza della sorgente di interferenza. La frequenza di commutazione della maggior parte degli alimentatori di commutazione è compresa tra decine di kHz e diversi MHz, quindi il campo elettrico di interferenza sulla superficie PCB può essere utilizzato per l'analisi del campo quasi statico. In base a questa ipotesi, la quantità di campo può essere scritta come il prodotto di quantità indipendenti di spazio e tempo. Pertanto, la corrente di spostamento J (x, y, z, t) può essere scritta come:

Risolvendo l'equazione di Laplace (2), la componente spaziale del potenziale in ogni punto nello spazio può essere risolta e la componente spaziale corrispondente della densità di corrente di spostamento può essere ottenuta moltiplicando per la costante dielettrica dopo il calcolo. Dopo il calcolo visivo, la ricerca corrispondente sulla compatibilità elettromagnetica della scheda PCB dell'alimentazione elettrica di commutazione

2.5 Circuito anti-inceppamento PCB

Per il sistema di controllo digitale di un grande alimentatore di commutazione, ogni dispositivo logico ha un livello di valvola corrispondente e una tolleranza al rumore. Finché il rumore esterno non supera il limite di tolleranza del dispositivo logico, il sistema può funzionare normalmente. Tuttavia, una volta che il rumore o l'interferenza che invade il sistema supera una certa tolleranza, il segnale di interferenza sarà amplificato e modellato dal dispositivo logico, che diventa una causa importante di malfunzionamento. Il più sensibile del sistema del microcomputer singolo chip è il segnale dell'orologio, il segnale di reset e il segnale di interruzione. Queste tre linee di segnale dovrebbero essere prestate particolare attenzione quando si posa il PCB. Mentre soddisfa la funzione, l'oscillatore di cristallo con la frequenza più bassa dovrebbe essere selezionato.

Il circuito watchdog è una delle misure anti-interferenza. Quando la forte interferenza elettromagnetica, l'interferenza del picco della griglia provoca il blocco del sistema a singolo chip, il circuito watchdog può rilevare e ripristinare automaticamente il programma.

Quando il sistema è soggetto a forti interferenze e perde il suo normale stato di lavoro, i dati nella RAM vengono spesso distrutti. Pertanto, oltre alla progettazione accurata del sistema di alimentazione, deve essere progettato un circuito di protezione RAM affidabile.

Il bus dati, l'indirizzo bus e il bus di controllo del circuito vengono scambiati per informazioni. Se la capacità di carico del bus è aumentata, la forma d'onda del segnale sarà migliorata quando la trasmissione del bus è più lunga. In questo momento, un circuito buffer gate a tre stati deve essere configurato come conducente di bus. Inoltre, prestare attenzione a garantire il bilanciamento del carico del bus.

L'installazione di resistenze pull-up sul bus può migliorare l'affidabilità della trasmissione del segnale bus, non solo può aumentare il livello del segnale, ma anche migliorare la capacità di interferenza anti-elettromagnetica del bus, sopprimere l'interferenza elettrostatica e indebolire l'interferenza riflessa delle onde. Quando il chip ha una resistenza pull-up integrata, non è necessario installare una resistenza pull-up in un circuito esterno. Per i pin chip sul circuito, il fissaggio ad alto livello dei terminali di ingresso inutilizzati può migliorare la soppressione delle interferenze elettromagnetiche esterne.