Principi di progettazione della scheda PCB per ridurre le interferenze elettromagnetiche

Scheda PCB Un efficace design anti-interferenza è un anello chiave nella progettazione di prodotti elettronici, che influisce sull'affidabilità e la stabilità del lavoro del circuito. L'articolo analizza le principali ragioni dell'esistenza di interferenze elettromagnetiche sui circuiti stampati, e sintetizza l'efficace soppressione e prevenzione delle interferenze elettromagnetiche nella progettazione Scheda PCB dalla selezione dei circuiti stampati, la disposizione dei componenti del circuito stampato, il cablaggio di potenza e terra, e il cablaggio delle linee di segnale. misure e principi. Il circuito stampato è il vettore dei componenti del circuito nei prodotti elettronici, che fornisce collegamenti elettrici tra componenti del circuito, ed è il componente base di varie apparecchiature elettroniche. Le sue prestazioni sono direttamente correlate alla qualità delle apparecchiature elettroniche. Con lo sviluppo della società dell'informazione e lo sviluppo della tecnologia elettronica, l'integrazione dei circuiti è sempre più elevata, la dimensione dei circuiti stampati sta diventando sempre più alta, e la velocità di funzionamento dei prodotti elettronici è sempre più alta. Peranto, il problema dell'interferenza elettrica e della compatibilità causata da se stesso è più evidente. Pertanto, come ridurre l'interferenza elettromagnetica dei PCB Scheda è diventato un argomento caldo nella tecnologia elettronica di oggi. Il problema di compatibilità elettromagnetica di un circuito stampato è la chiave per se un sistema elettronico può funzionare normalmente, che influisce sull'affidabilità e la stabilità del circuito o del sistema. Pertanto, il problema di interferenza elettromagnetica dovrebbe essere risolto efficacemente durante la progettazione del PCB Scheda.

In termini di motivi di interferenza elettromagnetica,le misure e i principi per ridurre le interferenze elettromagnetiche che dovrebbero essere presi in considerazione nella progettazione di Scheda PCB sono riassunti.

1. Il motivo dell'esistenza di interferenze elettromagnetiche sul circuito stampato

Nel sistema elettronico ad alta velocità composto da alimentazione di commutazione e microprocessore, l'interferenza elettromagnetica del circuito proviene principalmente dalla sorgente di interferenza a radiofrequenza esistente, componenti, basic loop and differential mode and common mode noise.

1.1Fonte di interferenza a radiofrequenza presente sul circuito stampato

In un sistema elettronico intelligente ad alta velocità, la fonte di interferenza a radiofrequenza sul circuito stampato proviene principalmente dal sistema a microprocessore, il sistema di alimentazione e il circuito oscillatore.

1)

Sistema di microprocessore

Il rumore di radiofrequenza (RF) di un microprocessore viene generato all'interno del chip e accoppiato all'esterno in molti modi possibili. Esiste a tutti gli ingressi, le uscite, l'alimentazione e la messa a terra allo stesso tempo. È il rumore potenziale che rende ogni cavo del microprocessore. Potrebbero esserci problemi ai piedi. Il problema è il rumore dei pin di ingresso e uscita (I/O) del microprocessore. Questi rumors sono generatori principali dalla commutazione dell'orologio all'interno del chip, collegati ai cavi interni ed esterni attraverso i pin di ingresso ed uscita ed irradiati, principalmente manifestati come interferenze di forma d'onda a impulsi a breve tempo.

2) Sistema di alimentazione

Il sistema di alimentazione include il regolatore di potenza e i suoi condensatori bypass sul lato regolatore e microcontrollore. Questi circuiti sono la fonte di tutta l'energia RF nel sistema e forniscono le correnti di commutazione richieste per i circuiti sequenziali on-chip.

3) Circuito oscillatore

Il circuito oscillatore fornisce un segnale di clock veloce al sistema, in un sistema digitale, poiché il buffer di uscita dell'oscillatore è digitale, Le armoniche sono generate sul lato dell'uscita quando convertire un'onda sinusoidale in un'onda quadrata. Qualsiasi rumore generato da operazioni interne, come buffer di clock, apparirà all'uscita e si propaga attraverso l'accoppiamento dei componenti.

1.2Altre cause di interferenza elettromagnetica

1) Componenti SMD e componenti passanti

I dispositivi SMD (SMD) sono migliori nella gestione dell'energia RF rispetto ai chip al piombo a causa della loro minore reattività induttiva e del posizionamento più vicino dei componenti. Tipicamente, la capacità di piombo dei componenti del foro passante si auto-oscilla (passaggio da capacitivo a induttivo) a circa 80MHz. Pertanto, il rumore superiore agli 80MHz deve essere controllato e molti problemi gravi devono essere presi in considerazione se nella progettazione vengono utilizzati componenti a foro passante.

2) Circuito di base

Ogni transizione di bordo trasmessa dal microprocessore ad un altro chip è un impulso di corrente che scorre al chip ricevente, fuori dal pin di terra del chip ricevente, e poi tornare al perno di terra del microprocessore attraverso il filo di terra, quindi formare un circuito di base. Tali loop esistono ovunque nel circuito, e qualsiasi tensione di rumore e le sue correnti di accompagnamento viaggiano attraverso il percorso di impedenza fino al luogo in cui ha avuto origine, causando un effetto. Un ritorno può essere una linea di segnale e il suo percorso di ritorno, un bypass tra potenza e terra, un oscillatore di cristallo e un driver all'interno di un microprocessore, o un ritorno dal regolatore di tensione dell'alimentazione al condensatore bypass. Maggiore è l'area geometrica del ciclo, più forte è la radiazione, così possiamo mitigare la propagazione del rumore controllando la forma e l'impedenza del percorso di ritorno.

3) Modalità differenziale e rumore in modalità comune

Il rumore della modalità differenziale è il rumore che si verifica quando un segnale viaggia attraverso la linea al chip ricevente e poi ritorna lungo la linea di ritorno. C'è una tensione differenziale tra le due linee, che è il rumore che ogni segnale deve generare per sviluppare la sua funzione. La forza del campo elettrico generata da questo rumore è proporzionale al quadrato della frequenza, l'ampiezza della corrente, e all'area del loop corrente, e inversamente proporzionale alla distanza dal punto di osservazione alla sorgente acustica. Pertanto, Il metodo per ridurre la radiazione differenziale è quello di ridurre la frequenza di funzionamento del circuito, ridurre l'area del loop del segnale o ridurre la forza della corrente del segnale. Un metodo efficace nella pratica è quello di controllare l'area del ciclo di segnale. Il rumore in modalità comune è il rumore causato dall'impedenza condivisa dalle linee di segnale e ritorno mentre la tensione viaggia lungo le linee di segnale e ritorno allo stesso tempo, senza tensione differente tra di loro. Il rumore di impedenza in modalità comune è una fonte comune di rumore nella maggior parte dei sistemi basati su microprocessori. La forza del campo elettrico prodotto da questo rumore è proporzionale alla grandezza della frequenza, la magnitudine della corrente e la lunghezza del cavo, e inversamente proporzionale alla distanza dal punto di osservazione alla sorgente acustica. I metodi per ridurre la radiazione common mode sono: ridurre l'impedenza del filo di massa, abbreviare la lunghezza della linea, e utilizzare un choke coil common mode.

2. Scheda PCB principi di progettazione

Dal momento che il grado di integrazione e la frequenza del segnale del circuito sono sempre più alti con lo sviluppo della tecnologia elettronica, Le interferenze elettriche saranno inevitabilmente provocate. Pertanto, nella progettazione della Scheda PCB per controllare l'interferenza elettrica del circuito entro un certo intervallo devono essere seguiti i seguenti principi. Può soddisfare i requisiti e gli standard di progettazione e migliorare le prestazioni complessive del circuito.

2.1Selezione dei circuiti stampati

Il compito primario di Scheda PCB Il design è quello di selezionare correttamente la dimensione del circuito stampato. Se la dimensione è troppo grande, il valore di impedenza della linea aumenta e la capacità anti-interferenza diminuisce perché la connessione tra i componenti è troppo lunga. La densa disposizione dei dispositivi non favorisce la dissipazione del calore, e il cablaggio è troppo sottile e denso, che è facile causare crosstalk. Pertanto, il circuito stampato della dimensione appropriata dovrebbe essere selezionato in base ai componenti richiesti del sistema. I circuiti stampati sono divisi in un lato, double-sided and multi-layer boards. La selezione del numero di strati del circuito dipende dalla funzione da implementare dal circuito, the noise index, il numero di segnali e cavi di rete, etc. Un numero razionale di strati può ridurre il problema di compatibilità elettrica del circuito stesso. Il solito principio di selezione è: quando la frequenza del segnale è media e bassa frequenza, ci sono pochi componenti, e la densità del cablaggio è bassa o media, scegliere unilaterale o bifacciale; Per alta densità di cablaggio, alta integrazione e molti componenti, Utilizzare multistrato'¢ per alta frequenza del segnale, circuiti integrati ad alta velocità, e componenti densi, scegliere 4 o più strati di circuiti stampati. Nella progettazione di schede multistrato, un singolo strato può essere utilizzato come power layer, uno strato di segnale e uno strato di terra. L'area del loop del segnale è ridotta e la radiazione differenziale del modo è ridotta. Per questo motivo, la scheda multistrato può ridurre la radiazione del circuito e migliorare la capacità anti-interferenza.

2.2Disposizione dei componenti del circuito stampato

Dopo aver determinato la dimensione della Scheda PCB, le posizioni dei componenti speciali devono essere determinate prima, e tutti i componenti del circuito devono essere disposti in blocchi secondo le unità funzionali del circuito. L'unità del circuito digitale, l'unità del circuito analogico e l'unità del circuito di alimentazione dovrebbero essere separate, e l'unità del circuito ad alta frequenza e l'unità del circuito a bassa frequenza devono anche essere separati. I principi comuni di layout del circuito stampato sono i seguenti.

1) Il principio di determinazione dell'ubicazione dei componenti speciali:

"L'elemento riscaldante deve essere posizionato in una posizione favorevole alla dissipazione del calore, come il bordo del PCB Scheda, e lontano dal chip del microprocessore;

"I componenti speciali ad alta frequenza dovrebbero essere posizionati l'uno accanto all'altro per abbreviare il collegamento tra di loro;

‘ I componenti sensibili devono essere tenuti lontani da fonti di rumore quali generatori di orologi e oscillatori;

"£ La disposizione di componenti regolabili quali potenziometri, induttori regolabili, condensatori variabili e interruttori a chiave deve essere conforme ai requisiti strutturali dell'intera macchina e facilitare la regolazione;

¤ I componenti con massa maggiore dovrebbero essere fissati con staffe;

Il filtro EMI dovrebbe essere posizionato vicino alla sorgente EMI.

2) Il principio della disposizione dei componenti ombrello del circuito secondo l'unità funzionale del circuito:

"Ogni circuito funzionale deve determinare la posizione corrispondente in base al flusso di segnale tra di loro per facilitare il cablaggio;

"¡Ogni circuito funzionale deve prima determinare la posizione dei componenti e posizionare altri componenti intorno ai componenti per abbreviare il più possibile il collegamento tra i componenti;

"Per i circuiti ad alta frequenza, dovrebbero essere presi in considerazione i parametri di distribuzione tra i componenti;

"£ I componenti posti sul bordo del circuito stampato dovrebbero essere a non meno di 2 mm di distanza dal bordo del circuito stampato.

# Il CC #/Convertitore CC, il tubo dell'interruttore e il raddrizzatore devono essere posizionati il più vicino possibile al trasformatore per ridurre la radiazione esterna;

"¥ I componenti di regolazione della tensione e i condensatori del filtro devono essere posizionati vicino al diodo raddrizzatore.

2.3Il principio di cablaggio dell'alimentazione elettrica e della terra

Che il cablaggio dell'alimentatore e del terreno della Scheda PCB è razionale è la chiave per ridurre l'interferenza elettrica dell'intero circuito stampato. La progettazione di linee elettriche e linee di terra è un problema che non può essere ignorato nella Scheda PCB, ed è spesso un disegno difficile. La progettazione deve seguire i seguenti principi.

1) Abilità di cablaggio per potenza e terra

Il cablaggio sul PCB è caratterizzato da parametri distribuiti come impedenza, reattività capacitiva e reattività induttiva. Al fine di ridurre l'influenza dei parametri di distribuzione del Scheda PCB cablaggi sul sistema elettronico ad alta velocità, i principi di cablaggio per l'alimentazione e il terreno sono i seguenti:

"Aumentare la spaziatura delle tracce per ridurre il crosstalk dell'accoppiamento capacitivo;

"¡La linea elettrica e la linea di terra devono essere instradate in parallelo per far raggiungere la capacità distribuita;

"In base alle dimensioni della corrente portante, cercare di aumentare la larghezza della linea elettrica e della linea di terra il più possibile, ridurre la resistenza del ciclo, e allo stesso tempo rendere la direzione della linea di alimentazione e della linea di terra in ogni circuito funzionale coerente con la direzione di trasmissione del segnale, che contribuisce a migliorare le prestazioni. capacità anti-interferenza;

"L'alimentazione elettrica e il suolo dovrebbero essere instradati direttamente l'uno sopra l'altro, riducendo così la reattanza induttiva e rendendo l'area del ciclo, e cercare di far passare il più possibile il filo di terra sotto la linea elettrica;

¤ Più spesso è il filo di massa, meglio è, generalmente la larghezza del filo di massa non è inferiore a 3mm;

"¥ Il filo di massa è formato in un ciclo chiuso per ridurre la differenza di potenziale sul filo di terra e migliorare la capacità anti-interferenza;

"Nel progetto di cablaggio multistrato, uno degli strati può essere utilizzato come "piano di terra pieno", che può ridurre l'impedenza di terra e allo stesso tempo svolgere un ruolo schermante.

2)Capacità di messa a terra di ogni circuito funzionale

I metodi di messa a terra di ogni circuito funzionale del PCB Scheda sono suddivisi in messa a terra a punto singolo e messa a terra a più punti. La messa a terra a punto singolo è divisa in messa a terra di serie a punto singolo e messa a terra parallela a punto singolo secondo la forma di connessione. La messa a terra in serie monopunto è spesso utilizzata per la messa a terra protettiva perché la lunghezza di ogni filo di messa a terra è diversa, l'impedenza di messa a terra di ogni circuito è diversa, e le prestazioni di compatibilità elettromagnetica sono ridotte. Ogni circuito di messa a terra parallela a punto singolo ha il proprio filo di messa a terra, quindi l'interferenza reciproca è piccola, ma può estendere il filo di messa a terra e aumentare l'impedenza di messa a terra. È spesso usato per messa a terra del segnale, messa a terra analogica e messa a terra di potenza. Messa a terra multipunto significa che ogni circuito ha un punto di messa a terra, come mostrato in Figura 5. La messa a terra multipunto è spesso utilizzata nei circuiti ad alta frequenza, con brevi linee di messa a terra e piccoli valori di impedenza di messa a terra, riduce l'interferenza dei segnali ad alta frequenza. Al fine di ridurre le interferenze causate dalla messa a terra, la messa a terra deve anche soddisfare alcuni requisiti:

"Il filo di terra dovrebbe essere il più corto possibile e il piano di terra dovrebbe essere grande;

"l Evitare inutili cicli di terra e ridurre la tensione di interferenza del terreno comune;

"Il principio di messa a terra è quello di adottare diversi metodi di messa a terra per segnali diversi e tutte le messa a terra non possono essere portate allo stesso punto di messa a terra;

"Quando si progetta un PCB Scheda multistrato, lo strato di alimentazione e lo strato di messa a terra devono essere posizionati negli strati adiacenti il più possibile, in modo che la capacità tra gli strati possa formarsi nel circuito e l'interferenza elettromagnetica possa essere ridotta;

¤ Cerca di evitare segnali di corrente forti e deboli, Segnali digitali e analogici in comune.

3)Posizionare il piano a griglia

La griglia è una tecnica di progettazione importante per le tavole a due strati. Griglia è di estendere il filo di terra sul Scheda PCB e utilizzare il modello di riempimento del suolo per costruire una rete di rete collegata al suolo, formare un piano di terra efficace, che può ridurre il rumore come una scheda a quattro strati. Essa ha due scopi: "imitare il piano di terra di una tavola a quattro strati, fornire un percorso di ritorno sottotostante per ogni linea di segnale"; ¡riduzione dell'impedenza tra il microprocessore e il regolatore di tensione. I principi a cui prestare attenzione durante la progettazione sono:

"Ogni cavo di massa si estende per riempire il più possibile lo spazio del circuito stampato;

"l Posizionare il maggior numero possibile di griglie sulla tavola a due strati;

"Utilizzare il maggior numero possibile di fori passanti per collegare le griglie superiore e inferiore quando la dimensione è appropriata;

Le linee non devono essere ad angolo retto o della stessa larghezza.

4) Uso di condensatori di disaccoppiamento ad alta frequenza e perline di ferrite

Nei circuiti digitali, quando cambia lo stato del annullato logico, verrà generato un grosso picco sull'alimentatore, forma una tensione acustica istantanea. In questo caso, Condensatori di smantellamento o perline di ferrite sono generalmente utilizzati per limitare il cambiamento improvviso della corrente. cambiamento per ridurre le radiazioni. Di solito, un condensatore di disaccoppiamento ad alta frequenza con una capacità di circa 0,01¼F ~ 0,1μF viene aggiunto tra l'alimentazione elettrica e il terreno di ogni chip, e perline di ferrite sono posizionate sulla linea di alimentazione vicino al chip per bloccare la radiofrequenza dalla linea di alimentazione. Sorgente corrente. Quando si progetta, provare a:

"Utilizzare condensatori al tantalio invece dei condensatori elettrolitici in alluminio, che hanno una grande induttanza interna;

"Più il condensatore è vicino al chip, meglio è, e il cavo del condensatore di disaccoppiamento non dovrebbe essere troppo lungo;

"Le perle di ferrite sono utilizzate solo sulla linea di alimentazione +V, non sulla linea di terra;

Posizionare le perle di ferrite il più vicino possibile alla fonte di rumore.

2.4Principi di cablaggio delle linee di segnale

1) Ridurre il crosstalk capacitivo e induttivo della linea

Durante il cablaggio, c'è un crosstalk capacitivo e induttivo tra linee che vengono eseguite in parallelo anche su brevi distanze. Quando accoppiato capacitivamente, un bordo ascendente sulla fonte causa un bordo ascendente sulla vittima. Con l'accoppiamento induttivo, il cambiamento di tensione sulla vittima è l'opposto del cambiamento sulla sorgente. L'ampiezza del rumore è proporzionale alla distanza parallela, alla frequenza, all'ampiezza della tensione sorgente e all'impedenza della vittima, e inversamente proporzionale alla distanza le due linee sono separate. Pertanto, le misure per ridurre le conversazioni incrociate sono:

"Mantenere le linee collegate al microprocessore che trasportano il rumore in radiofrequenza lontano da altri segnali;

"Il cavo di terra di ritorno del segnale che può essere vittima di rumore dovrebbe essere instradato sotto di esso;

"Non prendere linee di rumore sul bordo esterno del circuito;

"Se possibile, collegare alcune linee rumorose e circondarle con un filo di terra;

¤ Tenere le linee non rumorose lontano dalle aree della scheda soggette a rumore, come connettori, circuiti oscillatori, relè e driver relè.

2) Sistemare ragionevolmente il numero di fili di terra di ritorno

Nell'industria informatica, è una pratica comune avere almeno 1 filo di terra per ogni 9 fili di segnale in un cavo o cavo. Alle alte velocità, questo rapporto cambia a 5:1. Principi che possono essere presi in considerazione quando si progettano linee di segnale e linee di ritorno:

' è che ogni linea di segnale nel cavo ha un filo di terra di ritorno per formare una coppia attorcigliata;

'¡Non superare un terreno di ritorno per ogni 9 linee di segnale;

'Se il cavo è lungo più di un piede, ci dovrebbe essere un cavo di terra di ritorno per ogni 4 fili di segnale;

'£Se possibile, una staffa metallica solida dovrebbe essere utilizzata come staffa meccanica, saldata tra i due circuiti stampati, sia come supporto di montaggio che come terra di ritorno RF affidabile.

3) Altri principi di cablaggio

"La lamina di rame utilizzata come filo renderà discontinua l'impedenza del filo ad un giro di 90 gradi, che può causare interferenze di riflessione, quindi il filo di 90 gradi dovrebbe essere cambiato in una traccia di 135 gradi, che contribuirà a ridurre l'interferenza di riflessione;

"Per il PCB Scheda con cablaggio bifacciale, il cablaggio degli strati superiori e inferiori dovrebbe attraversare verticalmente per ridurre l'accoppiamento e contribuire a sopprimere le interferenze;

Viene usato un cablaggio isolato. In molti circuiti che devono essere instradati in parallelo, un cablaggio isolato a terra può essere considerato come aggiunto alle due linee di segnale;

"Tutte le linee dovrebbero essere disposte lungo il terreno DC per quanto possibile, e cercare di evitare di posare lungo il terreno AC;

Usa cavi corti. Nel caso in cui le linee non possano essere disposte o possano essere collegate solo avvolgendo in grandi cerchi, è sufficiente collegare con "fili volanti" isolati invece di fili stampati, o direttamente ponte con i cavi dei componenti resistenza-capacità;

'¥ Il circuito DC dovrebbe essere cablato lontano dal circuito AC e la linea del segnale di ingresso e la linea del segnale di uscita dovrebbero essere separati;

'¦ Le tracce del segnale non dovrebbero avere rami, e dovrebbero essere collegate da un componente all'altro per evitare interferenze di riflessione o interferenze armoniche;

'§Le linee di segnale ad alta frequenza come gli orologi dovrebbero essere instradate vicino alla linea di terra per rendere l'area del loop per ridurre la radiazione in modo differenziale.

3. Conclusione

È impossibile eliminare completamente le interferenze elettromagnetiche nei prodotti elettronici. Possiamo prendere le misure necessarie per ridurre le interferenze elettriche e controllare le interferenze elettriche entro un certo intervallo. Un buon design del circuito stampato è quello di ridurre le interferenze elettromagnetiche. parte importante. Quando si progetta un circuito stampato, si può fare riferimento ai principi di progettazione sopra menzionati, ma questi principi non sono statici. Vari metodi anti-interferenza devono essere applicati in modo flessibile in base alle condizioni specifiche del circuito per alimentare i requisiti di compatibilità elettrica. Questo richiede la progettazione PCB Scheda Il solito accumulo di esperienza e riepilogo.