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Principi di progettazione della scheda PCB per ridurre le interferenze elettromagnetiche
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Principi di progettazione della scheda PCB per ridurre le interferenze elettromagnetiche

Principi di progettazione della scheda PCB per ridurre le interferenze elettromagnetiche

2022-01-12
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Author:pcb

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.

Scheda PCB

In termini di motivi di interferenza elettromagnetica, the measures and principles to reduce electromagnetic interference that should be considered in Scheda PCB design are summarized.
1. The reason for the existence of electromagnetic interference on the circuit board
In the high-speed electronic system composed of switching power supply and microprocessor, the electromagnetic interference of the circuit board mainly comes from the existing radio frequency interference source, components, basic loop and differential mode and common mode noise.

1.1 The source of radio frequency interference present on the circuit board
In an intelligent high-speed electronic system, the source of radio frequency interference on the circuit board mainly comes from the microprocessor system, il sistema di alimentazione e il circuito oscillatore.
1) Microprocessor system
The radio frequency (RF) noise of a microprocessor is generated inside the chip and coupled to the outside in many different possible ways. It exists at all inputs, outputs, power and ground at the same time. È il rumore potenziale che rende ogni cavo del microprocessore. There may be problems with the feet. The problem is noise from the input and output pins (I/O) of the microprocessor. Questi rumori sono generati principalmente dalla commutazione dell'orologio all'interno del chip, connected to the internal and external cables through the input and output pins and radiated out, mainly manifested as short-time pulse waveform interference.
2) Power supply system
The power supply system includes the power regulator and its bypass capacitors on the regulator and microcontroller side. These circuits are the source of all RF energy in the system and provide the required switching currents for the on-chip sequential circuits.
3) Oscillator circuit
The oscillator circuit provides a fast clock signal to the system, in a digital system, since the output buffer of the oscillator is digital, Le armoniche sono generate sul lato dell'uscita quando converte un'onda sinusoidale in un'onda quadrata. Any noise generated by internal operations, such as clock buffers, will show up at the output and propagate through component coupling.

1.2 Other causes of electromagnetic interference
1) SMD components and through-hole components
SMD devices (SMDs) are better at handling RF energy than leaded chips because of their lower inductive reactance and closer placement of components. Tipicamente, the lead capacitance of through-hole components will self-oscillate (change from capacitive to inductive) at about 80MHz. Therefore, the noise above 80MHz must be controlled, and many serious problems must be considered if through-hole components are used in the design.
2) Basic circuit
Each edge transition transmitted from the microprocessor to another chip is a current pulse that flows to the receiving chip, out of the ground pin of the receiver chip, e poi tornare al perno di terra del microprocessore attraverso il filo di terra, quindi formare un circuito di base. Such loops exist everywhere in the circuit, 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, causing an effect. Un ritorno può essere una linea di segnale e il suo percorso di ritorno, a bypass between power and ground, un oscillatore di cristallo e un driver all'interno di un microprocessore, or a return from the voltage regulator of the power supply to the bypass capacitor. Maggiore è l'area geometrica del ciclo, the stronger the radiation, così possiamo mitigare la propagazione del rumore controllando la forma e l'impedenza del percorso di ritorno.
3) Differential mode and common mode noise
Differential mode noise is the noise that occurs when a signal travels through the line to the receiving chip and then returns along the return line. There is a differential voltage between the two lines, che è il rumore che ogni segnale deve generare per svolgere la sua funzione. The electric field strength generated by this noise is proportional to the square of the frequency, l'ampiezza della corrente, and the area of the current loop, e inversamente proporzionale alla distanza dal punto di osservazione alla sorgente acustica. Therefore, Il metodo per ridurre la radiazione differenziale è quello di ridurre la frequenza di funzionamento del circuito, reduce the area of the signal loop or reduce the strength of the signal current. Un metodo efficace nella pratica è quello di controllare l'area del ciclo di segnale. Common mode noise is the noise caused by the impedance shared by the signal and return lines while the voltage is traveling along the signal and return lines at the same time, senza tensione differenziale tra di loro. Common-mode impedance noise is a common source of noise in most microprocessor-based systems. La forza del campo elettrico prodotta da questo rumore è proporzionale alla grandezza della frequenza, the magnitude of the current and the length of the cable, e inversamente proporzionale alla distanza dal punto di osservazione alla sorgente acustica. The methods to reduce the common mode radiation are: reduce the impedance of the ground wire, abbreviare la lunghezza della linea, and use a common mode choke coil.

2. Scheda PCB design principles
Since the integration degree and signal frequency of the circuit board are getting higher and higher with the development of electronic technology, Le interferenze elettromagnetiche saranno inevitabilmente provocate. Therefore, the following principles should be followed when designing the Scheda PCB per controllare l'interferenza elettromagnetica del circuito entro un certo intervallo. It can meet the design requirements and standards and improve the overall performance of the circuit.

2.1 Selection of circuit boards
The primary task of Scheda PCB Il design è quello di selezionare correttamente la dimensione del circuito stampato. If the size is too large, il valore di impedenza della linea aumenterà e la capacità anti-interferenza diminuirà perché la connessione tra i componenti è troppo lunga. The dense arrangement of devices is not conducive to heat dissipation, e il cablaggio è troppo sottile e denso, which is easy to cause crosstalk. Therefore, the circuit board of the appropriate size should be selected according to the required components of the system. 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 ragionevole di strati può ridurre il problema di compatibilità elettromagnetica del circuito stesso. The usual selection principle is: when the signal frequency is medium and low frequency, ci sono pochi componenti, and the wiring density is low or medium, scegliere unilaterale o bifacciale; per alta densità di cablaggio, high integration and many components, Utilizzare multi-strato'¢ per alta frequenza del segnale, high-speed integrated circuits, e componenti densi, choose 4 or more layers of circuit boards. Nella progettazione di schede multistrato, a single layer can be used as a power layer, uno strato di segnale e uno strato di terra. The signal loop area is reduced and the differential mode radiation is reduced. Per questo motivo, the multi-layer board can reduce the radiation of the circuit board and improve the anti-interference ability.


2.2 Layout of circuit board components
After determining the size of the Scheda PCB, le posizioni dei componenti speciali devono essere determinate prima, and all components of the circuit should be laid out in blocks according to the functional units of the circuit. L'unità del circuito digitale, the analog circuit unit and the power supply circuit unit should be separated, e l'unità del circuito ad alta frequenza e l'unità del circuito a bassa frequenza dovrebbero anche essere separati. Common circuit board layout principles are as follows.

1) The principle of determining the location of special components:
‘ The heating element should be placed in a position conducive to heat dissipation, such as the edge of the Scheda PCB, and away from the microprocessor chip;
‘¡ Special high-frequency components should be placed next to each other to shorten the connection between them;
‘¢Sensitive components should be kept away from noise sources such as clock generators and oscillators;
‘£ The layout of adjustable components such as potentiometers, adjustable inductors, condensatori variabili, and key switches should conform to the structural requirements of the whole machine and facilitate adjustment;
‘¤ Components with heavier mass should be fixed with brackets;
‘¥EMI filter should be placed close to the EMI source.

2) The principle of laying out the umbrella components of the circuit according to the circuit functional unit:
‘  Each functional circuit should determine the corresponding position according to the signal flow between them to facilitate wiring;
‘¡ Each functional circuit should first determine the position of the components, and place other components around the components to shorten the connection between the components as much as possible;
‘¢ For high-frequency circuits, the distribution parameters between components should be considered;
‘£ Components placed on the edge of the circuit board should be no less than 2mm away from the edge of the circuit board.
# The DC #/Convertitore CC, switch tube and rectifier should be placed as close to the transformer as possible to reduce external radiation;
‘¥ Voltage regulating components and filter capacitors should be placed close to the rectifier diode.

2.3 The wiring principle of power supply and ground
Whether the wiring of the power supply and the ground of the Scheda PCB è ragionevole è la chiave per ridurre l'interferenza elettromagnetica dell'intero circuito stampato. The design of power lines and ground lines is a problem that cannot be ignored in the Scheda PCB, ed è spesso un disegno difficile. The design should follow the following principles.

1) Wiring skills for power and ground
The wiring on the PCB is characterized by distributed parameters such as impedance, capacitive reactance and inductive reactance. Al fine di ridurre l'influenza dei parametri di distribuzione del Scheda PCB wiring on the high-speed electronic system, the wiring principles for the power supply and the ground are as follows:
‘ Increase the spacing of the traces to reduce the crosstalk of capacitive coupling;
‘¡ The power line and the ground line should be routed in parallel to make the distributed capacitance reach;
‘¢ According to the size of the carrying current, try to increase the width of the power line and the ground line as much as possible, ridurre la resistenza del ciclo, and at the same time make the direction of the power line and the ground line in each functional circuit consistent with the transmission direction of the signal, che contribuirà a migliorare le prestazioni. Anti-interference ability;
‘£ The power supply and the ground should be routed directly above each other, riducendo così la reattanza induttiva e rendendo l'area del ciclo, and try to make the ground wire go under the power line as much as possible;
‘¤ The thicker the ground wire, meglio è, generally the width of the ground wire is not less than 3mm;
‘¥ The ground wire is formed into a closed loop to reduce the potential difference on the ground wire and improve the anti-interference ability;
‘¦ In the multi-layer board wiring design, uno degli strati può essere utilizzato come "piano di terra pieno", which can reduce the ground impedance and at the same time play a shielding role.

2) Grounding skills of each functional circuit
The grounding methods of each functional circuit of the Scheda PCB are divided into single-point grounding and multi-point grounding. 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. Single-point series grounding is often used for protective grounding because the length of each grounding wire is different, l'impedenza di messa a terra di ogni circuito è diversa, and the electromagnetic compatibility performance is reduced. Ogni circuito di messa a terra parallela a punto singolo ha il proprio filo di messa a terra, so the mutual interference is small, ma può estendere il filo di messa a terra e aumentare l'impedenza di messa a terra. It is often used for signal grounding, messa a terra analogica, and power grounding. Messa a terra multipunto significa che ogni circuito ha un punto di messa a terra, as shown in Figure 5. La messa a terra multi-punto è spesso utilizzata nei circuiti ad alta frequenza, with short grounding lines and small grounding impedance values, ridurre l'interferenza dei segnali ad alta frequenza. In order to reduce the interference caused by grounding, the grounding must also meet certain requirements:
‘ The ground wire should be as short as possible, and the ground plane should be large;
‘¡ Avoid unnecessary ground loops and reduce the interference voltage of the common ground;
‘¢The grounding principle is to adopt different grounding methods for different signals, and all groundings cannot be taken to the same grounding point;
‘£ When designing a multi-layer Scheda PCB, lo strato di alimentazione e lo strato di messa a terra dovrebbero essere posizionati negli strati adiacenti il più possibile, so that the capacitance between the layers can be formed in the circuit and the electromagnetic interference can be reduced;
‘¤ Try to avoid strong and weak current signals, Segnali digitali e analogici in comune.

3) Place the gridded plane
Gridding is an important design technique for two-layer boards. Griglia è di estendere il filo di terra sul Scheda PCB and use the ground fill pattern to construct a grid network connected to the ground, formare un piano di terra efficace, che può ridurre il rumore come una scheda a quattro strati. It has two purposes: ‘  imitating the ground plane of a four-layer board, fornire un percorso di ritorno sottostante per ogni linea di segnale; '¡ riduzione dell'impedenza tra il microprocessore e il regolatore di tensione. The principles that should be paid attention to when designing are:
‘ Each ground wire extends to fill the space of the printed circuit board as much as possible;
‘¡ Place as many grilles as possible on the two-layer board;
‘¢ Use as many through holes as possible to connect the top and bottom grids when the size is appropriate;
‘£ The lines do not have to be at right angles or the same width.

4) Use of high frequency decoupling capacitors and ferrite beads
In digital circuits, quando cambia lo stato del cancello logico, a large spike will be generated on the power supply, formare una tensione acustica istantanea. In this case, Condensatori di disaccoppiamento o perline di ferrite sono generalmente utilizzati per limitare il cambiamento improvviso della corrente. change to reduce radiation. Di solito, a high-frequency decoupling capacitor with a capacity of about 0.01¼F ~ 0.1μF is added between the power supply and the ground of each chip, and ferrite beads are placed on the power line close to the chip to block the radio frequency from the power line. sorgente corrente. When designing, try to:
‘  Use tantalum capacitors instead of aluminum electrolytic capacitors, which have large internal inductance;
‘¡The closer the capacitor is to the chip, meglio è, and the lead of the decoupling capacitor should not be too long;
‘¢The ferrite beads are only used on the +V power supply line, not on the ground line;
‘£ Place the ferrite beads as close to the noise source as possible.

2.4 Wiring principles of signal lines

1) Reduce the capacitive and inductive crosstalk of the line
When wiring, there is capacitive and inductive crosstalk between lines that are run in parallel even over short distances. When capacitively coupled, un bordo ascendente sulla fonte causa un bordo ascendente sulla vittima. With inductive coupling, the voltage change on the victim is the opposite of the change on the source. La maggior parte delle conversazioni incrociate è capacitiva, and the magnitude of the noise is proportional to the parallel distance, frequency, source voltage amplitude, and victim impedance, e inversamente proporzionale alla distanza le due linee sono separate. Therefore, the measures to reduce crosstalk are:
‘  Keep the lines connected to the microprocessor that carry radio frequency noise away from other signals;
‘¡The return ground wire of the signal that may be the victim of noise should be routed below it;
‘¢ Do not take noise lines on the outer edge of the circuit board;
‘£ If possible, route some noisy lines together and then surround them with a ground wire;
‘¤ Keep non-noisy lines away from areas on the board that are prone to receiving noise, such as connectors, circuiti oscillatori, relays, and relay drivers.

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.