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Tecnologia di controllo EMI nella progettazione di circuiti digitali PCB
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Tecnologia di controllo EMI nella progettazione di circuiti digitali PCB

Tecnologia di controllo EMI nella progettazione di circuiti digitali PCB

2022-01-21
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Author:pcb

1. Principio di generazione e soppressione dell'IME

EMI in circuiti stampati design is caused by sources of electromagnetic interference that transfer energy to sensitive systems through coupling paths. It includes three basic forms: conduction through wire or common ground, radiation through space, o accoppiamento tramite campo vicino. The harm of EMI is manifested as reducing the quality of the transmission signal, causare interferenze o addirittura danni al circuito o all'apparecchiatura, so that the equipment cannot meet the technical index requirements specified in the electromagnetic compatibility standard.
Per sopprimere l'IME, the Progetto EMI di digital circuits should be carried out according to the following principles:
1.1 Secondo l'EMC pertinente/Specifiche tecniche EMI, the indicators are decomposed into single-board circuits for hierarchical control.
1.2 Control from the three elements of EMI, vale a dire, the interference source, il percorso di accoppiamento energetico e il sistema sensibile, so that the circuit has a flat frequency response and ensures the normal and stable operation of the circuit.
1.3 Start with the front-end design of the equipment, prestare attenzione alla EMC/EMI design, e ridurre i costi di progettazione.

Circuiti stampati

2. EMI control technology of digital circuit PCB board
When dealing with various forms of EMI, i problemi specifici devono essere analizzati. In the PCB board design of digital circuits, Il controllo dell'IME può essere effettuato dai seguenti aspetti:.
2.1 Device Selection
Nella progettazione EMI, the first thing to consider is the speed of the selected device. Qualsiasi circuito che sostituisce un dispositivo con un tempo di salita di 5ns con un dispositivo con un tempo di salita di 2.5ns will increase EMI by a factor of about 4. L'intensità irradiata dell'EMI è proporzionale al quadrato della frequenza, also known as the EMI emission bandwidth, che è una funzione del tempo di aumento del segnale piuttosto che della frequenza del segnale: fknee =0.35/Tr (where Tr is the signal rise time of the device). The frequency range of this type of radiated EMI is 30MHz to several GHz, e in questa banda di frequenza, the wavelengths are so short that even very short wiring on the circuit board can become a transmitting antenna. Quando l'IME è alto, the circuit is prone to lose normal function. Pertanto, in terms of device selection, sulla premessa di garantire i requisiti di prestazione del circuito, I chip a bassa velocità dovrebbero essere utilizzati il più possibile, and appropriate driving/devono essere utilizzati circuiti di ricezione. In addition, poiché i perni di piombo del dispositivo hanno induttanza parassitaria e capacità parassitaria, in high-speed design, l'influenza del modulo di imballaggio del dispositivo sul segnale non può essere ignorata, because it is also an important factor to generate EMI radiation. In generale, the parasitic parameters of SMD devices are smaller than those of plug-in devices, e i parametri parassitari dei pacchetti BGA sono più piccoli di quelli dei pacchetti QFP.

2.2 Connector selection and signal terminal definition
Connector is the key link of high-speed signal transmission, and it is also the weak link that is prone to EMI. Nella progettazione del terminale del connettore, more ground pins can be arranged to reduce the distance between the signal and the ground, ridurre l'area effettiva del loop del segnale che genera radiazioni nel connettore, and provide a low-impedance return path. Se necessario, consider isolating some key signals with ground pins.

2.3 Laminate Design
If the cost permits, Aumentare il numero di strati di terra e posizionare lo strato di segnale vicino allo strato del piano di terra può ridurre la radiazione EMI. For high-speed PCB boards, i piani di potenza e terra sono accoppiati in prossimità per ridurre l'impedenza dell'alimentazione elettrica, thereby reducing EMI.

2.4 Layout
According to the signal current flow, un layout ragionevole può ridurre l'interferenza tra i segnali. Proper layout is the key to controlling EMI. The basic principles of layout are:
(1) The analog signal is easily interfered by the digital signal, and the analog circuit should be separated from the digital circuit;
(2) The clock line is the main source of interference and radiation, so keep it away from sensitive circuits and keep the clock line short;
(3) Circuits with high current and high power consumption should be avoided as far as possible in the central area of the board, and the influence of heat dissipation and radiation should be considered at the same time;
(4) The connectors should be arranged on one side of the board as far as possible and away from high-frequency circuits;
(5) The input/Il circuito di uscita è vicino al connettore corrispondente, and the decoupling capacitor is close to the corresponding alimentazione elettrica pin;
(6) Fully consider the feasibility of layout for power splitting, and multi-power devices should be placed across the boundary of il potere splitting area to effectively reduce the impact of plane splitting on EMI;
(7) The reflow plane (path) is not divided.

2.5 Wiring
(1) Impedance control: High-speed signal lines will exhibit the characteristics of transmission lines, and impedance control is required to avoid signal reflection, eccesso e squillo, e ridurre le radiazioni EMI.
(2) Classify the signals, according to the EMI radiation intensity and sensitivity of different signals (analog signal, segnale orologio, I/Segnale O, bus, power supply, ecc.), separate the interference source from the sensitive system as much as possible to reduce coupling.
(3) Strictly control the trace length, number of vias, partizioni incrociate, terminations, strati di cablaggio, return paths, etc. of clock signals (especially high-speed clock signals).
(4) The signal loop, that is, il loop formato dal segnale che scorre verso il segnale che scorre in, is the key to EMI control in PCB design and must be controlled during wiring. Per capire la direzione di flusso di ogni segnale chiave, route the key signal close to the return path to ensure its loop area. Per segnali a bassa frequenza, make the current flow through the path of the resistor; for high-frequency signals, Fare il flusso di corrente ad alta frequenza attraverso il percorso dell'induttore, not the path of the resistor. Per le radiazioni in modo differenziale, the EMI radiation intensity (E) is proportional to the current, l'area del ciclo corrente, and the square of the frequency. (where I is the current, A is the loop area, f è la frequenza, r is the distance to the center of the loop, e k è una costante.) So when the inductor return path is just below the signal conductor, l'area corrente del ciclo può essere ridotta, Thereby reducing EMI radiated energy. I segnali critici non devono attraversare l'area segmentata. High-speed differential signal traces should be as tightly coupled as possible. Assicurati che le striplines, microstrip lines, e i loro piani di riferimento soddisfano i requisiti. The leads of the decoupling capacitors should be short and wide. Tutte le tracce di segnale devono essere tenute il più lontano possibile dal bordo della scheda. For multi-point connection networks, scegliere una topologia appropriata per ridurre i riflessi del segnale e ridurre le emissioni EMI.

2.6 Split Processing of Power Plane
(1) Division of the power supply layer
When there are one or more sub-power supplies on a main power supply plane, ensure the continuity of each power supply area and sufficient copper foil width. La linea di divisione non deve essere troppo larga, generally a line width of 20-50 mil is sufficient to reduce the gap radiation.
(2) Division of the ground layer
The ground plane layer should remain intact to avoid fragmentation. If it must be divided, distinguere il terreno digitale, the analog ground and the noise ground, e collegarlo al terreno esterno attraverso un punto di terra comune all'uscita. In order to reduce the fringe radiation of the power supply, the power/Il piano di terra dovrebbe seguire il principio di progettazione 20H, that is, la dimensione del piano di terra è 20H più grande della dimensione del piano di potenza, so that the fringe field radiation intensity can be reduced by 70%.

3. Altri metodi di controllo dell'IME

3.1 Progettazione del sistema elettrico

(1) Progettare un sistema di alimentazione a bassa impedenza per garantire che l'impedenza del sistema di distribuzione dell'energia nell'intervallo di frequenza inferiore a fknee sia inferiore all'impedenza bersaglio.

(2) Utilizzare un filtro per controllare le interferenze condotte.

(3) disaccoppiamento dell'alimentazione elettrica. Nella progettazione EMI, fornire ragionevoli condensatori di disaccoppiamento può far funzionare il chip in modo affidabile, e ridurre il rumore ad alta frequenza nell'alimentazione elettrica, riducendo EMI. A causa dell'influenza dell'induzione del filo e di altri parametri parassitari, l'alimentazione e i suoi cavi di alimentazione sono lenti a rispondere, che possono rendere insufficiente la corrente istantanea richiesta dal driver nel circuito ad alta velocità. La progettazione ragionevole dei condensatori di bypass o disaccoppiamento e la capacità distribuita dello strato di alimentazione può fornire rapidamente corrente al dispositivo utilizzando l'effetto di accumulo di energia del condensatore prima che l'alimentazione risponda. Un corretto disaccamento capacitivo fornisce un percorso di potenza a bassa impedenza, che è fondamentale per ridurre l'EMI common mode.

3.2 Messa a terra

La progettazione a terra è la chiave per ridurre l'EMI di tutta la scheda.

(1) Assicurarsi di utilizzare messa a terra a punto singolo, messa a terra a più punti o messa a terra mista.

(2) Separate digital ground, analog ground and noise ground, e determinare un punto comune adeguato.

(3) Se non c'è strato di filo di terra nel disegno bifacciale, è molto importante progettare la rete metallica di terra razionalmente, e la larghezza del filo di terra, larghezza del cavo di alimentazione, e la larghezza del filo di segnale dovrebbe essere garantita. È anche possibile utilizzare un metodo di pavimentazione di grandi superfici, ma va notato che la continuità del terreno di grande superficie sullo stesso strato è migliore.

(4) Per la progettazione del bordo multistrato, assicurarsi che ci sia uno strato piano di terra per ridurre l'impedenza comune di terra.

3.3 Resistenza di smorzamento in serie

Partendo dalla premessa che i requisiti di temporizzazione del circuito consentono, La tecnologia di base per superare la sorgente di interferenza è quella di inserire un piccolo valore di resistenza in serie all'estremità di uscita del segnale chiave, solitamente una resistenza 22-33Ω . Il collegamento di serie di piccole resistenze ai terminali di uscita può raccogliere l'aumento/fall time and smooth the overshoot and undershoot signals, riducendo così l'ampiezza armonica ad alta frequenza della forma d'onda in uscita e sopprimendo efficacemente EMI.

3.4 Scudo

(1) I dispositivi chiave possono utilizzare il materiale di schermatura EMI o la rete di schermatura.

(2) La schermatura dei segnali chiave può essere progettata come linee di striscia o isolata da fili di terra su entrambi i lati dei segnali chiave.

3.5 Diffusione dello spettro

Il metodo Spread Spectrum (Spread Spectrum) è un nuovo metodo efficace per ridurre l'IME. Spread spectrum è quello di modulare il segnale per espandere l'energia del segnale ad una gamma di frequenze relativamente ampia. In effetti, Questo metodo è una modulazione controllata del segnale di clock, che non aumenta significativamente il jitter del segnale di clock. Le applicazioni pratiche hanno dimostrato che le tecniche di diffusione dello spettro sono efficaci, riducendo le emissioni di 7 a 20 dB.

3.6 Analisi e prove EMI

(1) Analisi di simulazione. Dopo che il cablaggio della scheda PCB è completato, il software e il sistema di simulazione EMI possono essere utilizzati per l'analisi di simulazione per simulare l'EMC/Ambiente EMI per valutare se il prodotto soddisfa i requisiti delle pertinenti norme di compatibilità elettronica.

(2) Scanning test, utilizzare uno scanner di radiazioni elettriche per scansionare il disco della macchina dopo che l'assemblaggio è collegato e acceso.

4. Sintesi

Con il continuo sviluppo e applicazione di nuovi chip ad alta velocità, le frequenze del segnale sono sempre più alte, e i PCB che li trasportano possono diventare sempre più piccoli. La progettazione di schede PCB affronta sfide EMI più gravi. Solo attraverso l'esplorazione e l'innovazione continua può avere successo la progettazione EMC/EMI dei circuiti stampati.