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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, in modo che l'apparecchiatura non possa soddisfare i requisiti dell'indice tecnico specificati nella norma di compatibilità elettromagnetica.
Per sopprimere l'IME, the Progetto EMI di i circuiti digitali devono essere eseguiti secondo i seguenti principi:
1.1 Secondo l'EMC pertinente/Specifiche tecniche EMI, tGli indicatori sono scomposti in circuiti a scheda singola per il controllo gerarchico.
1.2 Controllo dai tre elementi di EMI, vale a dire, la fonte di interferenza, il percorso di accoppiamento energetico e il sistema sensibile, in modo che il circuito abbia una risposta in frequenza piatta e assicuri il funzionamento normale e stabile del circuito.
1.3 Inizia con il design front-end dell'attrezzatura, prestare attenzione alla EMC/EMI design, e ridurre i costi di progettazione.

Circuiti stampati

2. Tecnologia di controllo EMI del circuito digitale Scheda PCB
Quando si tratta di varie forme di IME, i problemi specifici devono essere analizzati. Nella progettazione della scheda PCB dei circuiti digitali, Il controllo dell'IME può essere effettuato dai seguenti aspetti:.
2.1 Selezione dispositivo

Nella progettazione EMI, la prima cosa da considerare è la velocità del dispositivo selezionato. Qualsiasi circuito che sostituisce un dispositivo con un tempo di salita di 5ns con un dispositivo con un tempo di salita di 2,5 ns aumenterà l'IME di un fattore di circa 4. L'intensità irradiata dell'EMI è proporzionale al quadrato della frequenza, noto anche come banda di emissione EMI, che è una funzione del tempo di aumento del segnale piuttosto che della frequenza del segnale: fknee =0.35/Tr (dove Tr è il tempo di aumento del segnale del dispositivo). La gamma di frequenza di questo tipo di EMI irradiato è 30 MHz a diversi GHz, e in questa banda di frequenza, le lunghezze d'onda sono così corte che anche il cablaggio molto corto sul circuito può diventare un'antenna trasmittente. Quando l'IME è alto, il circuito è incline a perdere la normale funzione. Pertanto, in termini di scelta del dispositivo, 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, nella progettazione ad alta velocità, l'influenza del modulo di imballaggio del dispositivo sul segnale non può essere ignorata, perché è anche un fattore importante per generare radiazioni EMI. In generale, i parametri parassitari dei dispositivi SMD sono più piccoli di quelli dei dispositivi plug-in, e i parametri parassitari dei pacchetti BGA sono più piccoli di quelli dei pacchetti QFP.

2.2 Selezione del connettore e definizione del terminale del segnale

Il connettore è il collegamento chiave della trasmissione del segnale ad alta velocità ed è anche l'anello debole che è incline all'EMI. Nella progettazione del terminale del connettore,Più perni di terra possono essere disposti per ridurre la distanza tra il segnale e il terreno, ridurre l'area effettiva del loop del segnale che genera radiazioni nel connettore, e fornire un percorso di ritorno a bassa impedenza. Se necessario, considerare l'isolamento di alcuni segnali chiave con perni di terra.

2.3

Progettazione laminata

Se il costo lo consente, 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. Per schede PCB ad alta velocità, i piani di potenza e terra sono accompagnati in prossimità per ridurre l'impedenza dell'alimentazione elettrica, riducendo così l'EMI.


2.4

Layout

Secondo il flusso di corrente del segnale, un layout razionale può ridurre l'interferenza tra i segnali. Un layout adeguato è la chiave per controllare l'IME. I principi fondamentali del layout sono:

(1) il segnale analogico è facilmente interferito dal segnale digitale e il circuito analogico dovrebbe essere separato dal circuito digitale;

(2) la linea dell'orologio è la fonte principale di interferenza e radiazione, in modo da tenerlo lontano dai circuiti sensibili e mantenere la linea dell'orologio breve;

(3) i circuiti con alta corrente e alto consumo energetico dovrebbero essere evitati per quanto possibile nell'area centrale del bordo e l'influenza della dissipazione del calore e della radiazione dovrebbe essere presa in considerazione allo stesso tempo;

(4) i connettori dovrebbero essere disposti su un lato della scheda per quanto possibile e lontano dai circuiti ad alta frequenza;

(5) L'ingresso/Il circuito di uscita è vicino al connettore corrispondente, e il condensatore di disaccoppiamento è vicino al corrispondente pin di alimentazione elettrica;

(6) considerare pienamente la fattibilità del layout per la divisione dell'energia e i dispositivi multi-potenza dovrebbero essere posizionati oltre il confine dell'area di divisione del potere per ridurre efficacemente l'impatto della divisione del piano sull'IME;

(7) Il piano di riflusso (percorso) non è diviso

.

2.5

Cablaggio

(1) Controllo dell'impedenza: Le linee di segnale ad alta velocità mostreranno le caratteristiche delle linee di trasmissione e il controllo dell'impedenza è richiesto per evitare la riflessione del segnale, eccesso e schizzo, e ridurre le radiazioni EMI.

(2) Classificare i segnali, in base all'intensità di radiazione EMI e alla sensibilità dei diversi segnali (segnale analogico, segnale orologio, I/Segnale O, bus, alimentazione elettrica, ecc.), separare la sorgente di interferenza dal sistema sensibile il più possibile per ridurre l'accoppiamento.

(3) Controllare rigorosamente la lunghezza della traccia, il numero di vias, stazioni incrociate, terminazioni, strati di cablaggio, percorsi di ritorno, ecc. dei segnali di clock (specialmente segnali di clock ad alta velocità).

(4) Il segnale loop, cioè il loop formato dal segnale che segna verso il segnale che segna in, è la chiave per il controllo EMI nella progettazione di PCB e deve essere controllato durante il cablaggio. Per capire la direzione di flusso di ogni segnale chiave, instradare il segnale chiave vicino al percorso di ritorno per garantire la sua area loop. Per segnalare a bassa frequenza, far scorrere la corrente attraverso il percorso del resistore; Per segnali ad alta frequenza, Fare il flusso di corrente ad alta frequenza attraverso il percorso dell'induttore, non il percorso della resistenza. Per le radiazioni in modo differente, l'intensità di radiazione EMI (E) è proporzionale alla corrente, l'area del ciclo corrente, e al quadrato della frequenza. (dove I è la corrente, A è l'area del ciclo, f è la frequenza, r è la distanza dal centro del ciclo, e k è una costante.) Quindi quando il percorso di ritorno dell'induttore è appena sotto il conduttore del segnale, l'area corrente del ciclo può essere ridotta, riducendo così l'energia irradiata dall'EMI. I segni critici non devono attraversare l'area segmentata. Le tracce del segnale differenziale ad alta velocità dovrebbero essere il più strettamente possibile accoppiate. Assicurati che le striplines, microstrip lines, e i loro piani di riferimento alimentare i requisiti. I cavi dei condensatori di disaccoppiamento dovrebbero essere corti e larghi. Tutte le tracce di segnale devono essere tenute il più lontano possibile dal bordo della scheda. Per reti di connessione multipunto, scegliere una topologia appropriata per ridurre i riflessi del segnale e ridurre le emissioni EMI

.

2.6

Elaborazione frazionata del piano di potenza

(1) Divisione dello strato di alimentazione elettrica

Quando ci sono uno o più subalimentatori su un piano di alimentazione principale, garantire la continuità di ogni area di alimentazione e una larghezza sufficiente del foglio di rame. La linea di divisione non deve essere troppo grande, generalmente una larghezza di linea di 20-50 mil è sufficiente per ridurre la radiazione di gap.

(2) Divisione dello strato di terra

Lo strato del piano terra deve rimanere intatto per evitare la frammentazione. Se deve essere diviso, distinguere il terreno digitale, il terreno analogico e il rumore terreno, e collegare al terreno esterno attraverso un punto di terra comune all'uscita. Al fine di ridurre la radiazione frangia dell'alimentatore, il power/Il piano di terra deve seguire il principio di progettazione 20H, cioè la dimensione del piano di terra è 20H più grande della dimensione del piano di potenza, in modo che l'intensità di radiazione del campo frangia possa essere ridotta del 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) Terra digitale separata, terra analogica e terra rumorosa, 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) Prova di scansione, 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.