Progettazione di compatibilità elettromagnetica basata sulla scheda PCB

1. 1. Introduzione al PCB 
PCB, il nome cinese è circuiti stampati,è un importante componente elettronico, un organismo di supporto per componenti elettronici, e un fornitore di collegamenti elettrici per componenti elettronici. Perché è fatto utilizzando la stampa elettronica, si chiama circuito stampato. L'inventore del circuito stampato è stato l'austriaco Paul Eisler, che nel 1936 utilizzò il circuito stampato in un'unità radio. Nel 1943, Gli americani hanno utilizzato ampiamente la tecnologia nelle radio militari. Nel 1948, Gli Stati Uniti hanno ufficialmente riconosciuto l'invenzione per uso commerciale. La tecnologia dei circuiti stampati è stata ampiamente adottata solo dalla metà degli anni '50. Prima dell'avvento del circuiti stampati, L'interconnessione tra componenti elettronici è stata ottenuta tramite collegamento diretto di fili. Ora, i pannelli di circuito esistono solo come strumenti sperimentali efficaci; circuiti stampati sono arrivati a dominare l'industria elettronica. Classificazione in base al numero di strati del circuito: diviso in un lato, Schede bifacciali e multistrato. Le schede multistrato comuni sono generalmente schede a 4 strati o schede a 6 strati, Le schede multistrato complesse possono raggiungere più di dieci strati.

1.There are three main types of division:PCB board:

1) Single panel

A single-sided board is a basic PCB with parts concentrated on one side and wires on the other side. Perché i fili appaiono solo su un lato, Questo tipo di PCB è chiamato unilaterale. Perché le schede singole hanno molti vincoli rigorosi nella progettazione dei circuiti, Solo i circuiti precoci utilizzavano questi tipi di schede.

2)Doppio pannello

Il circuito stampato bifacciale ha cablaggio su entrambi i lati, ma utilizzare i fili su entrambi i lati, ci deve essere un corretto collegamento del circuito tra i due lati. Tali "ponti" tra i circuiti sono chiamati vias. Vias sono piccoli fori su un PCB, riempiti o verniciati con metallo, che può essere collegato a fili su entrambi i lati. Perché le tavole bifacciali hanno il doppio dell'area delle tavole monofacciali, e perché il cablaggio può essere interleaved, è più adatto per circuiti più complessi rispetto alle schede monofacciali.

3) Scheda multistrato

Al fine di aumentare l'area che può essere cablata, Le schede multistrato utilizzano più schede di cablaggio mono o bifacciale. Un circuito stampato con uno strato interno bifacciale, due strati esterni monolaterali, oppure due strati interni bifacciali e due strati esterni monofacciali, alternati tra loro da un sistema di posizionamento e materiali isolanti di incollaggio, e modelli conduttivi. I circuiti stampati che sono interconnessi secondo i requisiti di progettazione diventano quattro strati e sei strati circuiti stampati, noto anche come multistrato circuiti stampati. Il numero di strati della scheda rappresenta diversi strati di cablaggio indipendenti, di solito il numero di strati è pari, e comprende i due strati esterni. La maggior parte delle schede madri sono strutture da 4 a 8 strati, ma tecnicamente, quasi 100 strati Scheda PCBs può essere raggiunto. La maggior parte dei supercomputer di grandi dimensioni utilizza schede madri abbastanza multi-layer, ma perché tali computer possono essere sostituiti da cluster di molti computer ordinari, Le schede ultra-multistrato sono gradualmente cadute fuori uso. Perché gli strati nel PCB sono strettamente combinati, in genere non è facile vedere il numero effettivo, ma se guardate attentamente la scheda madre, lo vedi ancora.

Secondo la classificazione morbida e dura, è diviso in circuiti stampati ordinari e circuiti stampati flessibili. PCB è una piattaforma di lavoro per i componenti del circuito in apparecchiature elettroniche. Fornisce collegamenti elettrici tra i componenti del circuito. Le sue prestazioni sono direttamente correlate alla qualità delle apparecchiature elettroniche. Con il rapido sviluppo della tecnologia microelettronica e il miglioramento dell'integrazione del circuito, la densità dei componenti sul Scheda PCB sta diventando sempre più alto, e la velocità di lavoro del sistema sta diventando sempre più veloce, che rende il progettazione di compatibilità elettromagnetica PCB sempre più importante, La chiave per il funzionamento stabile e normale del sistema.

2. IME comune nel PCB

Ci sono due modi per risolvere il problema di compatibilità elettromagnetica nella progettazione PCB: riduzione attiva e compensazione passiva. Per questo motivo, la sorgente di interferenza e il percorso di propagazione delle interferenze elettromagnetiche devono essere analizzati. Le interferenze elettromagnetiche che di solito esistono nella progettazione di PCB includono: interferenze condotte, interferenza incrociata e interferenza radioattiva.

2.1 Interferenze condotte

L'interferenza condotta colpisce principalmente altri circuiti attraverso l'accoppiamento del cavo e la coppia di impedenza di modo comune. Per esempio, se il rumore entra in un sistema attraverso un circuito di alimentazione, tutti i circuiti che utilizzano l'alimentazione elettrica saranno interessati. La figura 1 mostra che il rumore è accoppiato attraverso l'impedenza del modo comune. Il circuito 1 e il circuito 2 utilizzano un cavo comune per ottenere la tensione di alimentazione e il ritorno a terra. Se la tensione del circuito 1 improvvisamente deve aumentare, allora la tensione del circuito 2 deve essere dovuta all'alimentazione comune e l'impedenza tra i due circuiti diminuisce.

2.2 Interferenza tra conversazioni incrociate

Crosstalk è quando una linea di segnale interferisce con un altro percorso di segnale adiacente. Di solito si verifica su circuiti e conduttori adiacenti, ed è caratterizzato dalla capacità reciproca e dall'induttanza reciproca di circuiti e conduttori. Per esempio, una striscia sul PCB porta un segnale di basso livello, e quando la lunghezza del cablaggio parallelo supera 10cm, si verificheranno interferenze crosstalk. Poiché il crosstalk può essere causato dalla capacità reciproca del campo elettrico e dall'induttanza reciproca del campo magnetico, quando si considera il problema crosstalk sulla stripline PCB, Il problema principale è quello di determinare quale del campo elettrico e dell'accoppiamento del campo magnetico è il fattore principale.

2.3 Interferenza radiata

L'interferenza irradiata è l'interferenza introdotta dalla radiazione delle onde elettromagnetiche spaziali. L'interferenza di radiazione nel PCB è principalmente l'interferenza di radiazione corrente di modo comune tra cavi e tracce interne. Il problema dell'accoppiamento campo-linea si verifica quando le onde elettromagnetiche sono irradiate su una linea di trasmissione. Le piccole sorgenti di tensione distribuite lungo la linea possono essere decomposte in componenti in modalità comune e differenziale. La corrente di modalità comune si riferisce alla corrente sui due fili con una piccola differenza di ampiezza ma la stessa fase, mentre la corrente del modo differenziale si riferisce alla corrente sui due fili con la stessa ampiezza e fase opposta.

3. Progettazione di compatibilità elettromagnetica del PCB

Con la crescente densità di componenti elettronici e circuiti sul PCB Scheda, al fine di migliorare l'affidabilità e la stabilità del sistema, le misure corrispondenti devono essere adottate per rendere la progettazione del Scheda PCB soddisfare i requisiti di compatibilità elettromagnetica e migliorare le prestazioni anti-interferenza del sistema.

3.1 Selezione di Scheda PCB
In Scheda PCB design, Il crosstalk si verifica tra segnali sulle linee di trasmissione adiacenti a causa dell'accoppiamento reciproco dei campi elettromagnetici. Pertanto, nella progettazione della compatibilità elettromagnetica PCB, prima considerare le dimensioni del PCB. La dimensione del PCB è troppo grande, la linea stampata è troppo lunga, e l'impedenza aumenterà inevitabilmente, la capacità anti-rumore diminuirà, e il costo aumenterà; se la dimensione del PCB è troppo piccola, Il crosstalk è soggetto a verificarsi tra linee di trasmissione adiacenti, e la prestazione di dissipazione del calore non è buona. Il numero di strati del Scheda PCB è determinato in base ai fattori globali dell'alimentazione elettrica, il tipo di terreno, la densità delle linee di segnale, la frequenza del segnale, il numero di segnali richiesti per cablaggi speciali, gli elementi circostanti, e il costo e il prezzo. Per soddisfare i severi requisiti di EMC e considerare il costo di produzione, Aumentare adeguatamente il piano di terra è uno dei metodi di progettazione EMC PCB. Per lo strato di alimentazione, La divisione interna dello strato elettrico può generalmente soddisfare le esigenze di più alimentatori, ma se sono necessari più alimentatori e sono interconnessi, devono essere presi in considerazione due o più strati di piani di alimentazione. Per il livello del segnale, oltre a considerare la densità di routing delle linee di segnale, dal punto di vista EMC, è inoltre necessario considerare la schermatura o l'isolamento dei segnali chiave, in modo da determinare se aumentare il numero di strati corrispondenti.

3.2 Progettazione del layout PCB

Il layout del PCB dovrebbe generalmente seguire i seguenti principi:

(1) Cercare di abbreviare la connessione tra componenti ad alta frequenza e ridurre i loro parametri di distribuzione e le interferenze elettromagnetiche reciproche. I componenti che sono facilmente disturbati non dovrebbero essere troppo vicini tra loro, e l'ingresso e l'uscita devono essere tenuti il più lontano possibile.

(2) Ci può essere un'alta tensione tra alcuni componenti o fili, e la distanza tra loro dovrebbe essere aumentata per evitare cortocircuito accidentale causato da scarica.
(3) Il dispositivo con grande generazione di calore dovrebbe lasciare spazio per il dissipatore di calore, o anche installarlo sulla piastra inferiore di tutta la macchina per facilitare la dissipazione del calore. Gli elementi termici devono essere tenuti lontani dagli elementi riscaldanti.
(4) Disporre la posizione di ogni unità funzionale secondo il flusso del circuito, in modo che il layout sia conveniente per la circolazione del segnale, e il segnale può mantenere la stessa direzione possibile.
(5) Prendere il componente di ogni modulo funzionale come centro, e disporre intorno ad esso per ridurre al minimo e accorciare la lunghezza del cavo e della connessione tra i componenti.
(6) Considerare globalmente i parametri di distribuzione tra i componenti. Disporre i componenti in parallelo il più possibile, che non solo favorisce il miglioramento della capacità anti-interferenza, ma ha anche un bell'aspetto ed è facile da produrre in massa.

3.3 Progettazione del layout dei componenti

Rispetto ai componenti discreti, I componenti del circuito integrato hanno i vantaggi di una buona tenuta, meno giunti di saldatura e basso tasso di guasto, e dovrebbe essere preferito. Allo stesso tempo, La scelta di un dispositivo con una pendenza del segnale più lenta può ridurre i componenti ad alta frequenza generati dal segnale. L'uso completo dei componenti SMD può accorciare la lunghezza della connessione, ridurre l'impedenza, e migliorare la compatibilità elettromagnetica. Quando si organizzano i componenti, prima di tutto raggrupparli in un certo modo, metterli insieme nello stesso gruppo, e disporre separatamente componenti incompatibili per garantire che i componenti non interferiscano l'uno con l'altro nello spazio. Inoltre, I componenti pesanti devono essere fissati con staffe.

3.4 Progettazione di cavi di Scheda PCB
Il principio generale della progettazione del layout PCB è quello di posare in primo luogo l'orologio e le linee di segnale sensibili, e poi stendere le linee di segnale ad alta velocità, e le linee di segnale non importanti. Durante il cablaggio, secondo la premessa del principio generale, i seguenti dettagli devono essere presi in considerazione:

(1) nel cablaggio della scheda multistrato, una struttura di rete "ben" è utilizzata tra gli strati adiacenti;

(2) Ridurre la flessione del filo ed evitare il cambiamento improvviso nella larghezza del filo. Al fine di evitare cambiamenti di impedenza caratteristici, gli angoli delle linee di segnale dovrebbero essere progettati in archi o collegati con linee rotte a 45 gradi;

(3) La distanza tra i conduttori esterni o componenti del Scheda PCB non è inferiore a 2mm dal bordo della scheda stampata, che non solo impedisce alla caratteristica impedenza di cambiare, ma facilita anche il bloccaggio PCB;
(4) Per i dispositivi che devono posare una grande area di lamina di rame, dovrebbero essere a forma di griglia e collegati al suolo tramite vias;
(5) I fili corti e sottili possono efficacemente sopprimere l'interferenza, ma la larghezza del filo troppo piccola aumenterà la resistenza del filo. La larghezza del filo dipende dalla corrente che passa attraverso il filo. In generale, per rame con spessore 0.05mm e una larghezza di 1mm Il carico corrente ammissibile del foglio è 1A. Per circuiti integrati digitali a bassa potenza, larghezza della linea 0.2-0.5 mm può essere selezionato. Nello stesso PCB, la larghezza delle linee di terra e di alimentazione deve essere maggiore di quella delle linee di segnale.

3.5 Progettazione della linea elettrica di Scheda PCB
(1) Secondo la dimensione della corrente PCB del bordo stampato, cercare di ispessire la larghezza della linea elettrica e della linea di terra per ridurre la resistenza del ciclo. Allo stesso tempo, rendere la direzione della linea elettrica e della linea di terra coerente con la direzione della trasmissione dei dati, che aiuta a migliorare la capacità anti-rumore. .
(2) Prova a usare componenti SMD, abbreviare la lunghezza dei perni, ridurre l'area del circuito di alimentazione del condensatore di disaccoppiamento, e ridurre l'influenza dell'induttanza distribuita dei componenti.
(3) Aggiungere un filtro di alimentazione all'estremità anteriore del trasformatore di potenza per sopprimere il rumore di modo comune e il rumore di modo differenziale, e isolare l'interferenza del rumore di impulso esterno ed interno.
(4) I condensatori del filtro e i condensatori di disaccoppiamento dovrebbero essere aggiunti alle linee di alimentazione del circuito stampato. Aggiungere un condensatore elettrolitico di grande capacità all'ingresso di alimentazione della scheda per il filtraggio a bassa frequenza, e quindi collegare un condensatore ceramico di piccola capacità in parallelo per il filtraggio ad alta frequenza.
(5) Non sovrapporre l'alimentazione analogica e l'alimentazione digitale per evitare la capacità di accoppiamento e l'interferenza reciproca.

3.6 Progettazione del filo di terra di Scheda PCB
(1) In order to reduce the ground loop interference, è necessario trovare un modo per eliminare la formazione della corrente loop. In particolare, un trasformatore di isolamento, isolamento optocoppiatore, ecc. può essere utilizzato per tagliare la formazione della corrente del ciclo di terra, o un circuito di bilanciamento può essere utilizzato per eliminare la corrente del ciclo.
(2) In order to eliminate the coupling of the common impedance, l'impedenza del cavo di massa comune dovrebbe essere ridotta, il filo dovrebbe essere ispessito o rame dovrebbe essere posato sul filo di terra; d'altra parte, le interferenze reciproche possono essere evitate con opportuni metodi di messa a terra, come la messa a terra a punto singolo in parallelo, La messa a terra ibrida monopunto elimina completamente l'impedenza comune.
(3) In order to eliminate the interference of digital devices to analog devices, La terra digitale e la terra analogica dovrebbero essere separati, La terra analogica e la terra digitale dovrebbero essere impostate separatamente. I circuiti ad alta frequenza sono principalmente messi a terra in serie. Il filo di terra dovrebbe essere corto e spesso, e l'ambiente dei componenti ad alta frequenza dovrebbe essere schermato con una vasta area di rame simile a una griglia.

3.7 Layout del circuito oscillatore di cristallo su Scheda PCB
La frequenza del circuito dell'oscillatore di cristallo è alta, che lo rende un'importante fonte di interferenza nel sistema. Per quanto riguarda la disposizione del circuito oscillatore a cristalli, ci sono le seguenti considerazioni:
(1) Il circuito dell'oscillatore di cristallo è il più vicino possibile al blocco integrato, e tutte le linee stampate che collegano l'ingresso/I terminali di uscita dell'oscillatore di cristallo sono il più brevi possibile per ridurre l'influenza dell'interferenza di rumore e della capacità distribuita sull'oscillatore di cristallo.
(2) Il cavo di massa del condensatore oscillatore di cristallo dovrebbe essere collegato al dispositivo utilizzando il cavo stampato largo e corto possibile; i perni di terra digitali vicino all'oscillatore di cristallo dovrebbero ridurre al minimo il numero di vias.
(3) La cassa di cristallo è messa a terra.

3.8 Progettazione di protezione elettrostatica Scheda PCB
La scarica elettrostatica è caratterizzata da un alto potenziale, bassa carica, alta corrente e breve tempo. La protezione elettrostatica della progettazione PCB può essere considerata dai seguenti aspetti:
(1) Prova a scegliere componenti con alto livello antistatico, I componenti sensibili e con scarsa capacità antistatica devono essere tenuti lontani dalle sorgenti di scarica elettrostatica. I test hanno dimostrato che la distanza di rottura di ogni chilovolt di tensione elettrostatica è di circa 1mm, quindi se i componenti sono tenuti a una distanza di 16 mm dalla sorgente di scarica elettrostatica, the electrostatic voltage of about 16KV can be resisted;
(2) Assicurarsi che il ritorno del segnale abbia un percorso breve e aggiungere selettivamente condensatori del filtro e condensatori di disaccoppiamento per migliorare l'immunità di scarica elettrostatica del modello del segnale;
(3) Utilizzare dispositivi di protezione quali diodi di soppressione transitori di tensione per proteggere il circuito;
(4) Il personale pertinente deve indossare un braccialetto elettrostatico quando tocca il PCB per evitare danni di accumulo elettrostatico causati dal movimento della carica umana.

4. Conclusione

La progettazione di compatibilità elettromagnetica PCB è quella di ridurre la radiazione elettromagnetica esterna e migliorare la capacità di resistere alle interferenze elettromagnetiche. Layout razionale e cablaggio sono la chiave del design. I vari metodi e tecniche descritti in questo articolo sono utili per migliorare le caratteristiche EMC dei PCB ad alta velocità. Naturalmente, Questi sono solo parte del progetto EMC. Rumore riflesso, rumore di emissione irradiato, e altri problemi tecnologici di processo sono solitamente considerati. Interference. Nella progettazione effettiva, dovrebbero essere adottate ragionevoli misure di interferenza elettromagnetica in base ai requisiti e alle condizioni di progettazione previsti, e considerazioni globali dovrebbero essere prese per progettare circuiti stampati con buone prestazioni EMC.