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電磁干渉を低減するPCB基板設計原理
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電磁干渉を低減するPCB基板設計原理

2022-01-12
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Author:pcb

PCBボード 効果的干渉防止 デザイン のキーリンクです デザイン 電子製品, 回路ワークの信頼性と安定性に影響する. 回路基板上の電磁干渉の存在の主な理由を分析した, における電磁干渉の効果的な抑制と防止を要約する PCBボード デザイン 回路基板の選択から, 回路基板部品のレイアウト, 電力とグラウンドの配線, 信号線の配線. 措置と原則. プリント基板は電子製品の回路部品のキャリアである, 回路部品間の電気的接続の提供, そして、様々な電子機器の基本的なコンポーネントです. その性能は電子機器の品質に直接関係している. 情報化社会の発展と電子技術の発展, 回路の集積はますます高くなっている, 回路基板のサイズは小さくなっている, 回路基板上の構成要素の密度はますます高くなっている, そして電子製品の走行速度はますます高くなっている. したがって, 電磁干渉とそれ自体による互換性の問題は、より顕著です. したがって, の電磁干渉を減らす方法 PCBボードsは今日の電子技術で熱い話題になりました. 回路基板の電磁両立性問題は、電子システムが正常に動作できるかどうかの鍵である, これは、回路またはシステムの信頼性と安定性に影響を及ぼす. したがって, 電磁干渉問題を解決するには デザインアイシング PCBボード.

PCBボード

電磁妨害の理由に関して, 電磁波干渉を低減するための対策と原理 PCBボード デザイン 要約.
1. The reason for the existence of electromagnetic interference on the circuit board
に high-speed electronic system composed of switching power supply and microprocessor, 回路基板の電磁干渉は、主に既存の無線周波数干渉源から来る, コンポーネント, 基本ループと差動モードとコモンモードノイズ.

1.1 The source of radio 頻度 interference present on the circuit board
In an intelligent high-speed electronic system, 回路基板上の無線周波数干渉源は、主にマイクロプロセッサシステム100から来ている, 電源システム及び発振回路.
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. すべての入力に存在する, 出力, 同時に電力と地盤. これは、マイクロプロセッサのすべてのリードを作る潜在的なノイズです. 足に問題があるかもしれない. The problem is noise from the input and output pins (I/O) of the microprocessor. これらのノイズは、チップ内のクロックスイッチングによって主に発生する, 入力ピンと出力ピンを通して内部および外部ケーブルに接続されて、外へ放射されます, 主に短時間パルス波形干渉として現れる.
2) Power supply system
The power supply system includes the power regulator and its bypass capacitors on the regulator and microcontroller side. これらの回路は、システム内のすべてのRFエネルギーのソースであり、オンチップ順序回路に必要なスイッチング電流を供給する.
3) Oscillator circuit
The oscillator circuit provides a fast clock signal to the system, デジタルシステムで, 発振器の出力バッファはデジタルであるので, 正弦波を方形波に変換するとき、高調波は出力側に生成される. 内部操作によって生成されるノイズ, クロックバッファのような, 出力で表示され、コンポーネント結合.

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. 通常, the lead capacitance of through-hole components will self-oscillate (change from capacitive to inductive) at about 80MHz. したがって, 80 MHz以上のノイズを制御しなければならない, そして、スルーホール構成要素が使用されるならば、多くの重大な問題を考慮しなければなりません デザイン.
2) Basic circuit
Each edge transition transmitted from the microprocessor to another chip is a current pulse that flows to the receiving chip, レシーバチップのグランドピンの外にある, そして、それからグランドワイヤでマイクロプロセッサのグランドピンに戻る, 基本回路を作る. そのようなループは回路のどこにも存在する, そして、任意のノイズ電圧およびその付随する電流は、それが始まったところに戻る, 効果を起こす. リターンはシグナルラインとそのリターン経路でありえます, 力と地面の間のバイパス, マイクロプロセッサ内の水晶発振器及びドライバ, またはバイパスコンデンサへの電源の電圧レギュレータからの復帰. ループの幾何学的面積が大きい, 放射線が強い, そのため、戻り経路の形状とインピーダンスを制御することにより、ノイズ伝搬を緩和することができる.
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. つの線の間に差電圧がある, どのシグナルがその機能を実行するために生成しなければならないノイズですか. このノイズによって発生する電界強度は、周波数の2乗に比例する, 電流の大きさ, と現在のループの面積, 観測点からノイズ源までの距離に反比例する. したがって, 微分モード放射を減らす方法は、回路の動作周波数を減らすことである, 信号ループの面積を減らしたり、信号電流の強度を低下させる. 実際に有効な方法は、信号ループの面積を制御することである. コモンモードノイズは、電圧が信号に沿って移動している間、信号とリターンラインによって共有されるインピーダンスによって引き起こされるノイズであり、同時に、ラインを返す, それらの間に差電圧がない. コモンモードインピーダンスノイズは、ほとんどのマイクロプロセッサベースのシステムにおけるノイズの一般的な原因である. このノイズによって生じる電界強度は、周波数の大きさに比例する, 電流の大きさとケーブルの長さ, 観測点からノイズ源までの距離に反比例する. コモンモード放射を低減する方法は、接地線のインピーダンスを減少させることである, 線の長さを短くする, コモンモードチョークコイルを使用する.

2. PCBボード デザイン principles
Since the integration degree and signal frequency of the circuit board are getting higher and higher with the development of electronic technology, 電磁妨害は必然的にもたらされる. したがって, 次の原則は デザインアイシング PCBボード ある範囲内で回路基板の電磁干渉を制御する. それは、会うことができます デザイン 要件及び基準及び回路の全体的性能の向上.

2.1 Selection of circuit boards
The primary task of PCBボード デザイン は、回路基板のサイズを適切に選択することである. サイズが大きすぎるならば, 部品間の接続が長すぎるため、ラインのインピーダンス値が増加し、干渉防止能力が低下する. デバイスの高密度配置は、放熱を助長するものではない, そして、配線はあまりに薄く、高密度です, クロストークを起こしやすい. したがって, 適切なサイズの回路基板は、システム100の必要な構成要素に従って選択されるべきである. 回路基板は片面に分割される, 両面多層板. 回路基板の層の数の選択は、回路100によって実施される機能に依存する, 騒音指数, 信号の数とネットワークケーブル, etc. 適切な数の層は、回路自体の電磁両立性問題を低減することができる. 通常の選択原理は:信号周波数が媒体で低周波数の場合, 部品が少ない, そして、配線密度は低いか、媒体です, 片面または両面を選択;高配線密度用, 高集積と多くのコンポーネント, 多層3を使用する. 高信号周波用, 高速集積回路, 高密度部品, 回路基板の4つ以上の層を選択する. In the デザイン 多層板の, パワー層として単層を使用することができる, 信号層と接地層. 信号ループ領域を縮小し、差動モード放射を低減する. この理由から, 多層基板は、回路基板の放射を低減し、干渉防止能力を向上させることができる.


2.2 Layout of circuit board components
After determining the size of the PCBボード, 特別なコンポーネントの位置は、まず決定する必要があります, そして、回路の機能単位に従って、回路の全てのコンポーネントはブロックに配置されなければならない. デジタル回路ユニット, アナログ回路ユニットおよび電源回路ユニットは分離されるべきである, また、高周波回路ユニットと低周波回路ユニットも分離しなければならない. 一般的な回路基板のレイアウトの原理は次のとおりです.

1) The principle of determining the location of special components:
1. 加熱素子は、放熱に寄与する位置に置かれるべきである, のような PCBボード, and away from the microprocessor chip;
2. Special high-frequency components should be placed next to each other to shorten the connection between them;
3. Sensitive components should be kept away from noise sources such as clock generators and oscillators;
4. ポテンショメータのような調節可能な部品のレイアウト, 可変インダクタ, 可変コンデンサ, and key switches should conform to the structural requirements of the whole machine and facilitate adjustment;
5. Components with heavier mass should be fixed with brackets;
6. EMIフィルタはEMIソースの近くに置かれるべきです.

2) The principle of laying out the umbrella components of the circuit according to the circuit functional unit:
1. Each functional circuit should determine the corresponding position according to the signal flow between them to facilitate wiring;
2. 各機能回路は、部品の位置を最初に決定すべきである, and place other components around the components to shorten the connection between the components as much as possible;
3. 高周波回路, the distribution parameters between components should be considered;
4. 回路基板の縁部に配置された部品は、回路基板12の縁から2 mm以上離れていなければならない.
5. 直流/直流変換器, switch tube and rectifier should be placed as close to the transformer as possible to reduce external radiation;
6. 電圧調整部品及びフィルタコンデンサは整流ダイオードに近接して配置されるべきである.

2.3 The wiring principle of power supply and ground
Whether the wiring of the power supply and the ground of the PCBボード 回路基板全体の電磁干渉を低減する鍵となるのが妥当である. The デザイン 電力線と接地線のうち、 PCBボード, そして、しばしば難しい デザイン. The デザイン 以下の原則に従うべきです.

1) Wiring skills for power and ground
The wiring on the PCB is characterized by distributed parameters such as impedance, 容量性リアクタンスと誘導リアクタンス. の分布パラメータの影響を低減するために PCBボード 高速電子システムの配線, the wiring principles for the power supply and the ground are as follows:
1. Increase the spacing of the traces to reduce the crosstalk of capacitive coupling;
2. The power line and the ground line should be routed in parallel to make the distributed capacitance reach;
3. 搬送電流の大きさに応じて, できるだけ電力線と接地線の幅を大きくしようとする, ループ抵抗を減らす, そして同時に、信号の伝送方向と一致する各機能回路における電力線および接地線の方向を作る, パフォーマンスの向上に役立つ. Anti-interference ability;
4. 電源と地面は互いに直接に発送されるべきである, これにより、誘導性リアクタンスを低減し、ループ面積を作る, and try to make the ground wire go under the power line as much as possible;
5. 接地線を厚くする, より良い, generally the width of the ground wire is not less than 3mm;
6. The ground wire is formed into a closed loop to reduce the potential difference on the ground wire and improve the anti-interference ability;
7. 多層基板配線 デザイン, 層の1つは、“フルグランドプレーン”として使用することができる, これはグラウンドインピーダンスを減少させ、同時にシールドの役割を果たすことができる.

2) Grounding skills of each functional circuit
The grounding methods of each functional circuit of the PCBボード シングルポイント接地と多点接地に分割. 単点接地は、接続点に応じて単点直列接地と一点並列接地に分割される. 各接地線の長さが異なるので、1つの点直列接地は保護接地のためにしばしば使用される, 各回路の接地インピーダンスは異なる, そして、電磁両立性性能が低下する. シングルポイント並列接地の各回路は、それ自身の接地線を有する, だから相互干渉は小さい, しかし、接地線を延長し、接地インピーダンスを増加させる. 信号接地用にしばしば使用される, アナログ接地, 電源接地. 多点接地は、各回路が接地点を有することを意味する, 図5に示すように. 多点接地は高周波回路でしばしば使用される, 短い接地線と小さな接地インピーダンス値で, 高周波信号の干渉の低減. 接地による干渉を低減するために, the grounding must also meet certain requirements:
1. 接地線はできるだけ短くなければならない, and the ground plane should be large;
2. Avoid unnecessary ground loops and reduce the interference voltage of the common ground;
3. 接地原理は、異なる信号に対して異なる接地方法を採用することである, and all groundings cannot be taken to the same grounding point;
4. 時 デザイン多層化 PCBボード, 電源層および接地層は、隣接する層にできるだけ多く配置されるべきである, so that the capacitance between the layers can be formed in the circuit and the electromagnetic interference can be reduced;
5. 強くて弱い電流信号を避けるようにしてください, コモングラウンドのデジタルとアナログ信号.

3) Place the gridded plane
Gridding is an important デザイン 二層板の技術. グリッドは、接地線を延長することです PCBボード そして、グラウンドに接続されたグリッドネットワークを構築するためにグラウンドフィルパターンを使用する, 有効接地面の形成, 4層のボードのようなノイズを減らすことができます. 2つの目的があります:1. 4層板の地面を模倣する, 各信号線に対して以下のリターンパスを設けること2. マイクロプロセッサと電圧調整器との間のインピーダンスの低減. 時に注意するべき原則 デザインing are:
1. Each ground wire extends to fill the space of the printed circuit board as much as possible;
2. Place as many grilles as possible on the two-layer board;
3. Use as many through holes as possible to connect the top and bottom grids when the size is appropriate;
4. 行は、直角または同じ幅でなければならない.

4) Use of high frequency decoupling capacitors and ferrite beads
In digital circuits, 論理ゲートの状態が変化すると, 電源に大きなスパイクが発生する, 瞬時雑音電圧の形成. この場合は, 減結合コンデンサまたはフェライトビーズは、一般に電流の急激な変化を制限するために使用される. 放射線低減. 通常, 約0の容量を有する高周波デカップリングコンデンサ.- 01 - 1 / 4 - F - 0.チップ1の電源と接地との間には、1×4分の1 Fが加えられる, フェライトビーズは、電力線から無線周波数を阻止するためにチップに近接する電力線に配置される. 電流源. 時 デザインing, try to:
1. アルミニウム電解コンデンサの代わりにタンタルコンデンサを使用する, which have large internal inductance;
2. コンデンサはチップに近い, より良い, and the lead of the decoupling capacitor should not be too long;
3. The ferrite beads are only used on the +V power supply line, not on the ground line;
4. フェライトビーズをできるだけノイズ源に近づける.

2.4 Wiring principles of signal lines

1) Reduce the capacitive and inductive crosstalk of the line
時 wiring, 短い距離にわたっても並列に走る線の間の容量性および誘導性クロストークが存在する. 容量結合の場合, ソース上の立ち上がりエッジが犠牲者の立ち上がりエッジを引き起こす. 誘導結合で, 犠牲者の電圧変化は、ソースの変化の反対です. ほとんどのクロストークは容量性である, そして、ノイズの大きさは、平行距離に比例する, frequency, 電源電圧振幅, 犠牲者インピーダンス, そして、2つの線が切り離される距離に反比例する. したがって, the measures to reduce crosstalk are:
1. Keep the lines connected to the microprocessor that carry radio frequency noise away from other signals;
2. The return ground wire of the signal that may be the victim of noise should be routed below it;
3. Do not take noise lines on the outer edge of the circuit board;
4. できれば, route some noisy lines together and then surround them with a ground wire;
5. ノイズを受信する傾向があるボード上の領域から離れて非ノイズのラインを保つ, コネクタなど, 発振回路, リレー, リレードライバ.

2) Reasonably arrange the number of return ground wires
In the computer industry, ケーブル又はワイヤ内の9本の信号線毎に少なくとも1本の接地線を有することが一般的である. 高速で, この比率は5 : 1に変化する. ときに考慮できる原則 デザインing signal lines and return lines:
1. is that each signal line in the cable has a return ground wire to form a twisted pair;
2. Do not exceed one return ground for every 9 signal lines;
3. ケーブルが1フィート以上長いならば, there should be a return ground wire for every 4 signal wires;
4. できれば, ソリッドブラケットは機械ブラケットとして使用すべきである, 2枚の回路基板の間にはんだ付けされる, 両方のマウントブラケットと信頼性の高いRFリターングラウンドとして.

3) Other wiring principles
1. ワイヤとして使用される銅箔は、90度ターンでワイヤのインピーダンスを不連続にする, 反射妨害を起こす, したがって、90度線は135度のトレースに変更されるべきです, which will help reduce reflection interference;
2. のために PCBボード 両面配線で, the wiring of the upper and lower layers should cross vertically to reduce coupling and help suppress interference;
3. 絶縁配線. 並列にルーティングされなければならない多くの回路で, a grounded isolated wiring can be considered to be added to the two signal lines;
4. すべての行は、可能な限りDCグラウンドに沿って敷設されるべきです, and try to avoid laying along the AC ground;
5. 短い配線を使う. 大きな円で巻いているだけで線を配置できない、または接続できない場合, 単に絶縁された「飛んでいるワイヤー」とつながってください, or directly bridge with the leads of resistance-capacitance components;
6. 直流回路は交流回路から配線されていなければならない, and the input signal line and the output signal line should be separated;
7. シグナルトレースに分岐がない, and should be connected from one component to the next to avoid reflection interference or harmonic interference;
8. クロックのような高周波信号線は、ループ領域を差動モード放射線を減少させるために接地線の近くにルーティングされるべきである.

3. Conclusion
It is impossible to completely eliminate electromagnetic interference in electronic products. 我々は、電磁干渉を減らして、ある範囲の範囲内で電磁干渉を制御するのに必要な処置だけをすることができます. 良いプリント回路基板 デザイン 電磁妨害を減らすことである. 重要部分. When デザインプリント回路基板, あなたは デザイン 上記の原則, しかし、これらの原則は静的ではない. 電磁的両立性の要件を満たすために、様々な干渉防止方法を特定の回路条件に従って柔軟に適用する必要がある. これは PCBボードデザイン 通常の経験の蓄積と要約.