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ディジタル回路PCB設計におけるEMI制御技術
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ディジタル回路PCB設計におけるEMI制御技術

ディジタル回路PCB設計におけるEMI制御技術

2022-01-21
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Author:pcb

1. EM私 generation and suppression principle
EMI in プリント回路基板 デザインは、結合経路を通して敏感なシステムにエネルギーを転送する電磁干渉の源に起因します. それは3つの基本的な形を含んでいます, 宇宙放射, または近接場を介した結合. EMIの害は、送信信号の品質を低下させることとして現れる, 回路または装置への干渉または損傷を引き起こすさま, 機器が電磁両立性規格で規定された技術的指標要件を満たすことができないように.
emiを抑制するために, the EMIデザイン of digital circuits should be carried out according to the following principles:
1.関係者によると/EMI技術仕様, 指標を階層制御のための単一基板回路に分解する.
1.EMIの3つの要素からの2つの支配, すなわち, 干渉源, エネルギー結合経路と高感度システム, 回路が平らな周波数レスポンスを有して、回路の正常で安定した操作を確実にするように.
1.3機器のフロントエンドのデザインから始める, EMCに注意を払う/EMI design, 設計コストを削減する.

プリント回路基板

2. ディジタル回路のEMI制御技術 PCBボード
様々な形式のEMIを扱うとき, 特定の問題を分析しなければならない. に PCBボード ディジタル回路の設計, EMI制御は以下の局面から行うことができる.
2.1 Device Selection
EMIデザイン, 考慮すべき第一のものは選択された装置の速度である. デバイスの立ち上がり時間を5 nsの立ち上がり時間でデバイスに置き換える回路.5 nsは約4倍のEMIを増加させる. EMIの放射強度は周波数の2乗に比例する, EMI発光帯域幅, これは信号周波数よりむしろ信号立ち上がり時間の関数である.35/Tr (where Tr is the signal rise time of the device). このタイプの放射EMIの周波数範囲は30 MHz〜数GHzである, この周波数帯, 波長は非常に短く、回路基板上の非常に短い配線さえ送信アンテナとなることができる. EMIが高いとき, 回路は正常な機能を失う傾向がある. したがって, デバイス選択に関して, 回路性能要求を保証する前提について, 可能な限り低速チップを使用すべきである, 適切な運転/受信回路. 加えて, デバイスのリードピンは寄生インダクタンスおよび寄生容量を有するので, 高速設計, デバイス実装形態が信号に与える影響は無視できない, それがEMI放射を発生させる重要な要因でもあるので. 一般に, SMDデバイスの寄生パラメータは、プラグインデバイスよりも小さい, また,bgaパッケージの寄生パラメータはqfpパッケージのそれより小さい.

2.2 Connector selection and signal terminal definition
Connector is the key link of high-speed signal transmission, そして、それはEMIの傾向が弱い弱いリンクです. コネクタの端子設計, より接地ピンは、信号とグランドとの間の距離を減少させるように配置することができる, コネクタの放射線を発生する有効信号ループ領域を減らす, そして、低インピーダンス復帰経路を提供する. 必要なら, いくつかのキー信号を接地ピンで分離することを検討する.

2.3 Laminate Design
If the cost permits, 接地層の数を増加させ、接地層層の隣に信号層を配置することにより、EMI放射線を減少させることができる. 高速に PCBボードs, 電源プレーンおよび接地プレーンは、電源インピーダンスを減らすために近接して連結される, EMIを減らす.

2.4 Layout
According to the signal current flow, 合理的なレイアウトは信号間の干渉を減らすことができる. 適切なレイアウトは、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/出力回路は対応するコネクタに近い, and the decoupling capacitor is close to the corresponding 電源 pin;
(6) Fully consider the feasibility of layout for power splitting, and multi-power devices should be placed across the boundary of 権力 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, そして、信号反射を避けるためにインピーダンス制御が必要である, オーバーシュートとリンギング, EMI放射線を減らす.
(2) Classify the signals, according to the EMI radiation intensity and sensitivity of different signals (analog signal, クロック信号, I/シグナル, バス, power supply, etc.), 結合源を減らすために、干渉源を敏感なシステムから分離する.
(3) Strictly control the trace length, バイア数, クロス分割, 終了, 配線層, 戻りパス, etc. of clock signals (especially high-speed clock signals).
(4) The signal loop, それで, 信号が流れ込む信号によって形成されるループ, PCB設計におけるEMI制御の鍵であり、配線中に制御されなければならない. 各キー信号のフロー方向を理解するには, 戻りパスに近いキー信号をルート領域を確保する. 低周波信号用, 抵抗のパスを通って電流を流す高周波信号用, インダクタの経路を通って高周波電流を流す, 抵抗のパスではない. 微分モード放射, the EMI radiation intensity (E) is proportional to the current, 現在のループの面積, と周波数の2乗. (where I is the current, Aループ領域, 周波数はf, Rはループの中心までの距離です, そしてKは定数.) So when the inductor return path is just below the signal conductor, 電流ループ面積を低減することができる, これにより、EMI放射エネルギーを低減する. 臨界信号は、分割された領域. 高速差動信号トレースは、可能な限り緊密に結合されるべきである. ストリップを確認してください, マイクロストリップ線路, そして、それらの基準面は要件を満たします. デカップリングコンデンサのリード線は短くなければならない. すべての信号トレースをできるだけ遠くからボードの端から維持する必要があります. 多点接続ネットワーク, 信号反射を低減し,EMI放出を低減するために適切なトポロジーを選択する.

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, 各電源供給エリアと十分な銅箔幅の連続性を確保する. 分割線は広すぎる必要はありません, 一般的に、20~50ミルの線幅は、ギャップ放射線を低減するのに十分である.
(2) Division of the ground layer
The ground plane layer should remain intact to avoid fragmentation. 分割しなければならない, デジタルグラウンドを識別する, アナロググランドとノイズグランド, そして、アウトレットで共通のグラウンドポイントを通してそれを外部の地面に接続してください. 電源のフリンジ放射を減らすために, the power/接地面は20 H設計原理に従うべきである, それで, グランドプレーンのサイズは、パワープレーン20のサイズより20 H大きい, フリンジ場放射強度を70 %低減することができる.

3. Other control methods for EMI
3.1 Power System Design
(1) Design a low impedance power system to ensure that the impedance of the power distribution system in the frequency range below fknee is lower than the target impedance.
(2) Use a filter to control conducted interference.
(3) Power supply decoupling. In EMI design, 適切なデカップリングコンデンサを提供することにより、チップ作業を確実にすることができる, そして、電源の高周波ノイズを減らす, EMI低減. ワイヤインダクタンス及び他の寄生パラメータの影響により, 電源と供給線は応答が遅い, これは、高速回路では、ドライバによって必要な瞬時電流を. 電源層のバイパスまたはデカップリングコンデンサおよび分散キャパシタンスの合理的な設計は、電源が応答する前にコンデンサのエネルギー蓄積効果を利用することによって、デバイスに電流を迅速に供給することができる. 適切な容量性デカップリングは低インピーダンス電力経路を提供する, 共通モードEMIを減らす鍵です.

3.2 Grounding
Grounding design is the key to reducing the EMI of the whole board.
(1) Make sure to use single-point grounding, 多点接地または混合接地.
(2) Separate digital ground, アナロググラウンドとノイズグランド, 適切な共通接地点を決定する.
(3) If there is no ground wire layer in the double-sided design, 接地線グリッドを合理的に設計することは非常に重要である, および接地線の幅, 電力線の幅, そして、信号線の幅は保証されなければならない. また、大面積舗装方法を使用することもできる, しかし、同じ層上の大面積グラウンドの連続性は、よりよい.
(4) For the multi-layer board design, 共通接地インピーダンスを低減するためにグランドプレーン層があることを保証する.

3.3 Damping resistor in series
Under the premise that the circuit timing requirements allow, 干渉源を抑制する基本技術は、キー信号出力端に小さな抵抗値を直列に挿入することである, 通常、22から33. 出力端子の小さな抵抗器の直列接続は上昇を遅くすることができる/フォールタイムとオーバーシュートとアンダーシュート信号を滑らかにする, これにより、出力波形の高周波高調波振幅を低減し、効果的にEMIを抑制する.

3.4 Shield
(1) Key devices can use EMI shielding material or shielding mesh.
(2) The shielding of key signals can be designed as strip lines or isolated by ground wires on both sides of key signals.

3.5 Spread Spectrum
Spread spectrum (spread spectrum) method is a new effective method to reduce EMI. スペクトル拡散は、信号エネルギーを比較的広い周波数範囲に拡大するように変調することである. 効果的に, この方法はクロック信号の制御された変調である, クロック信号のジッタを大きく増加させない. 実用的な応用は、スペクトル拡散技術が有効であることを証明した, 排出量を7から20 dB減らす.

3.6 EMI Analysis and Testing
(1) Simulation analysis. アフター PCBボード 配線完了, EMCシミュレーションソフトウェアとシステムは、EMCをシミュレートするためにシミュレーション解析に使用することができる/製品が関連電磁適合規格の要件を満たしているかどうかを評価するEMI環境.
(2) Scanning test, アセンブリが接続され、電源を入れた後、マシンのディスクをスキャンする電磁放射スキャナを使用してください.

4. Summary
With the continuous development and application of new high-speed chips, 信号周波数が高くなってきている, そして、それらを運ぶPCBは、より小さくてより小さくなるかもしれません. PCBボード デザインはより厳しいEMI挑戦に直面する. 唯一の連続探査と革新によって/EMIデザイン プリント回路基板 成功する.