Rancangan Elektronik - Teknologi kawalan EMC/EMI dalam rekaan papan sirkuit PCB

Dengan peningkatan integrasi peranti IC, miniaturisasi perlahan-lahan peranti dan kelajuan peningkatan peranti, masalah EMI dalam produk elektronik telah menjadi lebih serius. Dari sudut pandangan merancang EMC/EMI peralatan sistem, mengendalikan dengan betul isu EMC/EMI semasa tahap merancang PCB peralatan adalah kaedah paling efektif dan paling rendah kos bagi peralatan sistem untuk memenuhi standar kompatibilitas elektromagnetik. Artikel ini memperkenalkan teknologi kawalan EMC/EMI dalam rancangan PCB sirkuit digital.

1. Prinsip generasi dan penghalangan EMI

Generasi EMI disebabkan oleh sumber gangguan elektromagnetik yang menghantar tenaga ke sistem sensitif melalui laluan sambungan. Ia termasuk tiga bentuk asas: kondukti melalui wayar atau tanah biasa, radiasi melalui ruang, atau sambungan lapangan dekat. Bahaya EMI muncul dalam mengurangi kualiti isyarat transmisi, menyebabkan gangguan atau bahkan kerosakan pada litar atau peralatan, membuat peralatan tidak dapat memenuhi keperluan indeks teknik yang dinyatakan oleh piawai kompatibilitas elektromagnetik.

Untuk menekan EMI, rancangan EMI sirkuit digital patut dilakukan mengikut prinsip berikut:

Menurut spesifikasi teknikal EMC/EMI yang berkaitan, indikator telah dipotong menjadi sirkuit papan tunggal untuk kawalan hierarkis.

2. Teknologi kawalan EMC/EMI bagi PCB sirkuit digital

Apabila berurusan dengan berbagai bentuk EMI, masalah khusus mesti dianalisis secara terperinci. Dalam rancangan PCB sirkuit digital, EMI boleh dikawal dari aspek berikut.

Pemilihan peranti:

Apabila merancang EMI, kita mesti pertama pertimbangkan kelajuan peranti yang dipilih. Dalam mana-mana litar, jika peranti dengan masa naik 5ns diganti dengan peranti dengan masa naik 2.5ns, EMI akan meningkat sekitar 4 kali. Intensiti radiasi EMI adalah proporsional dengan kuasa dua frekuensi. Frekuensi EMI tertinggi (fknee) juga dipanggil lebar banding emisi EMI. Ia adalah fungsi masa naik isyarat daripada frekuensi isyarat: fknee = 0.35/Tr (di mana Tr adalah masa naik isyarat peranti)

Julat frekuensi EMI radiasi ini adalah 30MHz hingga beberapa GHz. Dalam band frekuensi ini, panjang gelombang sangat pendek, dan walaupun kabel yang sangat pendek di papan sirkuit mungkin menjadi antena penghantaran. Apabila EMI tinggi, sirkuit mudah kehilangan fungsi normal. Oleh itu, dalam pemilihan peranti, di bawah premis untuk memastikan keperluan prestasi sirkuit, cip kelajuan rendah patut digunakan sebanyak mungkin, dan sirkuit pemandu/penerima yang sesuai patut diadopsi.

Rancangan tertetak:

Di bawah premis membenarkan kos, meningkatkan bilangan lapisan pesawat tanah dan meletakkan lapisan isyarat dekat lapisan pesawat tanah boleh mengurangkan radiasi EMI. Untuk PCB kelajuan tinggi, pesawat kuasa dan pesawat tanah terhubung secara dekat, yang boleh mengurangkan impedance bekalan kuasa, dengan itu mengurangkan EMI.

bentangan:

Menurut aliran semasa isyarat, bentangan yang masuk akal boleh mengurangi gangguan antara isyarat. Bentangan yang masuk akal adalah kunci untuk mengawal EMI. Prinsip asas bentangan adalah:

Garis jam adalah sumber utama gangguan dan radiasi. Jauhkan ia dari sirkuit sensitif dan membuat jam mengesan yang paling pendek;

Penyambung sepatutnya diatur di satu sisi papan sejauh mungkin dan jauh dari sirkuit frekuensi tinggi;

Pertimbangkan secara penuh kemudahan bentangan bagi bahagian bekalan kuasa, dan peranti-kuasa berbilang patut ditempatkan melalui sempadan kawasan bekalan kuasa untuk mengurangkan kesan bahagian pesawat pada EMI secara efektif;

kabel:

Kawalan dampak: garis isyarat kelajuan tinggi akan menunjukkan ciri-ciri garis transmisi, dan kawalan dampak diperlukan untuk menghindari refleksi isyarat, melebihi dan berdering, dan mengurangi radiasi EMI.

Untuk memahami arah aliran setiap isyarat kunci, isyarat kunci sepatutnya dijalurkan dekat dengan laluan kembali untuk memastikan kawasan loopnya adalah yang paling kecil.

Untuk isyarat frekuensi rendah, buat aliran semasa melalui laluan dengan perlawanan yang kurang; bagi isyarat frekuensi tinggi, membuat aliran semasa frekuensi tinggi melalui laluan dengan sekurang-kurangnya induktan, bukan laluan dengan sekurang-kurangnya resistensi (lihat Figur 1). Untuk radiasi mod berbeza, intensiti radiasi EMI (E) adalah proporsional dengan semasa, kawasan loop semasa, dan kuasa dua frekuensi. (I ialah semasa, A ialah kawasan loop, f ialah frekuensi, r ialah jarak ke tengah loop, dan k ialah konstan.)

Oleh itu, apabila laluan induktan minimum kembali berada di bawah wayar isyarat, kawasan loop semasa boleh dikurangkan, dengan itu mengurangkan tenaga radiasi EMI.

Sinyal kunci tidak boleh menyeberangi kawasan yang disegmen.

.. untuk memastikan garis garis garis, garis garis mikro dan pesawat rujukannya memenuhi keperluan.

Kabel utama kondensator penyahpautan sepatutnya pendek dan lebar.

Semua jejak isyarat sepatutnya sejauh mungkin dari pinggir papan.

Untuk rangkaian sambungan berbilang-titik, pilih struktur topologi yang sesuai untuk mengurangkan refleksi isyarat dan mengurangkan radiasi EMI.

Teknologi kawalan EMC/EMI dalam loop isyarat-kabel-desain PCB

Pemprosesan bahagian pesawat kuasa:

Pembahagian lapisan kuasa

Apabila terdapat satu atau lebih bekalan sub-kuasa pada pesawat kuasa utama, pastikan kontinuiti setiap kawasan bekalan kuasa dan lebar foil tembaga yang cukup. Garis pembahagian tidak perlu terlalu lebar, umumnya lebar garis 20-50 mil cukup untuk mengurangi radiasi ruang.

Pembahagian lapisan tanah

Pesawat tanah patut disimpan untuk menghindari pemisahan. Jika ia mesti dibahagi, perlu membezakan antara tanah digital, tanah analog dan tanah bunyi, dan menyambung ke tanah luaran melalui titik tanah umum pada pintu keluar.

Untuk mengurangkan radiasi pinggir bekalan kuasa, pesawat kuasa/tanah patut mengikut prinsip reka 20H, iaitu, saiz pesawat tanah 20H lebih besar daripada saiz pesawat kuasa (lihat Figure 2), sehingga intensiti radiasi medan tepi boleh dikurangkan dengan 70%.

Untuk mengurangkan radiasi pinggir bekalan kuasa, pesawat kuasa/tanah patut mengikut prinsip reka 20H, iaitu, saiz pesawat tanah 20H lebih besar daripada saiz pesawat kuasa, sehingga intensiti radiasi medan pinggir boleh dikurangkan dengan 70%.

3. Kaedah kawalan lain EMI

Ralat sistem kuasa:

Guna penapis untuk mengawal gangguan yang dilakukan.

Penghapusan bekalan kuasa. Dalam rancangan EMI, menyediakan kondensator pemisahan yang masuk akal boleh membuat cip berfungsi dengan sah, mengurangkan bunyi frekuensi tinggi dalam bekalan kuasa, dan mengurangkan EMI. Kerana pengaruh induksi wayar dan parameter parasit lain, kelajuan balas bekalan kuasa dan wayar bekalan kuasa adalah lambat, yang membuat arus segera yang diperlukan oleh pemandu dalam sirkuit kelajuan tinggi tidak mencukupi. Secara rasional merancang kapasitor bypass atau menyambungkan dan kapasitor yang disebarkan lapisan bekalan kuasa, sehingga kesan penyimpanan tenaga kapasitor boleh digunakan untuk menyediakan semasa dengan cepat kepada peranti sebelum bekalan kuasa bertindak. Penghapusan kapasitatif yang betul boleh menyediakan laluan kuasa impedance rendah, yang merupakan kunci untuk mengurangkan EMI-mod umum.

Mendarat:

Rancangan mendarat adalah kunci untuk mengurangi EMI seluruh papan.

Tentukan untuk menggunakan pendaratan satu titik, pendaratan berbilang titik atau pendaratan campuran.

Jika tidak ada lapisan wayar tanah dalam rancangan panel ganda, penting untuk merancang grid wayar tanah secara rasional, dan pastikan lebar wayar tanah>lebar wayar kuasa>lebar wayar isyarat. Kaedah pembatalan kawasan besar juga boleh digunakan, tetapi diperlukan untuk memberi perhatian kepada kontinuiti kawasan besar di lantai yang sama.

Untuk desain papan pelbagai lapisan, pastikan ada lapisan lapisan lapisan tanah untuk mengurangi impedance tanah umum.

Analisis dan ujian EMI:

· Analisi Simulasi

Selepas menyelesaikan wayar PCB, perisian simulasi EM I dan sistem ahli boleh digunakan untuk analisis simulasi untuk simulasi persekitaran EMC/EMI untuk menilai sama ada produk memenuhi keperluan standar kompatibilitas elektromagnetik yang relevan.