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PCB科技 - ​ 構建低EMC干擾原型和PCB表面塗層

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PCB科技 - ​ 構建低EMC干擾原型和PCB表面塗層

​ 構建低EMC干擾原型和PCB表面塗層

2021-10-19
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Author:Downs

This article discusses the key steps of building a low electromagnetic interference (EMI) prototype before the microwave anechoic chamber conformance test, 包括設計低輻射電路和預相容性測試. 預相容性測試包括使用3維電磁場類比軟體類比 PCB佈局 模型和電磁干擾分析, and then use the spectrum analyzer (SA) to perform near-field electromagnetic scanning of the 原型PCB. 最後, 執行微波暗室測試以驗證設計.

最低EMI電路設計

為了確保低輻射發射(RE),在設計電路原理圖和PCB佈局時,必須應用最佳實踐經驗,包括為電源電路、USB數據線、以太網和其他訊號添加鐵氧體磁珠,以過濾EMI。 此外,在電源回路上適當放置足够數量的去耦電容器可以最小化配電網絡的阻抗,從而降低數位負載產生的雜訊紋波的幅度,並降低輻射風險。 同時,對開關電源的閉環補償網路設計進行了優化,以實現穩定的閉環,從而確保電壓輸出可控,並將開關雜訊紋波幅度降至最低。 降低的雜訊紋波幅度可以顯著抑制原型的電磁干擾風險。

高頻或快速上升/下降沿訊號的PCB軌跡應指連續回路(例如,指接地層),以降低電磁干擾的風險。 軌跡不能穿過任何分割平面和孔。 如果需要通過過孔在層間傳輸訊號,則應在訊號過孔旁邊放置至少一個接地過孔,作為訊號電流從接收端到發射端的返回路徑。 如果沒有合適的返回路徑,返回電流可能會在PCB中任意傳輸,並成為潜在的EMI源。

電路板

良好的接地方案也是减少電磁干擾的關鍵因素。 所有PCB設計必須避免接地回路,因為當返回訊號電流通過時,接地回路將形成輻射發射器。 將接地設計為寬基準面可以構建良好的接地方案。 不同電路組(如射頻、類比和數位電路)的接地層應物理分離,電路連接應通過鐵氧體磁珠建立,以幫助防止高頻雜訊在電路組之間傳播。

在完成 PCB佈局 設計, 應進行電磁干擾分析類比,以確保PCB在製造前具有較低的輻射發射風險. 省略EMI類比可能無法保證PCB的EMI效能, 並將導致重新設計. 電磁干擾模擬結果是否符合技術規範, 設計者可以開始PCB製造, 然後使用頻譜分析儀對其進行近場電磁掃描 原型PCB. 預相容性測試,如電磁干擾類比和近場電磁掃描,可以新增設計師對原型具有較低電磁干擾的信心. 預相容性測試完成後, 被測設備可以在電波暗室中進行實際的電磁干擾符合性測試.

模擬電磁干擾分析

完成PCB佈局設計後,將佈局檔案導入EMPro 2013.07,以執行3D EMI類比。 選擇差分訊號進行有限元法(FEM)3維電磁場類比。 3維電磁場類比是設定電磁邊界條件和模型網格尺寸並求解麥克斯韋方程組的過程。 為了確保類比結果的準確性,邊界大小應設定為PCB厚度的8倍以上,網格大小應設定為PCB寬度的1/5以下。 運行3維電磁場的電腦需要配備16G以上的記憶體和100G以上的存儲容量,以確保分析的順利進行。

設定遠場感測器以捕獲發射的電磁場,並使用EMPro的EMI類比範本計算遠場發射功率,然後在10m的距離處設定電場探頭以繪製頻域響應圖。 然後對時域有限差分法(FDTD)模式進行3維電磁場模擬,並與有限元模式的模擬結果進行比較。

參攷30MHz 1GHz下的電場強度類比圖(圖1)(電場強度組織為dBmV,頻率組織為GHz),輻射功率水准(藍色曲線為FEM模式類比,紅色曲線為FDTD模式類比)低於約45dBmV FCC最大閾值(綠色虛線)。

在400MHz附近出現最大功率强度峰值(-66.4dBm)。 當近場感測器在距離被測設備3英寸的範圍內移動時,線圈。 30kHz頻譜分析儀分辯率頻寬可以實現低雜訊地板(-80dBm)量測,囙此尖峰(不同離散頻率的輻射)清晰可見。 為了增强原型通過微波暗室的遠場(3m和10m)電磁相容測試的信心,近區的峰值功率應低於-65dBm。 紅線顯示CISPR 11 A類的最大輻射發射功率水准:在30MHz至1GHz的頻率範圍內小於56dBmV。 紅線下方的棕色曲線表示《EMC Keysight指南》(原安捷倫)中指定的保護帶。 輻射波的垂直和水准分量分別用藍色和綠色曲線表示。 在400MHz和560MHz頻率下出現兩個38dBmV和37dBmV的功率峰值,並且都低於最大閾值。

低電磁干擾電路設計和預相容性測試(如3維電磁干擾類比和近場電磁掃描)非常重要。 它們可以避免不必要的PCB再製造,節省開發成本和時間,並可以縮短在微波暗室中進行EMI符合性測試的時間,以確保電子設備按時甚至提前投放市場。

PCB表面塗層

A、電解鎳/金:這種鍍層最穩定,但價格最高。

b、浸沒式銀板(Immersiog AG)不如鍍金層,並且容易發生電遷移和洩漏。

c、化學鍍鎳/鍍金(化學鍍鎳?浸沒,ENIG),當浸沒金過程不穩定時,很容易產生黑色圓盤。

d、化學鍍錫、無鉛浸漬錫尚未完全成熟。

e、熱風熨平板(Sn/Ag/CuHASL),該塗層的生產工藝尚未完全成熟。

f、有機可焊性保護(OSP,OrganicSolderabilityPreservations),這種塗層最便宜,但效能最差。 使用OSP板時,請注意板在回流焊之間以及回流焊和波峰焊之間的存儲時間,因為板墊上的保護膜在高溫加熱後會損壞,可焊性將大大降低。