Thông tin PCB - Nguyên tắc thiết kế bảng PCB để giảm nhiễu điện từ

Thiết kế chống nhiễu hiệu quả của bảng PCB là một liên kết quan trọng trong thiết kế các sản phẩm điện tử, ảnh hưởng đến độ tin cậy và ổn định của công việc mạch. Bài viết phân tích các lý do chính cho sự tồn tại của nhiễu điện từ trên bảng mạch và tóm tắt việc đàn áp và phòng ngừa nhiễu điện từ hiệu quả trong thiết kế bảng PCB từ việc lựa chọn bảng mạch, bố trí các thành phần bảng mạch, dây điện và mặt đất và dây dây của các đường tín hiệu. các biện pháp và nguyên tắc. Bảng mạch in là người mang các thành phần mạch trong các sản phẩm điện tử, cung cấp kết nối điện giữa các thành phần mạch và là thành phần cơ bản của các thiết bị điện tử khác nhau. Hiệu suất của nó có liên quan trực tiếp đến chất lượng thiết bị điện tử. Với sự phát triển của xã hội thông tin và sự phát triển của công nghệ điện tử, sự tích hợp các mạch ngày càng cao hơn, kích thước của bảng mạch ngày càng nhỏ hơn, mật độ của các thành phần trên bảng mạch ngày càng cao hơn và tốc độ chạy của các sản phẩm điện tử ngày càng cao hơn. Do đó, vấn đề can thiệp điện từ và khả năng tương thích do chính nó gây ra nổi bật hơn. Do đó, làm thế nào để giảm nhiễu điện từ của bảng PCB đã trở thành một chủ đề nóng trong công nghệ điện tử ngày nay. Vấn đề tương thích điện từ của bảng mạch là chìa khóa để xem một hệ thống điện tử có thể hoạt động bình thường hay không, ảnh hưởng đến độ tin cậy và ổn định của mạch hoặc hệ thống. Do đó, vấn đề can thiệp điện từ nên được giải quyết hiệu quả khi thiết kế bảng PCB.

Về lý do gây nhiễu điện từ, các biện pháp và nguyên tắc để giảm nhiễu điện từ cần được xem xét trong thiết kế bảng PCB được tóm tắt.1. Lý do cho sự tồn tại của nhiễu điện từ trên bảng mạch Trong hệ thống điện tử tốc độ cao bao gồm nguồn cung cấp điện chuyển đổi và bộ vi xử lý, nhiễu điện từ của bảng mạch chủ yếu đến từ nguồn nhiễu tần số vô tuyến hiện có, các thành phần, vòng cơ bản và chế độ khác biệt và tiếng ồn chế độ phổ biến.1.1 Nguồn nhiễu tần số vô tuyến có mặt trên bảng mạch. Nó tồn tại tại tất cả các đầu vào, đầu ra, điện và mặt đất cùng một lúc. Đó là tiếng ồn tiềm năng làm cho mọi dẫn của bộ vi xử lý. Có thể có vấn đề với chân. Vấn đề là tiếng ồn từ pin đầu vào và đầu ra (I / O) của bộ vi xử lý. Những tiếng ồn này chủ yếu được tạo ra bởi việc chuyển đổi đồng hồ bên trong chip, kết nối với cáp bên trong và bên ngoài thông qua các chân đầu vào và đầu ra và phát ra, chủ yếu biểu hiện dưới dạng can thiệp dạng sóng xung thời gian ngắn. Các mạch này là nguồn của tất cả năng lượng RF trong hệ thống và cung cấp các dòng chuyển đổi cần thiết cho các mạch chuỗi trên chip.3) mạch dao động mạch dao động cung cấp một tín hiệu đồng hồ nhanh cho hệ thống, trong một hệ thống kỹ thuật số, vì bộ đệm đầu ra của bộ dao động là kỹ thuật số, hài hòa được tạo ra ở phía đầu ra khi chuyển đổi sóng sin thành sóng vuông. Bất kỳ tiếng ồn nào được tạo ra bởi các hoạt động nội bộ, chẳng hạn như bộ đệm đồng hồ, sẽ xuất hiện tại đầu ra và lan truyền thông qua khớp nối thành phần.1.2 Các nguyên nhân khác của nhiễu điện từ 1) Các thành phần SMD và các thành phần thông qua lỗ Các thiết bị SMD (SMD) xử lý năng lượng RF tốt hơn so với các chip chì vì khả năng phản ứng cảm ứng thấp hơn và vị trí gần hơn của các thành phần. Thông thường, công suất dẫn của các thành phần thông qua lỗ sẽ tự dao động (thay đổi từ công suất sang cảm ứng) ở khoảng 80MHz. Do đó, tiếng ồn trên 80MHz phải được kiểm soát, và nhiều vấn đề nghiêm trọng phải được xem xét nếu các thành phần thông qua lỗ được sử dụng trong thiết kế.2) mạch cơ bản Mỗi chuyển đổi cạnh được truyền từ bộ vi xử lý sang chip khác là một xung hiện tại chảy đến chip nhận, ra khỏi pin mặt đất của chip nhận, và sau đó trở lại pin mặt đất của bộ vi xử lý thông qua dây mặt đất, do đó tạo thành một mạch cơ bản. Các vòng như vậy tồn tại ở khắp mọi nơi trong mạch, và bất kỳ điện áp tiếng ồn nào và dòng điện đi kèm của nó đi qua con đường kháng trở trở lại nơi nó bắt nguồn, gây ra một hiệu ứng. Một sự trở lại có thể là một dòng tín hiệu và đường dẫn trở lại của nó, một vòng ngang giữa điện và mặt đất, một bộ dao động tinh thể và trình điều khiển trong một bộ vi xử lý, hoặc một sự trở lại từ bộ điều chỉnh điện áp của nguồn cung cấp điện đến tụ vòng ngang. Khu vực hình học của vòng càng lớn, bức xạ càng mạnh, vì vậy chúng ta có thể giảm bớt sự lây lan tiếng ồn bằng cách kiểm soát hình dạng và trở kháng của con đường trở lại.3) Chế độ khác biệt và tiếng ồn chế độ phổ biến Tiếng ồn chế độ khác biệt là tiếng ồn xảy ra khi một tín hiệu di chuyển qua dòng đến chip nhận và sau đó trở lại dọc theo dòng trở lại. Có một điện áp khác biệt giữa hai dòng, đó là tiếng ồn mà mỗi tín hiệu phải tạo ra để thực hiện chức năng của nó. Sức mạnh trường điện được tạo ra bởi tiếng ồn này tỷ lệ với vuông của tần số, kích thước của dòng điện và diện tích của vòng dòng điện, và tỷ lệ ngược với khoảng cách từ điểm quan sát đến nguồn tiếng ồn. Do đó, phương pháp giảm bức xạ chế độ khác biệt là giảm tần số hoạt động của mạch, giảm diện tích của vòng tín hiệu hoặc giảm cường độ của dòng tín hiệu. Một phương pháp hiệu quả trong thực tế là kiểm soát diện tích của vòng tín hiệu. Tiếng ồn chế độ phổ biến là tiếng ồn gây ra bởi trở kháng được chia sẻ bởi tín hiệu và dây chuyền trở lại trong khi điện áp đang di chuyển dọc theo tín hiệu và dây chuyền trở lại cùng một lúc, không có sự khác biệt điện áp giữa chúng. Tiếng điện trở chế độ phổ biến là một nguồn tiếng ồn phổ biến trong hầu hết các hệ thống dựa trên vi xử lý. Sức mạnh trường điện được tạo ra bởi tiếng ồn này tỷ lệ với tần số, dòng điện và chiều dài cáp, và tỷ lệ ngược với khoảng cách từ điểm quan sát đến nguồn tiếng ồn. Các phương pháp để giảm bức xạ chế độ phổ biến là: giảm trở kháng của dây mặt đất, rút ngắn chiều dài của dây, và sử dụng một cuộn dây khói chế độ phổ biến.2. Nguyên tắc thiết kế bảng PCBKể từ khi mức độ tích hợp và tần số tín hiệu của bảng mạch ngày càng cao hơn với sự phát triển của công nghệ điện tử, sự can thiệp điện từ chắc chắn sẽ được mang đến. Do đó, các nguyên tắc sau đây nên được tuân thủ khi thiết kế bảng PCB để kiểm soát sự can thiệp điện từ của bảng mạch trong một phạm vi nhất định. Nó có thể đáp ứng các yêu cầu thiết kế và tiêu chuẩn và cải thiện hiệu suất tổng thể của mạch.2.1 Lựa chọn bảng mạch Nhiệm vụ chính của thiết kế bảng PCB là chọn đúng kích thước của bảng mạch. Nếu kích thước quá lớn, giá trị trở kháng của dây chuyền sẽ tăng và khả năng chống can thiệp sẽ giảm vì kết nối giữa các thành phần quá dài. Sự sắp xếp dày đặc của các thiết bị không thuận lợi cho sự tiêu tan nhiệt, và dây cáp quá mỏng và dày đặc, dễ gây ra crosstalk. Do đó, bảng mạch có kích thước thích hợp nên được chọn theo các thành phần cần thiết của hệ thống. Các bảng mạch được chia thành các bảng đơn mặt, hai mặt và nhiều lớp. Việc lựa chọn số lớp của bảng mạch phụ thuộc vào chức năng được thực hiện bởi mạch, chỉ số tiếng ồn, số lượng tín hiệu và cáp mạng, v.v. Một số lớp hợp lý có thể làm giảm vấn đề tương thích điện từ của bản thân mạch. Nguyên tắc lựa chọn thông thường là: khi tần số tín hiệu là tần số trung bình và thấp, có ít thành phần, và mật độ dây là thấp hoặc trung bình, chọn một mặt hoặc hai mặt; cho mật độ dây cao, tích hợp cao và nhiều thành phần, sử dụng nhiều lớp 3. Đối với tần số tín hiệu cao, mạch tích hợp tốc độ cao và các thành phần dày đặc, chọn 4 hoặc nhiều lớp bảng mạch. Trong thiết kế các bảng đa lớp, một lớp duy nhất có thể được sử dụng như một lớp điện, một lớp tín hiệu và một lớp mặt đất. Khu vực vòng tín hiệu được giảm và bức xạ chế độ khác biệt được giảm. Vì lý do này, bảng đa lớp có thể giảm bức xạ của bảng mạch và cải thiện khả năng chống can thiệp.

2.2 Cách bố trí các thành phần bảng mạch Sau khi xác định kích thước của bảng PCB, vị trí của các thành phần đặc biệt nên được xác định trước, và tất cả các thành phần của mạch nên được bố trí theo khối theo các đơn vị chức năng của mạch. Đơn vị mạch kỹ thuật số, đơn vị mạch tương tự và đơn vị mạch cung cấp điện nên được tách ra, và đơn vị mạch tần số cao và đơn vị mạch tần số thấp cũng nên được tách ra. Các nguyên tắc bố trí bảng mạch phổ biến là như sau.1) Nguyên tắc xác định vị trí của các thành phần đặc biệt:1. Phần tử sưởi ấm nên được đặt ở vị trí thuận lợi cho sự tiêu tan nhiệt, chẳng hạn như cạnh của bảng PCB, và cách xa chip vi xử lý; 2. Các thành phần tần số cao đặc biệt nên được đặt cạnh nhau để rút ngắn kết nối giữa chúng; 3. Các thành phần nhạy cảm nên được giữ xa các nguồn tiếng ồn như máy phát đồng hồ và dao động; 4. Việc bố trí các thành phần có thể điều chỉnh như điện số, cảm ứng có thể điều chỉnh, tụ điện biến và công tắc khóa nên phù hợp với các yêu cầu cấu trúc của toàn bộ máy và tạo điều kiện cho việc điều chỉnh; 5. Các thành phần có khối lượng nặng hơn nên được cố định với dấu dang; 6. Bộ lọc EMI nên được đặt gần nguồn EMI.2) Nguyên tắc đặt các thành phần ô của mạch theo đơn vị chức năng mạch: 1. Mỗi mạch chức năng nên xác định vị trí tương ứng theo dòng chảy tín hiệu giữa chúng để tạo điều kiện cho việc dây; 2. Mỗi mạch chức năng trước tiên nên xác định vị trí của các thành phần, và đặt các thành phần khác xung quanh các thành phần để rút ngắn kết nối giữa các thành phần càng nhiều càng tốt; 3. Đối với các mạch tần số cao, các thông số phân phối giữa các thành phần nên được xem xét; 4. Các thành phần được đặt trên cạnh của bảng mạch nên không ít hơn 2mm cách cạnh của bảng mạch.5. Bộ chuyển đổi DC / DC, ống chuyển mạch và bộ chỉnh sửa nên được đặt càng gần biến áp càng tốt để giảm bức xạ bên ngoài; 6. Các thành phần điều chỉnh điện áp và tụ lọc nên được đặt gần diode điều chỉnh. 2.3 Nguyên tắc dây của nguồn cung cấp điện và mặt đất Cho dù dây của nguồn cung cấp điện và mặt đất của bảng PCB là hợp lý là chìa khóa để giảm sự can thiệp điện từ của toàn bộ bảng mạch. Thiết kế đường dây điện và đường dây mặt đất là một vấn đề không thể bỏ qua trong bảng PCB, và thường là một thiết kế khó khăn. Thiết kế nên tuân theo các nguyên tắc sau.1) Kỹ năng dây điện cho điện và mặt đất Dây điện trên PCB được đặc trưng bởi các thông số phân tán như trở kháng, phản ứng điện dung và phản ứng cảm ứng. Để giảm ảnh hưởng của các thông số phân phối của dây PCB trên hệ thống điện tử tốc độ cao, các nguyên tắc dây cho nguồn cung cấp điện và mặt đất như sau:1. Tăng khoảng cách của dấu vết để giảm crosstalk của khớp nối điện dung; 2. Dây điện và dây mặt đất nên được định tuyến song song để làm cho công suất phân phối đạt được; 3. Theo kích thước của dòng điện mang, cố gắng tăng chiều rộng của đường dây điện và đường dây mặt đất càng nhiều càng tốt, giảm kháng vòng, và đồng thời làm cho hướng của đường dây điện và đường dây mặt đất trong mỗi mạch chức năng phù hợp với hướng truyền tín hiệu, sẽ giúp cải thiện hiệu suất. Khả năng chống can thiệp; 4. Cung cấp điện và mặt đất nên được định tuyến trực tiếp trên nhau, do đó giảm khả năng phản ứng cảm ứng và làm cho khu vực vòng, và cố gắng làm cho dây mặt đất đi dưới dây điện càng nhiều càng tốt; 5. Dây mặt đất càng dày càng tốt, nói chung chiều rộng của dây mặt đất không dưới 3mm; 6. Dây mặt đất được hình thành thành một vòng kín để giảm sự khác biệt tiềm năng trên dây mặt đất và cải thiện khả năng chống can thiệp; 7. Trong thiết kế dây bảng đa lớp, một trong những lớp có thể được sử dụng như là "phẳng mặt đất đầy đủ", có thể giảm trở kháng mặt đất và đồng thời đóng vai trò che chắn.2) Kỹ năng đặt đất của mỗi mạch chức năng Phương pháp đặt đất của mỗi mạch chức năng của bảng PCB được chia thành đặt đất một điểm và đặt đất nhiều điểm. Đặt đất một điểm được chia thành đặt đất chuỗi một điểm và đặt đất song song một điểm theo hình thức kết nối. Đặt đất chuỗi một điểm thường được sử dụng để đặt đất bảo vệ bởi vì chiều dài của mỗi dây đặt đất khác nhau, trở kháng đặt đất của mỗi mạch khác nhau và hiệu suất tương thích điện từ được giảm. Mỗi mạch đặt đất song song một điểm có dây đặt đất riêng của nó, vì vậy sự can thiệp lẫn nhau là nhỏ, nhưng nó có thể mở rộng dây đặt đất và tăng trở kháng đặt đất. Nó thường được sử dụng để đặt đất tín hiệu, đặt đất tương tự và đặt đất điện. Điểm đặt đất đa điểm có nghĩa là mỗi mạch có một điểm đặt đất, như hiển thị trong Hình 5. Điểm đặt đất đa điểm thường được sử dụng trong các mạch tần số cao, với các dòng đặt đất ngắn và giá trị trở kháng đặt đất nhỏ, giảm sự can thiệp của tín hiệu tần số cao. Để giảm sự can thiệp do đặt đất, đặt đất cũng phải đáp ứng một số yêu cầu nhất định: 1. Dây mặt đất nên ngắn nhất có thể, và phẳng mặt đất nên lớn; 2. Tránh các vòng đất không cần thiết và giảm điện áp can thiệp của mặt đất chung; 3. Nguyên tắc đặt đất là áp dụng các phương pháp đặt đất khác nhau cho các tín hiệu khác nhau, và tất cả các đặt đất không thể được đưa đến cùng một điểm đặt đất; 4. Khi thiết kế một bảng PCB đa lớp, lớp cung cấp điện và lớp đặt đất nên được đặt trong các lớp liền kề càng nhiều càng tốt, để công suất giữa các lớp có thể được hình thành trong mạch và sự can thiệp điện từ có thể được giảm; 5. Cố gắng tránh các tín hiệu hiện tại mạnh mẽ và yếu, tín hiệu kỹ thuật số và tương tự trong mặt đất chung.3) Đặt phẳng lưới lưới là một kỹ thuật thiết kế quan trọng cho các bảng hai lớp. Lưới là để mở rộng dây mặt đất trên bảng PCB và sử dụng mô hình lấp đầy mặt đất để xây dựng một mạng lưới kết nối với mặt đất, tạo thành một phẳng mặt đất hiệu quả, có thể giảm tiếng ồn như một bảng bốn lớp. Nó có hai mục đích: 1. bắt chước phẳng mặt đất của một tấm bốn lớp, cung cấp một con đường trở lại dưới mỗi dòng tín hiệu; 2. giảm trở kháng giữa bộ vi xử lý và bộ điều chỉnh điện áp. Các nguyên tắc cần chú ý khi thiết kế là: 1. Mỗi dây mặt đất mở rộng để lấp đầy không gian của bảng mạch in càng nhiều càng tốt; 2. Đặt càng nhiều lưới càng tốt trên bảng hai lớp; 3. Sử dụng càng nhiều lỗ thông qua càng tốt để kết nối lưới trên và dưới khi kích thước phù hợp; 4. Các dòng không cần phải ở góc thẳng hoặc cùng chiều rộng.4) Sử dụng tụ nối tần số cao và hạt ferrite Trong các mạch kỹ thuật số, khi trạng thái của cổng logic thay đổi, một cơn lớn sẽ được tạo ra trên nguồn cung cấp điện, tạo thành một điện áp tiếng ồn tức thời. Trong trường hợp này, các tụ điện tách ghép hoặc hạt ferrite thường được sử dụng để hạn chế sự thay đổi đột ngột của dòng điện. thay đổi để giảm bức xạ. Thông thường, một tụ nối tần số cao với công suất khoảng 0,01μF ~ 0,1μF được thêm vào giữa nguồn cung cấp điện và mặt đất của mỗi chip, và hạt ferrite được đặt trên đường dây điện gần chip để chặn tần số vô tuyến từ đường dây điện. nguồn hiện tại. Khi thiết kế, hãy thử: 1. Sử dụng tụ tantal thay vì tụ điện giải nhôm, có điện cảm nội bộ lớn; 2. Tụ tụ càng gần chip, càng tốt, và dẫn đầu của tụ tách không nên quá dài; 3. Các hạt ferrite chỉ được sử dụng trên dây chuyền cung cấp điện + V, không phải trên dây chuyền mặt đất; 4. Đặt các hạt ferrite càng gần nguồn tiếng ồn càng tốt.2.4 Nguyên tắc dây điện của các dòng tín hiệu 1) Giảm crosstalk điện dung và cảm ứng của dòngKhi dây điện, có crosstalk điện dung và cảm ứng giữa các dòng chạy song song ngay cả trong khoảng cách ngắn. Khi kết nối điện dung, một cạnh tăng trên nguồn gây ra một cạnh tăng trên nạn nhân. Với khớp nối cảm ứng, sự thay đổi điện áp trên nạn nhân là ngược lại với sự thay đổi trên nguồn. Hầu hết crosstalk là điện dung, và kích thước của tiếng ồn tỷ lệ với khoảng cách song song, tần số, biên độ điện áp nguồn và trở kháng nạn nhân, và tỷ lệ ngược với khoảng cách hai đường được tách ra. Do đó, các biện pháp để giảm crosstalk là: 1. Giữ các dây kết nối với vi xử lý mang tiếng ồn tần số vô tuyến xa các tín hiệu khác; 2. Dây mặt đất trở lại của tín hiệu có thể là nạn nhân của tiếng ồn nên được định tuyến dưới nó; 3. Không lấy các dòng tiếng ồn trên cạnh bên ngoài của bảng mạch; 4. Nếu có thể, định tuyến một số đường ồn ào cùng nhau và sau đó bao quanh chúng bằng dây mặt đất; 5. Giữ các dây không ồn ào xa các khu vực trên bảng có khả năng nhận tiếng ồn, chẳng hạn như các đầu nối, mạch dao động, rơ le và trình điều khiển rơ le.2) sắp xếp hợp lý số lượng dây mặt đất trở lại Trong ngành công nghiệp máy tính, nó là một thực tiễn phổ biến để có ít nhất 1 dây mặt đất cho mỗi 9 dây tín hiệu trong một cáp hoặc dây. Ở tốc độ cao, tỷ lệ này thay đổi thành 5: 1. Các nguyên tắc có thể được xem xét khi thiết kế các dòng tín hiệu và dòng trả về:1. là mỗi dây tín hiệu trong cáp có dây mặt đất trở lại để tạo thành một cặp xoắn; 2. Không vượt quá một mặt đất trở lại cho mỗi 9 dòng tín hiệu; 3. Nếu cáp dài hơn một chân, nên có một dây mặt đất trở lại cho mỗi 4 dây tín hiệu; 4. Nếu có thể, một khung kim loại rắn nên được sử dụng như một khung cơ khí, hàn giữa hai bảng mạch, cả như một khung lắp đặt và như một mặt đất trở lại RF đáng tin cậy.3) Các nguyên tắc dây điện khác 1. Giấy đồng được sử dụng làm dây sẽ làm cho trở kháng của dây không liên tục ở vòng quay 90 độ, có thể gây nhiễu phản xạ, vì vậy dây 90 độ nên được thay đổi thành dấu vết 135 độ, giúp giảm nhiễu phản xạ; 2. Đối với bảng PCB với dây hai mặt, dây của lớp trên và dưới nên vượt theo chiều dọc để giảm nối và giúp ức chế sự can thiệp; 3. Dây cáp cô lập được sử dụng. Trong nhiều mạch phải được định tuyến song song, một dây cáp cô lập có thể được xem xét là được thêm vào hai đường tín hiệu; 4. Tất cả các dòng nên được đặt dọc theo mặt đất DC càng xa càng tốt, và cố gắng tránh đặt dọc theo mặt đất AC; 5. Sử dụng dây ngắn. Trong trường hợp các dây không thể được sắp xếp hoặc chỉ có thể được kết nối bằng cách cuộn dây trong vòng tròn lớn, chỉ cần kết nối với cách điện "dây bay" thay vì dây in, hoặc trực tiếp cầu nối với các dây dẫn của các thành phần điện trở-công suất; 6. mạch DC nên được dây ra khỏi mạch AC, và dòng tín hiệu đầu vào và dòng tín hiệu đầu ra nên được tách ra; 7. Dấu hiệu tín hiệu không nên có nhánh, và nên được kết nối từ một thành phần đến thành phần tiếp theo để tránh can thiệp phản xạ hoặc can thiệp hài hòa; 8. Các dòng tín hiệu tần số cao như đồng hồ nên được định tuyến gần đường mặt đất để làm cho khu vực vòng để giảm bức xạ chế độ khác biệt.3. Kết luậnKhông thể loại bỏ hoàn toàn sự can thiệp điện từ trong các sản phẩm điện tử. Chúng ta chỉ có thể thực hiện các biện pháp cần thiết để giảm nhiễu điện từ và kiểm soát nhiễu điện từ trong một phạm vi nhất định. Một thiết kế bảng mạch in tốt là để giảm nhiễu điện từ. phần quan trọng. Khi thiết kế bảng mạch in, bạn có thể tham khảo các nguyên tắc thiết kế được đề cập ở trên, nhưng các nguyên tắc này không tĩnh. Các phương pháp chống nhiễu khác nhau nên được áp dụng linh hoạt theo các điều kiện mạch cụ thể để đáp ứng các yêu cầu về khả năng tương thích điện từ. Điều này đòi hỏi thiết kế bảng PCB Việc tích lũy và tóm tắt kinh nghiệm thông thường.