Thông tin PCB - Công nghệ điều khiển EMI trong thiết kế PCB mạch kỹ thuật số

1. Nguyên tắc tạo ra và ức chế EMI EMI trong thiết kế bảng mạch in được gây ra bởi các nguồn nhiễu điện từ truyền năng lượng cho các hệ thống nhạy cảm thông qua đường nối. Nó bao gồm ba hình thức cơ bản: dẫn thông qua dây hoặc mặt đất chung, bức xạ thông qua không gian, hoặc nối qua trường gần. Tác hại của EMI được thể hiện như làm giảm chất lượng tín hiệu truyền, gây nhiễu hoặc thậm chí gây thiệt hại cho mạch hoặc thiết bị, do đó thiết bị không thể đáp ứng các yêu cầu chỉ số kỹ thuật được chỉ định trong tiêu chuẩn tương thích điện từ. Để ức chế EMI, thiết kế EMI của các mạch kỹ thuật số nên được thực hiện theo các nguyên tắc sau:1.1 Theo các thông số kỹ thuật EMC / EMI có liên quan, các chỉ số được phân hủy thành các mạch bảng đơn để kiểm soát phân cấp.1.2 Kiểm soát từ ba yếu tố của EMI, cụ thể là nguồn can thiệp, đường dẫn nối năng lượng và hệ thống nhạy cảm, để mạch có phản ứng tần số phẳng và đảm bảo hoạt động bình thường và ổn định của mạch.1.3 Bắt đầu với thiết kế phía trước của thiết bị, chú ý đến thiết kế EMC / EMI và giảm chi phí thiết kế.

2. Công nghệ điều khiển EMI của bảng PCB mạch kỹ thuật số Khi đối phó với các hình thức khác nhau của EMI, các vấn đề cụ thể phải được phân tích. Trong thiết kế bảng PCB của các mạch kỹ thuật số, điều khiển EMI có thể được thực hiện từ các khía cạnh sau.2.1 Lựa chọn thiết bị Trong thiết kế EMI, điều đầu tiên cần xem xét là tốc độ của thiết bị được chọn. Bất kỳ mạch nào thay thế một thiết bị có thời gian tăng 5ns bằng một thiết bị có thời gian tăng 2,5ns sẽ làm tăng EMI bằng một yếu tố khoảng 4. Mức độ bức xạ của EMI tỷ lệ với vuông của tần số, còn được gọi là băng thông phát xạ EMI, là một hàm của thời gian tăng tín hiệu thay vì tần số tín hiệu: fknee = 0,35 / Tr (nơi Tr là thời gian tăng tín hiệu của thiết bị). Phạm vi tần số của loại EMI bức xạ này là 30MHz đến vài GHz, và trong băng tần số này, bước sóng rất ngắn đến mức ngay cả dây rất ngắn trên bảng mạch có thể trở thành một ăng ten truyền. Khi EMI cao, mạch có khả năng mất chức năng bình thường. Do đó, về lựa chọn thiết bị, trên tiền đề đảm bảo các yêu cầu hiệu suất mạch, các chip tốc độ thấp nên được sử dụng càng nhiều càng tốt và các mạch lái / nhận thích hợp nên được sử dụng. Ngoài ra, vì các chân chì của thiết bị có khả năng cảm ứng ký sinh trùng và công suất ký sinh trùng, trong thiết kế tốc độ cao, ảnh hưởng của hình thức đóng gói thiết bị đối với tín hiệu không thể bỏ qua, bởi vì nó cũng là một yếu tố quan trọng để tạo ra bức xạ EMI. Nói chung, các thông số ký sinh trùng của các thiết bị SMD nhỏ hơn so với các thiết bị bổ sung, và các thông số ký sinh trùng của các gói BGA nhỏ hơn so với các gói QFP.2.2 Lựa chọn kết nối và định nghĩa đầu cuối tín hiệu Kết nối là liên kết chính của truyền tín hiệu tốc độ cao, và nó cũng là liên kết yếu dễ bị EMI. Trong thiết kế đầu cuối của đầu nối, nhiều pin mặt đất có thể được sắp xếp để giảm khoảng cách giữa tín hiệu và mặt đất, giảm khu vực vòng tín hiệu hiệu quả tạo ra bức xạ trong đầu nối và cung cấp một con đường trở lại trở kháng thấp. Nếu cần thiết, hãy xem xét cách ly một số tín hiệu chính bằng chân mặt đất.2.3 Thiết kế LaminateNếu chi phí cho phép, tăng số lớp mặt đất và đặt lớp tín hiệu cạnh lớp phẳng mặt đất có thể làm giảm bức xạ EMI. Đối với các tấm PCB tốc độ cao, các máy bay điện và mặt đất được ghép nối gần nhau để giảm trở kháng cung cấp điện, do đó làm giảm EMI.2.4 LayoutTheo dòng chảy dòng tín hiệu, một bố trí hợp lý có thể làm giảm sự can thiệp giữa các tín hiệu. Cách bố trí thích hợp là chìa khóa để kiểm soát EMI. Các nguyên tắc cơ bản của bố trí là: (1) Tín hiệu tương tự dễ bị ảnh hưởng bởi tín hiệu kỹ thuật số, và mạch tương tự nên được tách khỏi mạch kỹ thuật số; (2) Dòng đồng hồ là nguồn chính gây nhiễu và bức xạ, vì vậy hãy tránh xa các mạch nhạy cảm và giữ cho dòng đồng hồ ngắn; (3) Các mạch có dòng điện cao và tiêu thụ năng lượng cao nên tránh càng xa càng tốt ở khu vực trung tâm của bảng, và ảnh hưởng của phân tán nhiệt và bức xạ nên được xem xét cùng một lúc; (4) Các đầu nối nên được sắp xếp ở một bên của bảng càng xa càng tốt và xa các mạch tần số cao; (5) mạch đầu vào / đầu ra là gần với đầu nối tương ứng, và tụ nối là gần với pin cung cấp điện tương ứng; (6) Xem xét đầy đủ tính khả thi của bố trí để tách điện, và các thiết bị đa năng lượng nên được đặt qua ranh giới của khu vực tách điện để giảm hiệu quả tác động của tách máy bay đến EMI; (7) Phẳng lưu lại (đường) không được chia.2.5 Dây (1) Kiểm soát trở kháng: Các dây tín hiệu tốc độ cao sẽ thể hiện đặc điểm của các dây truyền, và kiểm soát trở kháng là cần thiết để tránh phản ánh tín hiệu, vượt quá và chuông, và giảm bức xạ EMI. (2) Phân loại các tín hiệu, theo cường độ bức xạ EMI và độ nhạy cảm của các tín hiệu khác nhau (tín hiệu tương tự, tín hiệu đồng hồ, tín hiệu I / O, bus, nguồn cung cấp điện, v.v.), tách nguồn can thiệp khỏi hệ thống nhạy cảm càng nhiều càng tốt để giảm nối. (3) Kiểm soát chặt chẽ chiều dài dấu vết, số lượng vias, phân vùng chéo, kết thúc, lớp dây, đường dẫn trở lại, v.v. của tín hiệu đồng hồ (đặc biệt là tín hiệu đồng hồ tốc độ cao). (4) Vòng lặp tín hiệu, nghĩa là, vòng lặp được hình thành bởi tín hiệu chảy ra đến tín hiệu chảy vào, là chìa khóa để kiểm soát EMI trong thiết kế PCB và phải được kiểm soát trong quá trình dây. Để hiểu hướng dòng chảy của mỗi tín hiệu chìa khóa, hãy định tuyến tín hiệu chìa khóa gần đường dẫn trở lại để đảm bảo khu vực vòng lặp của nó. Đối với tín hiệu tần số thấp, làm cho dòng chảy hiện tại qua con đường của điện trở; Đối với tín hiệu tần số cao, làm cho dòng điện tần số cao chảy qua đường dẫn của cảm ứng, không phải đường dẫn của điện trở. Đối với bức xạ chế độ khác biệt, cường độ bức xạ EMI (E) tỷ lệ với dòng điện, diện tích của vòng điện và vuông của tần số. (nơi tôi là hiện tại, A là khu vực vòng, f là tần số, r là khoảng cách đến trung tâm của vòng, và k là hằng số.) Vì vậy, khi đường dẫn trở lại cảm ứng là ngay dưới dây dẫn tín hiệu, khu vực vòng hiện tại có thể được giảm, Do đó giảm năng lượng bức xạ EMI. Các tín hiệu quan trọng không được vượt qua khu vực phân khúc. Các dấu hiệu tín hiệu chênh lệch tốc độ cao nên được kết nối chặt chẽ nhất có thể. Hãy đảm bảo rằng dòng dải, dòng dải vi mô và máy bay tham chiếu của chúng đáp ứng các yêu cầu. Các dây dẫn của tụ nạp tách nên ngắn và rộng. Tất cả dấu vết tín hiệu nên được giữ xa cạnh của bảng càng tốt. Đối với mạng kết nối đa điểm, chọn một topology thích hợp để giảm phản xạ tín hiệu và giảm phát thải EMI.2.6 Xử lý tách của máy bay cung cấp điện (1) Chia lớp cung cấp điện Khi có một hoặc nhiều nguồn cung cấp điện phụ trên máy bay cung cấp điện chính, đảm bảo sự liên tục của mỗi khu vực cung cấp điện và chiều rộng lá đồng đủ. Đường chia không cần quá rộng, nói chung chiều rộng đường 20-50 mil là đủ để giảm bức xạ khoảng cách. (2) Phân chia lớp mặt đất Lớp phẳng mặt đất nên giữ nguyên để tránh phân mảnh. Nếu nó phải được chia, phân biệt mặt đất kỹ thuật số, mặt đất tương tự và mặt đất tiếng ồn, và kết nối nó với mặt đất bên ngoài thông qua một điểm mặt đất chung tại đầu ra. Để giảm bức xạ rìa của nguồn cung cấp điện, máy bay điện / mặt đất nên tuân theo nguyên tắc thiết kế 20H, tức là kích thước của máy bay mặt đất lớn hơn 20H so với kích thước của máy bay điện, để cường độ bức xạ trường rìa có thể giảm 70%.3. Các phương pháp điều khiển khác cho EMI3.1 Thiết kế hệ thống điện (1) Thiết kế một hệ thống điện trở kháng thấp để đảm bảo rằng trở kháng của hệ thống phân phối điện trong phạm vi tần số dưới fknee thấp hơn trở kháng mục tiêu. (2) Sử dụng bộ lọc để kiểm soát sự can thiệp được tiến hành. (3) Ngắt nối nguồn cung cấp điện. Trong thiết kế EMI, cung cấp tụ nối hợp lý có thể làm cho chip hoạt động đáng tin cậy và giảm tiếng ồn tần số cao trong nguồn cung cấp điện, giảm EMI. Do ảnh hưởng của cảm ứng dây và các thông số ký sinh trùng khác, nguồn cung cấp điện và dây cung cấp của nó phản ứng chậm, có thể làm cho dòng điện tức thời cần thiết bởi trình điều khiển trong mạch tốc độ cao không đủ. Thiết kế hợp lý của các tụ điện vượt qua hoặc tách nối và công suất phân tán của lớp cung cấp điện có thể nhanh chóng cung cấp dòng điện cho thiết bị bằng cách sử dụng hiệu ứng lưu trữ năng lượng của tụ điện trước khi nguồn cung cấp điện phản ứng. Phát nối điện dung thích hợp cung cấp một đường dẫn điện trở kháng thấp, là chìa khóa để giảm EMI chế độ chung.3.2 Thiết kế GroundingGrounding là chìa khóa để giảm EMI của toàn bộ bảng. (1) Hãy chắc chắn sử dụng đặt đất một điểm, đặt đất nhiều điểm hoặc đặt đất hỗn hợp. (2) Mặt đất kỹ thuật số riêng biệt, mặt đất tương tự và mặt đất tiếng ồn, và xác định một điểm mặt đất phù hợp. (3) Nếu không có lớp dây mặt đất trong thiết kế hai mặt, điều rất quan trọng là thiết kế lưới dây mặt đất một cách hợp lý, và chiều rộng của dây mặt đất, chiều rộng của dây điện và chiều rộng của dây tín hiệu nên được đảm bảo. Nó cũng có thể sử dụng một phương pháp sàn nhà diện tích lớn, nhưng cần lưu ý rằng sự liên tục của mặt đất diện tích lớn trên cùng một lớp là tốt hơn. (4) Đối với thiết kế bảng đa lớp, đảm bảo rằng có một lớp phẳng mặt đất để giảm trở kháng mặt đất phổ biến. Kết nối loạt của các điện trở nhỏ tại các đầu cuối đầu ra có thể làm chậm thời gian tăng / giảm và làm mịn các tín hiệu vượt quá và thấp hơn, do đó làm giảm biên độ hài hòa tần số cao của hình sóng đầu ra và ức chế hiệu quả EMI.3.4 Shield ((1) Các thiết bị chính có thể sử dụng vật liệu bảo vệ EMI hoặc lưới bảo vệ. (2) Việc che chắn các tín hiệu chính có thể được thiết kế như dòng dải hoặc được cô lập bằng dây mặt trên cả hai bên của tín hiệu chính.3.5 Phương pháp phổ phổ phổ phổ (phổ phổ phổ phổ) là một phương pháp hiệu quả mới để giảm EMI. Phổ lan rộng là để điều chỉnh tín hiệu để mở rộng năng lượng tín hiệu đến một phạm vi tần số tương đối rộng. Trên thực tế, phương pháp này là điều chỉnh được kiểm soát của tín hiệu đồng hồ, không làm tăng đáng kể sự rung động của tín hiệu đồng hồ. Các ứng dụng thực tế đã chứng minh rằng các kỹ thuật phổ lan rộng có hiệu quả, giảm phát thải từ 7 đến 20 dB.3.6 Phân tích và thử nghiệm EMI ((1) Phân tích mô phỏng. Sau khi dây PCB được hoàn thành, phần mềm mô phỏng EMI và hệ thống có thể được sử dụng để phân tích mô phỏng để mô phỏng môi trường EMC / EMI để đánh giá liệu sản phẩm có đáp ứng các yêu cầu của các tiêu chuẩn tương thích điện từ có liên quan hay không. (2) Thử nghiệm quét, sử dụng máy quét bức xạ điện từ để quét đĩa máy sau khi lắp ráp được kết nối và bật.4. Với sự phát triển liên tục và ứng dụng của các chip tốc độ cao mới, tần số tín hiệu ngày càng cao hơn và các PCB mang chúng có thể ngày càng nhỏ hơn. Thiết kế bảng PCB sẽ đối mặt với những thách thức EMI nghiêm trọng hơn. Chỉ bằng cách khám phá và đổi mới liên tục mới có thể thiết kế EMC / EMI của bảng mạch in thành công.