Στον σχεδιασμό PCB, η ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα (EMC) και οι σχετικές ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI) ήταν παραδοσιακά δύο βασικοί πονοκέφαλοι για τους μηχανικούς, ειδικά στα σημερινά σχέδια πλακέτας κυκλωμάτων και τα πακέτα εξαρτημάτων συνεχίζουν να συρρικνώνονται, οι OEM απαιτούν συστήματα υψηλότερης ταχύτητας.Σε αυτό το άρθρο, θα μοιραστώ πώς να αποφύγετε ηλεκτρομαγνητικά προβλήματα στο σχεδιασμό PCB.
1. Η συζήτηση και η ευθυγράμμιση είναι το επίκεντρο
Η ευθυγράμμιση είναι ιδιαίτερα σημαντική για τη διασφάλιση της σωστής ροής του ρεύματος.Εάν το ρεύμα προέρχεται από έναν ταλαντωτή ή άλλη παρόμοια συσκευή, είναι ιδιαίτερα σημαντικό να διατηρείται το ρεύμα χωριστά από το στρώμα γείωσης ή να μην τρέχει το ρεύμα παράλληλα με μια άλλη ευθυγράμμιση.Δύο σήματα υψηλής ταχύτητας παράλληλα μπορούν να δημιουργήσουν EMC και EMI, ειδικά crosstalk.Είναι σημαντικό να διατηρείτε τις διαδρομές των αντιστάσεων όσο το δυνατόν πιο σύντομες και τις διαδρομές του ρεύματος επιστροφής όσο το δυνατόν πιο σύντομες.Το μήκος της διαδρομής επιστροφής πρέπει να είναι ίδιο με το μήκος της διαδρομής μετάδοσης.
Για το EMI, το ένα μονοπάτι ονομάζεται «μονοπάτι παραβίασης» και το άλλο είναι «μονοπάτι του θύματος».Η επαγωγική και η χωρητική σύζευξη επηρεάζει τη διαδρομή του «θύματος» λόγω της παρουσίας ηλεκτρομαγνητικών πεδίων, δημιουργώντας έτσι ρεύματα προς τα εμπρός και προς τα πίσω στη «διαδρομή του θύματος».Με αυτόν τον τρόπο, δημιουργείται κυματισμός σε ένα σταθερό περιβάλλον όπου τα μήκη εκπομπής και λήψης του σήματος είναι σχεδόν ίσα.
Σε ένα καλά ισορροπημένο περιβάλλον με σταθερές ευθυγραμμίσεις, τα επαγόμενα ρεύματα θα πρέπει να αλληλοεξουδετερώνονται, εξαλείφοντας έτσι τις παρεμβολές.Ωστόσο, βρισκόμαστε σε έναν ατελή κόσμο όπου κάτι τέτοιο δεν συμβαίνει.Επομένως, ο στόχος μας είναι να περιοριστεί στο ελάχιστο το crosstalk για όλες τις ευθυγραμμίσεις.Η επίδραση της διαφωνίας μπορεί να ελαχιστοποιηθεί εάν το πλάτος μεταξύ των παράλληλων γραμμών είναι διπλάσιο από το πλάτος των γραμμών.Για παράδειγμα, εάν το πλάτος της γραμμής είναι 5 mils, η ελάχιστη απόσταση μεταξύ δύο παράλληλων γραμμών θα πρέπει να είναι 10 mils ή μεγαλύτερη.
Καθώς συνεχίζουν να εμφανίζονται νέα υλικά και εξαρτήματα, οι σχεδιαστές PCB πρέπει επίσης να συνεχίσουν να ασχολούνται με θέματα ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας και παρεμβολών.
2. Πυκνωτές αποσύνδεσης
Οι πυκνωτές αποσύνδεσης μειώνουν τις ανεπιθύμητες συνέπειες της αλληλεπίδρασης.Θα πρέπει να βρίσκονται μεταξύ των ακροδεκτών τροφοδοσίας και γείωσης της συσκευής, γεγονός που εξασφαλίζει χαμηλή σύνθετη αντίσταση εναλλασσόμενου ρεύματος και μειώνει τον θόρυβο και τις παρεμβολές.Για να επιτευχθεί χαμηλή σύνθετη αντίσταση σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων, θα πρέπει να χρησιμοποιούνται πολλαπλοί πυκνωτές αποσύνδεσης.
Μια σημαντική αρχή για την τοποθέτηση πυκνωτών αποσύνδεσης είναι ότι ο πυκνωτής με τη χαμηλότερη τιμή χωρητικότητας τοποθετείται όσο το δυνατόν πιο κοντά στη συσκευή για να μειωθούν τα επαγωγικά αποτελέσματα στις ευθυγραμμίσεις.Ο συγκεκριμένος πυκνωτής θα πρέπει να τοποθετηθεί όσο το δυνατόν πιο κοντά στις ακίδες τροφοδοσίας της συσκευής ή στον αγωγό τροφοδοσίας ρεύματος και τα μαξιλαράκια του πυκνωτή θα πρέπει να συνδέονται απευθείας στη διέλευση ή στο επίπεδο του εδάφους.Εάν η ευθυγράμμιση είναι μεγάλη, χρησιμοποιήστε πολλαπλές διόδους για να ελαχιστοποιήσετε την αντίσταση γείωσης.
3. Γείωση του PCB
Ένας σημαντικός τρόπος μείωσης του EMI είναι ο σχεδιασμός του στρώματος γείωσης PCB.Το πρώτο βήμα είναι να κάνετε την περιοχή γείωσης όσο το δυνατόν μεγαλύτερη εντός της συνολικής επιφάνειας της πλακέτας PCB, έτσι ώστε οι εκπομπές, οι παρεμβολές και ο θόρυβος να μπορούν να μειωθούν.Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δίνεται κατά τη σύνδεση κάθε στοιχείου σε σημείο γείωσης ή στρώμα γείωσης, χωρίς το οποίο δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί πλήρως η εξουδετερωτική επίδραση ενός αξιόπιστου στρώματος γείωσης.
Ένας ιδιαίτερα πολύπλοκος σχεδιασμός PCB έχει αρκετές σταθερές τάσεις.Στην ιδανική περίπτωση, κάθε τάση αναφοράς έχει το δικό της αντίστοιχο στρώμα γείωσης.Ωστόσο, πάρα πολλά στρώματα γείωσης θα αύξαναν το κόστος κατασκευής του PCB και θα το καθιστούσαν πολύ ακριβό.Ένας συμβιβασμός είναι η χρήση στρώσεων γείωσης σε τρεις έως πέντε διαφορετικές θέσεις, καθεμία από τις οποίες μπορεί να περιέχει πολλά τμήματα γείωσης.Αυτό όχι μόνο ελέγχει το κόστος κατασκευής της πλακέτας, αλλά μειώνει επίσης το EMI και το EMC.
Ένα σύστημα γείωσης χαμηλής σύνθετης αντίστασης είναι σημαντικό εάν πρόκειται να ελαχιστοποιηθεί το EMC.Σε ένα πολυστρωματικό PCB είναι προτιμότερο να υπάρχει ένα αξιόπιστο στρώμα γείωσης παρά ένα μπλοκ ισορροπίας χαλκού (copper thieving) ή ένα διάσπαρτο στρώμα γείωσης, καθώς έχει χαμηλή σύνθετη αντίσταση, παρέχει μια διαδρομή ρεύματος και είναι η καλύτερη πηγή αντίστροφων σημάτων.
Το χρονικό διάστημα που χρειάζεται το σήμα για να επιστρέψει στο έδαφος είναι επίσης πολύ σημαντικό.Ο χρόνος που χρειάζεται για να ταξιδέψει το σήμα από και προς την πηγή πρέπει να είναι συγκρίσιμος, διαφορετικά θα συμβεί ένα φαινόμενο που μοιάζει με κεραία, επιτρέποντας στην ακτινοβολούμενη ενέργεια να γίνει μέρος του EMI.Ομοίως, η ευθυγράμμιση του ρεύματος προς/από την πηγή σήματος θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν συντομότερη, εάν οι διαδρομές πηγής και επιστροφής δεν είναι ίσου μήκους, θα συμβεί αναπήδηση από το έδαφος και αυτό θα δημιουργήσει επίσης EMI.
4. Αποφύγετε τις γωνίες 90°
Για να μειωθεί το EMI, η ευθυγράμμιση, οι διόδους και άλλα εξαρτήματα θα πρέπει να αποφεύγονται ώστε να σχηματίζουν γωνία 90°, επειδή μια ορθή γωνία θα δημιουργήσει ακτινοβολία.Για να αποφευχθεί η γωνία 90 °, η ευθυγράμμιση πρέπει να είναι τουλάχιστον δύο καλωδιώσεις γωνίας 45 ° στη γωνία.
5. Η χρήση της υπεροπής πρέπει να είναι προσεκτική
Σχεδόν σε όλες τις διατάξεις PCB, πρέπει να χρησιμοποιούνται vias για να παρέχουν μια αγώγιμη σύνδεση μεταξύ των διαφορετικών στρωμάτων.Σε ορισμένες περιπτώσεις, παράγουν επίσης ανακλάσεις, καθώς η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση αλλάζει όταν δημιουργούνται τα vias στην ευθυγράμμιση.
Είναι επίσης σημαντικό να θυμάστε ότι τα vias αυξάνουν το μήκος της ευθυγράμμισης και πρέπει να αντιστοιχιστούν.Στην περίπτωση διαφορικών ευθυγραμμίσεων, οι διόδους θα πρέπει να αποφεύγονται όπου είναι δυνατόν.Εάν αυτό δεν μπορεί να αποφευχθεί, θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν vias και στις δύο ευθυγραμμίσεις για να αντισταθμιστούν οι καθυστερήσεις στη διαδρομή σήματος και επιστροφής.
6. Καλώδια και φυσική θωράκιση
Τα καλώδια που μεταφέρουν ψηφιακά κυκλώματα και αναλογικά ρεύματα μπορούν να δημιουργήσουν παρασιτική χωρητικότητα και επαγωγή, προκαλώντας πολλά προβλήματα που σχετίζονται με την ΗΜΣ.Εάν χρησιμοποιούνται καλώδια συνεστραμμένου ζεύγους, διατηρείται χαμηλό επίπεδο ζεύξης και εξαλείφονται τα μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται.Για σήματα υψηλής συχνότητας, πρέπει να χρησιμοποιούνται θωρακισμένα καλώδια, με γειωμένα τόσο το μπροστινό όσο και το πίσω μέρος τους, για την εξάλειψη των παρεμβολών EMI.
Η φυσική θωράκιση είναι το περίβλημα ολόκληρου ή μέρους του συστήματος σε μεταλλική συσκευασία για να αποτρέψει την είσοδο του EMI στο κύκλωμα PCB.Αυτή η θωράκιση λειτουργεί σαν ένας κλειστός, αγώγιμος πυκνωτής εδάφους, μειώνοντας το μέγεθος του βρόχου της κεραίας και απορροφώντας το EMI.
Ώρα δημοσίευσης: Νοε-23-2022