Преодоление электромагнитных проблем печатных плат

Перейти к:
Почему важно избегать электромагнитных помех | Принципы проектирования ЭМС для предотвращения и устранения электромагнитных проблем | 1. Плоскость земли | 2. Схема трассировки | 3. Расположение компонентов | 4. Экранирование электромагнитных помех | EMC Design от Millennium Circuits Limited |

Электромагнитные проблемы постоянно преследуют разработчиков печатных плат. Инженеры-проектировщики систем должны всегда следить за электромагнитной совместимостью и помехами. К сожалению, даже небольшие конструктивные проблемы могут привести к электромагнитным проблемам. Эти проблемы стали еще более распространенными, чем когда-либо, поскольку конструкции плат уменьшаются, а клиенты требуют более высоких скоростей.

Две основные проблемы – электромагнитная совместимость и электромагнитные помехи.

Электромагнитная совместимость, или ЭМС, связана с генерацией, распространением и приемом электромагнитной энергии, как правило, из-за плохой конструкции. Электромагнитные помехи, или EMI, относятся к нежелательным и разрушительным эффектам EMC, а также к электромагнитным помехам от источников окружающей среды. Слишком сильные электромагнитные помехи могут привести к дефектному или поврежденному изделию. Любой разработчик печатных плат должен следовать правилам проектирования ЭМС, чтобы свести к минимуму количество и влияние электромагнитных помех.

К счастью, правильное проектирование ЭМС может уменьшить электромагнитные помехи в печатных платах.

Запросить бесплатное предложение

Почему важно избегать электромагнитных помех

Источники электромагнитных помех окружают нас повсюду, и мы можем разделить их на несколько категорий:

• Источник: Искусственные электромагнитные помехи возникают из-за электронных схем. С другой стороны, естественные электромагнитные помехи могут быть вызваны факторами окружающей среды, такими как космический шум и молния.

• Продолжительность: Непрерывные помехи — это источник электромагнитных помех, излучающий постоянный сигнал, который чаще всего проявляется в виде фонового шума. Импульсные помехи носят периодический характер и обычно вызываются коммутационными системами, молниями и другими непостоянными источниками.

• Пропускная способность: Узкополосные сигналы, подобные тем, которые используются в радио, могут столкнуться с помехами от генераторов и передатчиков, хотя эти источники периодически воздействуют только на определенные части спектра. Широкополосные помехи влияют на сигналы с большим объемом данных, такие как телевизионные, и могут исходить из многих источников, включая дуговую сварку и солнечные помехи.

Созданные человеком или окружающей средой электромагнитные помехи могут быть как дорогостоящими, так и опасными. Это может нарушить работу каналов связи и чувствительных устройств. Электромагнитные помехи представляют собой серьезную проблему в области медицины, где использование беспроводных устройств растет. К сожалению, электромагнитные помехи могут повлиять на функциональность медицинского оборудования, такого как вентиляторы, мониторы ЭКГ, кардиомониторы и дефибрилляторы. В других отраслях электромагнитные помехи могут нарушить работу датчиков и навигационных систем. Результатом во всех случаях является нарушение работы оборудования, которое может быть ответственным за здоровье и безопасность его пользователей.

Однако наиболее распространенный источник электромагнитных помех — и самый проблематичный для разработчиков — внутренний. Плохая конструкция печатной платы может привести к тому, что несовместимые сигналы будут мешать друг другу на плате. Это вмешательство может в конечном итоге привести к выходу платы из строя. Разработчики должны убедиться, что помехи сведены к минимуму, а любые испускаемые сигналы совместимы, чтобы не создавать помех.

Принципы проектирования ЭМС для предотвращения и устранения электромагнитных проблем

Разработчики печатных плат должны следовать принципам проектирования электромагнитной совместимости, чтобы свести электромагнитные помехи к минимуму. Основные причины проблем ЭМС довольно распространены и в основном связаны с недостатками конструкции, которые вызывают помехи между дорожками, цепями, переходными отверстиями, катушками печатной платы и другими элементами.

Эти основные принципы проектирования могут помочь предотвратить и устранить эти электромагнитные проблемы в конструкции печатной платы.

1. Наземная плоскость

Разработка заземляющего слоя печатной платы является наиболее важным шагом и имеет решающее значение для снижения электромагнитных помех. Заземляющий слой — это ваша первая линия защиты от электромагнитных помех, поскольку для работы всех цепей требуется заземление. Некоторые распространенные рекомендации по проектированию заземления для снижения электромагнитных помех включают:

• Увеличить площадь земли: Максимально увеличьте площадь земли внутри печатной платы. Сигналы могут легче рассеиваться с большей площадью, уменьшая излучение, перекрестные помехи и шум. Если заземляющий слой слишком мал, вы можете добавить еще один слой и создать многослойную печатную плату. Это дизайнерское решение предоставляет больше возможностей для обработки высокоскоростных трассировок.

• Использовать сплошные плоскости. Особенно в многослойных печатных платах сплошной заземляющий слой является идеальным вариантом. Похищение меди и хеширование заземляющих плоскостей обычно приводят к более высоким уровням импеданса. Сплошные заземляющие плоскости, с другой стороны, обеспечивают более низкие уровни.

• Подключите каждый компонент: Соедините каждую часть с заземляющей плоскостью или точкой. Плоскость заземления выступает в качестве нейтрализующего агента для конструкции платы, и плавающие компоненты не используют это в полной мере.

• Будьте осторожны с разделенными плоскостями: Очень сложные конструкции печатных плат часто включают многочисленные регулируемые напряжения, каждое из которых должно иметь свои собственные заземляющие слои. Однако слишком много заземляющих плоскостей увеличивает стоимость изготовления. Эту проблему обычно решают за счет использования разделенных плоскостей, которые создают несколько участков земли на одном слое. Тем не менее, дизайнеры всегда должны использовать разделенные плоскости с осторожностью. Убедитесь, что у вас есть веская причина для использования разделенной плоскости, и, если вы ее используете, убедитесь, что они соединены только в одной точке. Несколько заземляющих соединений на печатной плате с разделенным заземлением могут создавать петли, в результате чего антенна излучает электромагнитные помехи.

• Подключите обходные или развязывающие конденсаторы: Если в конструкцию входят шунтирующие или развязывающие конденсаторы, подключите их к заземляющему экрану. Это действие помогает уменьшить обратный ток за счет уменьшения размера контура.

• Минимальная длина сигнала: Длина трасс важна, поскольку количество времени, которое требуется сигналу, чтобы добраться до источника и от него, должно быть совместимым. В противном случае он может излучать электромагнитные помехи. Длина трассировки должна быть как можно короче и примерно одинаковой длины.

2. Отслеживание макета

Следы особенно важны для дизайна платы. Правильное использование трассировки обеспечивает правильное распространение тока. Однако может возникнуть много проблем, если трассы не расположены в соответствии с основными правилами проектирования ЭМС.

Следы - это, по сути, проводящие пути, которые содержат текущие электроны, пока цепь активна. Таким образом, эти следы находятся на расстоянии одной ошибки от создания излучающей антенны. Простой изгиб или пересечение могут привести к электромагнитным помехам на печатной плате.

Вот некоторые из лучших правил размещения дорожек при проектировании печатных плат:

• Избегайте прямых углов: Избегайте углов от 45 до 90 градусов для переходных отверстий, дорожек и других частей. Емкость увеличивается, когда дорожки достигают углов более 45 градусов. В результате волновое сопротивление изменяется, что приводит к отражению. Это отражение приводит к электромагнитным помехам. Этой проблемы можно избежать, скруглив трассы, которые должны поворачивать за угол, или проложив их под двумя или более углами в 45 градусов или меньше.

• Сохраняйте отдельные сигналы: Держите высокоскоростные трассы отдельно от низкоскоростных сигналов и аналоговые сигналы отдельно от цифровых. Близкое расположение может привести к помехам.

• Сократить пути возврата: Делайте пути обратного тока как можно короче и прокладывайте их по путям наименьшего сопротивления. Обратные пути должны быть примерно такой же длины, что и пути передачи, или короче.

• Интервал разума: Два высокоскоростных сигнала, проходящих параллельно, создают электромагнитные помехи из-за перекрестных помех, в которых одна трасса является «агрессором», а другая — «жертвой». Агрессор воздействует на дорожку жертвы посредством индуктивной и емкостной связи, создавая прямой и обратный токи в дорожке жертвы. Вы можете свести к минимуму перекрестные помехи, сохраняя минимальное расстояние между дорожками. Как правило, разделяйте трассы на удвоенную ширину трассы. Например, если дорожки имеют ширину в пять тысячных дюйма, соблюдайте минимальное расстояние в десять тысячных дюйма или более между двумя параллельными дорожками.

• Осторожно используйте переходные отверстия: Переходные отверстия необходимы при проектировании печатных плат, поскольку они позволяют использовать преимущества нескольких слоев на плате при трассировке. Однако дизайнеры должны быть осторожны при их использовании. Переходные отверстия добавляют к миксу свои собственные эффекты индуктивности и емкости, что может привести к отражениям из-за изменений характеристического импеданса. Переходные отверстия также увеличивают длину трассы, которую необходимо согласовать. По возможности избегайте использования переходных отверстий для дифференциальных дорожек. Однако, если это невозможно, используйте их в обеих трассировках, чтобы компенсировать задержку.

3. Расположение компонентов

Электронные компоненты являются строительными блоками электронной схемы. Однако их неправильное расположение может вызвать несколько проблем с электромагнитными помехами. При проектировании печатной платы помните о воздействии электромагнитных помех каждой детали. Некоторые передовые методы компоновки компонентов при проектировании печатных плат включают следующее:

• Отдельные аналоговые и цифровые части: Как и в случае с трассами, всегда разделяйте аналоговые и цифровые схемы и компоненты. Размещение аналоговых и цифровых цепей в непосредственной близости может привести, среди прочего, к перекрестным помехам. Чтобы избежать этого, используйте экранирование, несколько слоев и отдельные заземления, чтобы аналоговые и цифровые сигналы располагались как можно дальше друг от друга. Как правило, аналоговые и цифровые сигналы лучше хранить на разных основаниях.

• Отдельные аналоговые и высокоскоростные компоненты: Аналоговые цепи пропускают большой ток, что может вызвать проблемы для высокоскоростных трасс и коммутационных сигналов. Держите их подальше друг от друга и защитите аналоговые цепи сигналом заземления. На многослойных печатных платах прокладывайте аналоговые дорожки так, чтобы между аналоговой схемой и коммутационными или высокоскоростными сигналами существовала плоскость заземления.

• Будьте осторожны с высокоскоростными компонентами: Чем быстрее и меньше компонент, тем большее количество электромагнитных помех он, вероятно, создает. Вы можете бороться с этими естественными электромагнитными помехами с помощью экранирования и фильтрации, хотя также неплохо было бы отделить эти компоненты от других в конструкции платы. Еще одна мера, которую необходимо предпринять, — это сделать так, чтобы высокоскоростные сигналы и тактовые сигналы были как можно короче и располагались близко к заземляющему слою. Эти меры помогают держать уровни перекрестных помех, шума и излучения под контролем и в допустимых пределах.

4. Экранирование электромагнитных помех

Некоторые компоненты будут создавать электромагнитные помехи независимо от того, каким правилам проектирования вы следуете, особенно маленькие, высокоскоростные детали. К счастью, экранирование и фильтрация могут свести влияние этих электромагнитных помех к минимуму. Некоторые параметры экранирования и фильтрации включают следующее:

• Экранирование компонентов и плат: Физические экраны — это металлические корпуса, полностью или частично закрывающие плату. Их цель состоит в том, чтобы не допустить проникновения электромагнитных помех в схемы платы, хотя конкретные методы различаются в зависимости от источника электромагнитных помех. Для электромагнитных помех, возникающих внутри системы, экраны компонентов могут использоваться для ограждения конкретного компонента, создающего электромагнитные помехи, таким образом соединяясь с землей, уменьшая размер петли антенны и поглощая электромагнитные помехи. Другие экраны могут покрывать всю плату для защиты от электромагнитных помех от внешних источников. Например, клетка Фарадея представляет собой толстый защитный кожух, предназначенный для блокирования радиоволн. Эти устройства обычно изготавливаются из металла или токопроводящей пены.

• Фильтрация нижних частот: Иногда печатная плата может включать фильтры нижних частот для устранения высокочастотного шума от компонентов. Эти фильтры подавляют шум от этих частей, позволяя току продолжаться на обратном пути без помех.

• Экранирование кабеля: Кабели, по которым передаются аналоговые и цифровые токи, создают наибольшее количество проблем с электромагнитными помехами. Они создают эти проблемы, создавая паразитную емкость и индуктивность — особую проблему для высокочастотных сигналов. К счастью, экранирование этих кабелей и подключение их к земле спереди и сзади помогает устранить электромагнитные помехи.

Дизайн ЭМС от Millennium Circuits Limited

По мере развития технологий и роста проблем с электромагнитными помехами вашей компании необходимо инвестировать в ресурсы, чтобы подготовиться к будущему. Электромагнитные проблемы станут более сложными, и использование самых последних передовых практик — лучший способ избежать этих проблем и настроить вашу компанию на будущий успех. Частично это должно включать партнерство с поставщиком качественных печатных плат. Ваш поставщик подготовит вашу компанию к выполнению любого проекта печатных плат, который появится на вашем пути. Компания Millennium Circuits Limited может помочь вам в этом.

Компания Millennium Circuits Limited, также известная как MCL, является ведущим в отрасли поставщиком печатных плат, который может создать ваши печатные платы здесь, в США. Наша цель — предоставить вам лучшие печатные платы, спроектированные экспертами по конкурентоспособным ценам.

Мы можем предоставить оффшорное производство, чтобы помочь вам сократить расходы и сохранить бюджет. Если вам нужен уникальный тип платы, наши опытные специалисты могут создать практически любой тип печатной платы, о котором вы только можете подумать, от гибких и керамических плат до высокоскоростных цифровых плат и многого другого. Мы можем помочь вам найти подходящую отделку поверхности, переходные отверстия и элементы, чтобы получить нужную вам плату с качеством, которого вы заслуживаете.

Позвольте нам помочь вам осуществить ваши проектные мечты. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы получить бесплатное предложение.

Запросить бесплатное предложение

а