Влияние компоновки печатной платы на характеристики ЭМС электронного изделия

Заземление на печатной плате

• Влияние помех общего кода на внутренний сигнал печатной платы

Внутренние печатные линии печатной платы (PCB) имеют паразитные параметры по отношению к эталонной заземляющей плате, и когда функциональные сигналы передаются внутри печатной платы, один и тот же эквипотенциальный узел в той же сети в цепи больше не является эквипотенциальным. Ток i внутри печатной платы начинается с конца источника, проходит ряд несущих и возвращается к источнику сигнала, формируя сигнал. Более того, я склонен течь по пути с низким импедансом, так что я обычно остается неизменным со стабильностью импеданса.

На рис. 1 показан процесс преобразования синфазной помехи в дифференциальную внутри печатной платы. я_г относится к току дифференциального режима внутри потока печатной платы, в то время как i_com относится к синфазному току, который либо начинается снаружи печатной платы и течет в печатную плату через плату эталонного заземления, либо начинается внутри печатной платы и возвращается внутрь печатной платы через плату эталонного заземления. Высокочастотный i_com имеет два пути:первый из точки A в точку B внутри печатной платы, начиная с GND; второй - из точки А в точку Б, начиная с порта S₁ относительно печатной платы внутри на емкость C. Сопротивление заземления Z_AB приводит к генерации Δu_AB , поэтому, когда нормальный сигнал передается на IC₂ , будет иметь место деформация сигнала, а синфазная помеха преобразуется в дифференциальную помеху, которая оказывает влияние на нормальный сигнал на основе формулы u₂ =u₁ -Δu_AB .

Поэтому, как только я_com проникает внутрь печатной платы через порт ввода-вывода или пространственное излучение, емкость фильтра дифференциального режима на сигнальных линиях печатной платы может только прижимать обход помех к GND. Предпосылкой этого результата является то, что GND считается низкоомным для обратного потока сигнала, а ток всегда течет в направлении низкого импеданса.

• Ключ к реализации проекта ЭМС:импеданс заземления в печатной плате

Причина генерации ЭМС высокочастотными сигналами заключается в том, что опорный уровень сигнала GND не может поддерживать свою характеристику низкого импеданса. С увеличением импеданса Z_GND опорного уровня снижается и качество передачи сигнала. Чтобы решить проблему высокочастотных помех, в конструкции ЭМС используются общие методы, такие как фильтр, заземление и экран, которые тесно связаны с «землей».

Фильтр можно рассматривать как конденсатор на землю с двумя структурами, одна из которых предназначена для подключения конденсатора X к эталонной земле сигнала, а другая - для подключения сигнала к металлическому корпусу через конденсатор Y или другое заземление внутри печатной платы. Щит можно рассматривать как результат экспансии земли ПХБ в космос. Назначение фильтра или экрана состоит в том, чтобы пропускать высокочастотные синфазные помехи через байпас с низким импедансом, чтобы избежать попадания в сигнал нормальной работы. Точно так же все эти методы не будут работать, если заземление не имеет низкого импеданса.

На рис. 2 показано влияние импеданса земли на фильтр цепи. я_com потоки согласно последовательности IC₁ →IC₂ →IC₁ и когда он течет в точку P, я_com потекут в ответвления IC₁ и С₁ через который она течет из точки A в B. Если сопротивление между точками A и B, то есть Z_AB , намного меньше импеданса между точкой P и IC₁ . В этот момент я_com течет из точки P в A, IC₁ фильтр можно реализовать. Когда я_{прихожу} течет в точку B, возникнут ответвления цепи B→C и B→Q. Если разводка печатной платы плохо контролируется, импеданс между точками B и C, то есть Z_BC , Z_БК>>Z_C2 +Z_В . Z_В относится к импедансу между точкой Q и IC₂ . я_com течет обратно к IC₂ входной порт через C₂ когда емкость, которая изначально использовалась исключительно для IC₂ играет роль в интерференции сигнала.

Чтобы сделать опорный уровень с низким импедансом, его обычно проектируют в виде поверхности. Вообще говоря, проводник, у которого отношение длины к ширине меньше 5, можно рассматривать как низкоимпедансный в области техники. Импеданс печатных линий не определяется степенью их длины или толщины. В традиционных принципах проектирования печатных плат широко рекомендуется одноточечное заземление аналоговых цепей, поэтому принцип компоновки печатных плат с многоточечным заземлением цифровых цепей и комбинированным заземлением цепей цифровых модулей больше не подходит для решения проблем ЭМС.

Поскольку все обратные потоки всех сигналов должны иметь встроенное заземление с низким импедансом, 4-слойные или многослойные платы со встроенным заземлением способны удовлетворить требования, а недорогие одиночные платы — нет. Когда необходимо использовать двухслойную плату из-за ограничения стоимости, следует разработать относительно интегрированную заземляющую пластину для сигналов внутри печатной платы. В практическом применении на импеданс заземления печатной платы влияет как ее форма, так и наличие сигнального провода через отверстия, трещины и прорези. На рис. 3a и 3b соответственно показаны плохая и отличная конструкции заземления с низким импедансом.

На этом рисунке все компоненты находятся на передней стороне печатной платы, а плоскость заземления — на задней. Чипы соединены печатными линиями ab на лицевой стороне и cd печатными линиями на задней стороне. Под давлением высокочастотных синфазных помех извне щели, образованные cd, приведут к увеличению Z_GND обратного потока печатных строк. Z_Земля колеблется в процессе передачи сигнала, что приводит к низкому качеству сигнала. Таким образом, слои печатных линий между cd можно менять местами снова и снова через отверстия в процессе проектирования разводки печатной платы так, чтобы Z_GND будет уменьшен. Кроме того, два IC_S с чувствительными сигналами могут быть объединены вместе, чтобы сделать GND относительно интегрированной заземляющей плоскостью локально, чтобы гарантировать, что сигнал не будет мешать в процессе передачи сигнала. Обратите внимание, что сквозные отверстия нельзя располагать с большой плотностью, иначе появится трещина и на плоскости заземления, что приведет к нарастанию Z_GND .

Стекирование печатных плат

Дизайн ЭМС лучше всего подходит для 4-слойных печатных плат. С точки зрения EMS, либо металлический корпус, либо экран с металлическим корпусом локально чувствительных цепей способны решить проблемы помех. С точки зрения электромагнитных помех, иногда 4-слойные платы не удовлетворяют требованиям по ограничению эмиссии излучения, и количество слоев следует увеличить, поскольку многослойные платы могут генерировать сигналы с высоким d_u / д_т и д_i / д_т обеспечить меньшую площадь сигнального контура в процессе передачи, обеспечивая обратный поток с низким импедансом для высокоскоростных сигналов.

Основной принцип компоновки печатных плат заключается в размещении высокоскоростного сигнального слоя и силовой плоскости рядом с плоскостью заземления. На рис. 4 показана схема укладки 4- и 6-слойных плат. С₁ на рис. 4a относится к высокоскоростному сигнальному слою, а на рис. 4b, 4c и 4d показаны три обычных 6-слойных печатных платы.

Среди трех-шестислойных печатных плат конструкция b является наихудшей, а S₂ слой должен быть высокоскоростным сигнальным слоем. С₂ слой в дизайне c и d является высокоскоростным сигнальным слоем. Конструкция c является наилучшей, поскольку каждый сигнальный слой плотно примыкает к заземляющему слою, чтобы обеспечить кратчайший путь обратного потока сигнала и S₂ и слои P экранированы GND₁ и заземление₂ . По сравнению с конструкцией c, S₃ в конструкции d находится далеко от слоя GND, и P может достигать только одностороннего эффекта вместо двустороннего эффекта, вызванного конструкцией c.

Эквивалентная антенна в печатных платах

Основная функция антенны — излучать и принимать беспроводные радиоволны. В процессе излучения высокочастотный ток может быть преобразован в электромагнитную волну; в процессе приема электромагнитная волна преобразуется в высокочастотный ток. Излучение в поле ЭМС в основном относится к излучению дальнего поля. Формирование антенны зависит от двух основных условий:источника ВЧ-сигнала и определенной длины проводников, подключенных к источнику ВЧ-сигнала. В технике считается, что антенный эффект возникает, когда длина проводника соответствует формуле l=λ/20. Когда l=(λ/4)n, эффект антенны максимален при n в качестве натурального числа.

Когда сигнал передается внутри печатной платы, внутренняя петля имеет тот же эффект, что и рамочная антенна. Чем больше площадь петли, тем сильнее будет эффект антенны. Строгий контроль контура печатной платы может эффективно устранить помехи дифференциального режима, что возможно на практике. Однако увеличение длины печатных линий вызовет явный эффект стержневой антенны, поэтому в процессе разводки печатной платы необходимо максимально сократить длину межблочных сигналов.

При относительно высоком Z_GND имеет место на обратном пути сигналов с высоким значением du/dt, передаваемых внутри печатной платы, источник драйвера синфазного сигнала u_com состоится с i_com течет мимо Z_GND , вместе с подключенными печатными линиями или конюшнями ввода-вывода, которые могут выходить наружу.

Если печатные платы имеют относительно небольшой размер, внутренние печатные линии не могут удовлетворить требования по излучению антенны из-за ограничений по длине. В этом случае кабель ввода-вывода можно рассматривать как расширение печатных линий, что позволяет удовлетворить требования к излучению. Даже если не существует прямого подключения к стойке ввода-вывода, необходимо устранить перекрестные помехи между кабелями ввода-вывода.

Перекрестные помехи внутри печатной платы и способы их устранения

• Связь между печатными линиями печатной платы и опорной землей

Поскольку EMC в основном обсуждает высокочастотные синфазные сигналы, нельзя избежать параметров распределения как внутри, так и снаружи печатной платы. Между печатной платой и опорной землей возникает емкостная связь, распределенная емкость которой состоит из емкости пластины и собственной емкости в наименьшем пространстве. Емкость пластины прямо пропорциональна размеру печатной платы и косвенно пропорциональна расстоянию между печатной платой и землей. Собственная емкость в наименьшем пространстве прямо пропорциональна эквивалентному диаметру печатных линий внутри печатной платы. Следовательно, независимо от того, где находится печатная плата, даже далеко от земли в бесконечности, между внутренними печатными линиями и землей всегда существует распределенная емкость. В печатной плате распределенная емкость относительно интегрированной плоскости заземления относительно платы заземления составляет примерно 10 пФ, а распределенная емкость внутренних печатных линий относительно платы заземления находится примерно в диапазоне от 0,001 пФ до 0,1 пФ или ниже. Распределенная емкость печатных линий в центре печатной платы намного ниже, чем у печатных линий на краю печатной платы.

• Соединение внутри печатной платы

а. Теория связи внутри печатной платы и ее влияние на сигнал

Связь внутри печатной платы состоит из емкостной и индуктивной связи, теория которых показана на рисунке 5.

На этом рисунке и AB, и CD представляют собой параллельные печатные строки с небольшим интервалом между двумя строками. Z₀ относится к несущей сигнальной линии 1, а Z₁ и Z₂ относятся соответственно к несущим сигнальной линии 2. На рисунке 5а, когда пиковое напряжение сигнала на печатной линии AB равно u, время нарастания сигнала равно Δt, а угловая частота равна ω, напряжение Z₂ будет u_v =[Z₁ Z₂ /(Z₁ +Z₂ )]cΔu/Δt. Хотя _c имеет очень низкое значение, значение Δu/dt может быть очень высоким, и их произведения нельзя избежать. На рисунке 5b, когда пиковый ток сигнала на AB равен I_c , время нарастания сигнала Δt, а угловая частота ω, взаимная индуктивность m между двумя печатными линиями пройдет через CD, на котором индуцируется напряжение u_v =mωi_c . Хотя значение m настолько мало, частота сигнала может быть увеличена. Поэтому без их продукта нельзя обойтись.

В результате и емкостная связь, и индуктивная связь связаны с распределенным параметром двух печатных строк c или m. При разводке печатной платы значения c и m можно уменьшить, увеличив расстояние между параллельными линиями. В практической схеме емкостная связь составляет большую часть цифровой схемы, и когда плоскость печатной платы не является гладкой или имеются прорези или трещины, индуктивные перекрестные помехи будут иметь большее влияние, чем емкостные перекрестные помехи. Однако, когда площадь печатной платы ограничена, с перекрестными помехами нельзя справиться только за счет увеличения расстояния между параллельными линиями. Для того, чтобы сохранить наименьшие распределенные параметры между двумя соседними параллельными линиями, в проективной области следует располагать интегрированную плоскостную конструкцию, а слои грунта лучше всего располагать вверху и внизу.

б. Влияние провода заземления экрана на уменьшение перекрестных помех

Степень перекрестных помех определяется многими элементами, такими как частота сигнала, время нарастания сигнала, расстояние между сигнальными линиями, входной порт и электрические характеристики принимающего порта, а также количество слоев печатной платы. Перекрёстные помехи можно уменьшить, установив интегрированную заземляющую пластину под печатными линиями, а между сигналами можно добавить экранирующий заземляющий провод.

В процессе компоновки печатной платы для предотвращения перекрестных помех могут быть полезны два аспекта. Во-первых, чувствительная внутренняя цепь и внешняя цепь должны быть остановлены. Во-вторых, необходимо устранить перекрестные помехи между внутренней схемой или цепью шума и другими сигналами. В практической компоновке печатной платы необходимо провести подробное тестирование в одном слое или между разными слоями печатной платы, чтобы определить, существует ли риск перекрестных помех или нет.

Во время процедуры разводки печатной платы некоторые сигнальные линии с одним и тем же атрибутом должны следовать трассировке в одно и то же время и в одном направлении с плотностью. Если ограничение места на печатной плате приводит к тому, что компоненты фильтра не могут быть размещены на одной линии, возникают перекрестные помехи между сигналами. Эта ситуация показана на рисунке 6 ниже.

в. Влияние провода заземления экрана на краевой эффект

Когда высокочувствительные сигнальные линии или сигнальные линии с высокими значениями du/dt, di/dt расположены вдоль края печатной платы, они подвергаются большему риску электромагнитной совместимости, чем линии, расположенные в центре печатной платы. Для краевых сигнальных линий проще принимать высокочастотные помехи или внешнее излучение за счет большей паразитной емкости.

При ограничении площади печатной платы чрезвычайно сложно выполнить компоновку печатной платы в соответствии с принципами 20H в файле проекта. «Пакет» можно использовать для уменьшения помех и внешнего излучения. Пакетные линии не должны соответствовать определенным требованиям, таким как толщина и форма. Обычно, когда сигнальная линия проходит слишком близко от края печатной платы к медной пластине, в качестве экрана можно добавить линию заземления в диапазоне от 7 до 10 мил.

д. Взаимные помехи между цифровыми и аналоговыми цепями

Когда печатная плата содержит высокоскоростную цифровую схему и низкоуровневые аналоговые сигналы, перекрестные помехи обычно генерируются для аналоговых сигналов из-за цифрового шума при плохой компоновке печатной платы. Взаимные помехи между цифровыми и аналоговыми цепями вызываются следующими причинами. Во-первых, перекрестные помехи вызваны паразитной емкостью и паразитной индуктивностью. Во-вторых, плохая развязка пульсаций мощности и мощности цифрового чипа приведет к шуму мощности. В-третьих, сопротивление земли и место заземления системы вызывают шум. Проблема шума должна решаться в порядке мощности, сигнала и земли.

Полезные ресурсы:
• Наиболее полное введение в автоматизированные инструменты EMI и EMC
• Обеспечение успеха при проектировании ЭМС печатных плат с первого раза
• Правила проектирования секций печатных плат для улучшения ЭМС
• Печатная плата Конструкция для радиочастотной цепи и электромагнитной совместимости
• Три аспекта проектирования, обеспечивающие электромагнитную совместимость печатной платы ноутбука
• Полнофункциональная услуга по производству печатных плат от PCBCart — несколько дополнительных опций
• Усовершенствованная услуга по сборке печатных плат от PCBCart - Начать с 1 шт.