Методы высокоскоростной разводки печатных плат для уменьшения влияния электромагнитных помех

Новые поколения электронных технологий приводят к увеличению высокой скорости компонентов. Повышение быстродействия схемы обуславливает все более высокие требования к конструкции печатных плат. Качество дизайна печатной платы даже определяет рабочие характеристики компонентов и всей схемы. Особенно с учетом стоимости, площади печатной платы и функциональности комплексной схемы источники генерации EMI (электромагнитный интерфейс) становятся все более широкими со сложным механизмом.

Механизм электромагнитных помех и решения

Основными элементами ЭМП являются источник электромагнитных помех, путь передачи и объект помех. При указании элементов, приводящих к возникновению электромагнитных помех, необходимо определить элементы, которые легко разрешить, и те, которые могут быть решены лишь частично в процессе проектирования печатной платы, чтобы их можно было учесть в процессе разводки, трассировки. и заземление.

• Макет

С точки зрения компоновки печатной платы области должны быть разделены в соответствии с различными функциями. Различные функции распределяются по разным областям, при этом особое внимание следует уделять чувствительным модулям в функциональных областях.

Как правило, при компоновке печатной платы необходимо соблюдать следующие принципы:

а. В высокоскоростных схемах необходимо учитывать параметры распределения выводов компонентов, а распределенная емкость выводов компонентов весьма важна, особенно для высокоскоростных тактовых сигналов. Между тем, необходимо учитывать распределенную индуктивность, поскольку она может привести к колебаниям сигналов, что приведет к нарушению функционирования схемы. Поэтому в процессе компоновки распределение должно быть организовано с высокой плотностью, с уменьшением длины выводов для будущей маршрутизации и уменьшением влияния электромагнитных помех.

б. Если и аналоговые компоненты, и электронные компоненты остаются в схеме, они должны распределяться независимо друг от друга в процессе компоновки. Поскольку сигналы цифровых компонентов имеют сложные композиты с несколькими гармоническими волнами, большое влияние будет оказываться на аналоговые сигналы. Поэтому к ним нужно относиться с большой осторожностью.

в. Тактовые единицы необходимы в высокоскоростных цепях. Рабочий механизм часового блока фактически эквивалентен источнику шума, что означает, что этот блок будет колебаться при выполнении определенных условий. Так как это важный источник помех проводимости и излучения, блок часов нельзя размещать на краю печатной платы. В противном случае EMI ​​стал бы настолько серьезным. Блоки часов необходимо размещать в центре печатной платы, что может значительно снизить электромагнитные помехи в цепях.

• Маршрутизация

В процессе трассировки печатных плат, по причине низкой стоимости, плоскость заземления может быть максимально увеличена, чтобы уменьшить влияние электромагнитных помех. Однако в тех случаях, когда необходимо строго контролировать стоимость, необходимо тщательно продумать количество слоев печатной платы и последовательность стеков. Кроме того, необходимо учитывать типы сигналов и независимо выполнять маршрутизацию для высокоскоростных и низкоскоростных сигналов. Кроме того, необходимо учитывать другие элементы, включая источник шума и способы усиления помехоподавления, вопросы согласования импеданса (высокоскоростные сигналы без подходящего согласования определенно приведут к отражению сигналов и снижению надежности цепей) и список цепей. .

а. Основные принципы маршрутизации

Общие принципы маршрутизации включают:

1). При трассировке следует избегать точек излома, что означает, что следует избегать прямого угла, как показано на рисунке 1 ниже.

Поскольку прямой угол может привести к отражению, точка перегиба должна быть спроектирована плавно, чтобы избежать этого явления. При этом ключевые сигналы не должны выходить за пределы разделенных областей, иначе электромагнитные помехи будут мгновенно усилены. Наиболее распространенный способ обхода сигнала — пересечение областей с разным разделением мощности.

2). В процессе компоновки аналоговые компоненты и цифровые компоненты необходимо отделить друг от друга, а это значит, что их разводка должна быть разделена. Одновременно ширина грозозащитных и силовых проводов должна быть увеличена по общему правилу, что ширина грозозащитных проводов больше ширины силовых проводов больше ширины сигнальных проводов. Более того, при прокладке сигнальных проводов следует полностью учитывать принципы 3W, а для многослойных плат следует учитывать принцип 20H для внутренних слоев. Выполнение описанной выше работы позволяет избежать 70% электромагнитных помех. Что касается аналоговых чувствительных проводов, могут быть реализованы такие меры, как заземление.

3). Для прокладки USB2.0 или других высокоскоростных дифференциальных линий следует применять соединительную маршрутизацию и гарантировать целостность опорной поверхности между дифференциальными парами. Поскольку дифференциальные пары, как правило, являются высокоскоростными сигналами, трассировку не следует проводить на краю печатной платы.

б. Циклы

Никогда нельзя избежать петель при проектировании печатных плат. Петли формируются из сигналов, исходящих и входящих, и каждая из петель по своей функциональности играет роль антенны. Чтобы уменьшить электромагнитные помехи в печатной плате, следует уменьшить как количество контуров, так и возможности антенны контуров. Это означает, что направление потока каждого сигнала должно учитываться при проектировании печатной платы, а площадь контура должна быть уменьшена для высокоскоростных сигналов.

В цепях наиболее часто используемые контуры находятся в силовых контурах, содержащихся в развязывающем конденсаторе, как показано на рис. 2.

Если разместить развязывающий конденсатор, как на левой диаграмме на рис. 2, будут генерироваться относительно большие токовые петли с очевидным явлением электромагнитных помех. Напротив, на правой диаграмме рисунка 2, где развязывающий конденсатор расположен рядом с микросхемой, создается очень маленькая петля развязки, основной функцией которой является уменьшение электромагнитных помех. Принципы, которым следует следовать, отображаются для уменьшения петель:

1).Обеспечивается только один путь между двумя точками на каждой сигнальной линии.

2).Плоскость заземления должна быть применена без обеспечения блокировки в сигнальных петлях.

в. Провода заземления печатной платы

1). Следует уточнить различия между цифровым заземлением, аналоговым заземлением и заземлением системного экрана в системе заземления печатных плат. Магнитные шарики и конденсатор применяются для разделения цифрового заземления и аналогового заземления, а цифровое заземление и полевое заземление должны быть соединены напрямую.
2).Если это возможно, заземляющие провода должны быть расширены на печатной плате.
3).Форма замкнутые цепи заземляющими проводами, чтобы усилить помехозащищенность и уменьшить разницу электрических уровней между системами.

• Дизайн фильтра

В высокоскоростных печатных платах фильтрация может быть реализована на силовых и сигнальных проводах. Общие меры включают добавление компонентов магнитного фильтра, фильтра электромагнитных помех и развязывающего конденсатора.

а. Выбор развязывающего конденсатора

1). В цепи развязывающий конденсатор помогает сделать питание плавным и усилить помехоустойчивость. Как правило, керамический конденсатор используется в качестве развязывающего конденсатора благодаря его высокой стабильности, высокой точности, небольшому объему и низкому ESR (эквивалентному последовательному сопротивлению). При проектировании схемы значение сопротивления выбирается в диапазоне от 1 мкФ до 100 мкФ, при этом способность выдерживать напряжение должна учитываться в зависимости от схемы.
2).Развязывающий конденсатор должен быть размещен в непосредственной близости от компонентов.

б. Выбор магнитных компонентов

Магнитные компоненты можно разделить на катушки индуктивности и магнитные шарики. Как правило, катушка индуктивности подключается к концу клеммы питания, а магнитные бусины находятся между сигнальными линиями. При выборе компонентов необходимо учитывать параметры насыщения. Как только магнитные компоненты достигнут насыщения, они сгорят. Кроме того, необходимо учитывать как качество, так и параметры DCR магнитных компонентов.

Обычно используемая мера среди сигнальных линий заключается в применении магнитных шариков на последовательных линиях для повышения емкости электромагнитных помех.

в. Выбор фильтра электромагнитных помех

Область с серьезными синфазными помехами находится в месте входа питания и выхода сигнальных линий. Обычные меры по предотвращению синфазных помех включают добавление синфазной катушки индуктивности, пьезорезистора, LC-цепи и специального фильтра электромагнитных помех. В высокоскоростных цепях необходимо учитывать проблему электромагнитных помех для высокоскоростной передачи по цифровым интерфейсам, таким как USB и HDMI.

• Отражение сигнала

При передаче сигнала всегда ожидается, что энергия на терминале-источнике будет передаваться на терминал-нагрузку, а это означает, что ZL должно быть равно ZO. Если они не равны друг другу, часть энергии будет отражаться.

Если задержка передачи линий относительно велика, более сильные сигналы будут отражаться обратно на исходный терминал. Затем необходимо изменить относительно большую величину для компенсации при генерировании звонка, что показано на рисунке 5 ниже.

Когда прозвон имеет место для сигналов, EMI достигает пика серьезности. Чтобы избежать такого явления при проектировании печатных плат, следуйте принципам, указанным в Таблице 1.

Время фронта сигнала (нс)	Длина сигнальных линий (дюймы)
5	8.6
4	6.9
3	5.1
2	3.4
1	1.7

Тест электромагнитных помех

После разработки продукта, несмотря на множество мер по предотвращению электромагнитных помех, проблемы не будут обнаружены до проведения испытаний. Затем можно внести некоторые изменения для решения проблем.

Тест EMI включает в себя метод тестирования, устройства и тестовое положение. Методы испытаний должны выполняться со ссылкой на все пункты. Если устройства не соответствуют стандарту, можно применить спектрометр для качественного теста. Если требуется конкретное значение EMI ​​устройств, должны применяться профессиональные устройства. Что касается тестовой позиции, лучше всего проводить тест в фотолаборатории.

Полезные ресурсы
• Непременно рекомендуемые для инженеров рекомендации по компоновке печатных плат
• Исследования по проектированию высокоскоростных печатных плат во встраиваемых прикладных системах
• Наиболее полное введение в EMI и автоматизированные инструменты EMC
• 5 советов по проектированию автомобильных схем для борьбы с электромагнитными помехами
• Полнофункциональная услуга по изготовлению печатных плат от PCBCart — несколько дополнительных опций
• Усовершенствованная услуга по сборке печатных плат от PCBCart — от 1 детали