Правила проектирования печатных плат для улучшения ЭМС

ЭМС, сокращение от «Электромагнитная совместимость», относится к состоянию сосуществования, при котором электронные устройства способны выполнять свои собственные функции в одной и той же электромагнитной среде. Проще говоря, ЭМС позволяет электронным устройствам работать независимо и нормально без помех между ними, то есть эти электронные устройства могут быть совместимы друг с другом в рамках всей системы. Поскольку электромагнитная совместимость достигается за счет контроля электромагнитных помех (электромагнитных помех), она развивается благодаря серии исследований, касающихся электромагнитных помех, таких как внедрение электромагнитных помех, исследования электромагнитных помех, решения по борьбе с электромагнитными помехами и управление электромагнитными помехами.

Основные принципы ЭМС

Чтобы уменьшить интерференцию между цифровыми и аналоговыми сигналами, вам необходимо сначала знать два основных принципа электромагнитной совместимости.
Принцип 1:Площадь контура должна быть МИНИМИЗИРОВАНА.
Принцип 2:Можно применять только ОДНУ базовую плоскость. в системе.

Если Принцип 1 не соблюдается и сигналы должны пройти через большую площадь петли, будет сгенерирована большая рамочная антенна. Однако если Принцип 2 не соблюдается и доступны две опорные плоскости, будет создана дипольная антенна. Ни один из результатов не соответствует ожидаемому.

Правила разбиения печатных плат Mix-Signal и применение

Рекомендуется, чтобы цифровая земля и аналоговая земля на одной и той же плате микширования сигналов были разделены, чтобы обеспечить изоляцию между ними. Несмотря на осуществимость этого решения, возникнет множество скрытых проблем, особенно заметных в крупномасштабных системах. Важнейшая проблема заключается в том, что трассировка не может быть установлена ​​поперек разделения между цифровым и аналоговым заземлением. При настройке трассировки через разветвление резко возрастают как электромагнитное излучение, так и перекрестные помехи сигнала. Наиболее часто встречающаяся проблема при проектировании печатных плат заключается в возникновении электромагнитных помех из-за пересечения сигнальными линиями земли или питания.

На рисунке 1 ниже показана описанная выше ситуация.

Основываясь на этом методе разделения, сигнальные линии должны проходить через разделение между цифровым заземлением и аналоговым заземлением. Тогда как выглядит обратный путь сигнальной цепи? Предположим, что два разделенных заземления соединены вместе в одной точке, и в этой ситуации цепь заземления будет генерировать большую петлю. После этого высокочастотный контур, протекающий через большую петлю, приведет к возникновению большой петли с высокой емкостью земли и генерируемым излучением. Если аналоговая цепь низкого уровня протекает через большую петлю, внешние сигналы легко мешают ей. Наихудшая ситуация будет иметь место, когда разветвленная земля соединена с питанием, будет сформирована чрезвычайно большая петля цепи. Кроме того, дипольная антенна будет сформирована, когда аналоговая земля и цифровая земля соединены вместе через длинный провод. В результате инженеры должны знать путь и метод обратной цепи при оптимизации конструкции печатной платы смешанного сигнала. Однако многие инженеры смотрят на путь прохождения сигнальной цепи, не задумываясь о конкретном пути цепи. Если необходимо разделить плоскость заземления и провести трассировку поперек разделения, сначала можно реализовать одноточечное соединение между двумя разделенными заземлениями с формированием перемычки таким образом, чтобы под каждой сигнальной линией был обеспечен обратный путь постоянного тока с небольшой площадью контура. формируется, что показано на рис. 2.

Применение устройств оптической развязки или трансформаторов также может провести сигналы через разветвление. Когда дело доходит до устройств оптической развязки, оптические сигналы проходят через разветвление. Когда дело доходит до трансформаторов, через разрез проходит магнитное поле. Другой применимый метод заключается в применении дифференциальных сигналов. Сигнал поступает в линию, возвращаясь из другой сигнальной линии. В этом случае земля не требуется в качестве обратного пути.

Раздельное разделение может быть применено в следующих трех случаях:
Обстоятельство 1:Некоторое медицинское оборудование требует низкого тока утечки между цепью, соединенной с пациентами, и системой.
Обстоятельство 2:Вход от некоторого оборудования управления промышленным процессом может быть связаны с электромеханическими устройствами с высоким уровнем шума и мощности.
Обстоятельство 3:разводка печатной платы имеет определенные ограничения.

Независимые цифровые и аналоговые источники питания обычно доступны на печатных платах со смешанными сигналами, и можно и нужно полагаться на слои с разделенным питанием. Однако сигнальные линии, окружающие плоскости питания, не могут пересекать разделение между мощностями, и все сигнальные линии, пересекающие это разделение, должны окружать плоскости проводников с большой площадью. В некоторых ситуациях проблем с разделением силовых плоскостей можно избежать, если спроектировать аналоговое питание как соединительные провода печатной платы, а не просто плоскость.

Метод компоновки плоскости заземления и применение печатной платы Mix-Signal

Чтобы обсудить помехи, оставленные цифровыми сигналами аналоговым сигналам, в первую очередь необходимо понять свойства высокочастотного тока. Высокочастотный ток всегда зависит от пути с минимальным импедансом (наименьшей индуктивностью) и непосредственно лежит под сигналами. В результате обратный путь будет проходить через плоскость внешней цепи, независимо от того, является ли эта плоскость плоскостью питания или плоскостью заземления. В практической работе плоскость заземления, как правило, используется с печатной платой, разделенной на аналоговую и цифровую секции. Аналоговые сигналы прокладываются в пределах аналоговых участков всех плоскостей, а цифровые сигналы - в пределах области цифровых цепей. В этой ситуации обратный ток цифрового сигнала не будет течь в землю аналоговых сигналов. Пока цифровая разводка сигнала выполняется над аналоговой секцией или аналоговая разводка сигнала выполняется над цифровой секцией на печатных платах, будут генерироваться помехи, создаваемые цифровыми сигналами на аналоговых сигналах.

Возникновение таких проблем связано не с отсутствием разветвленной земли, а с неподходящей разводкой цифровых сигналов. Когда дело доходит до дизайна печатной платы, применение заземляющего слоя, разделение на цифровые и аналоговые схемы, а также разумное расположение сигналов обычно помогают решить сложные проблемы, связанные с разводкой и разделением. Кроме того, можно избежать некоторых потенциальных проблем, вызванных расщеплением земли. В результате компоновка и разделение компонентов становятся ключевыми элементами, определяющими качество проектирования печатной платы. Если компоновка и разделение достаточно подходящие, ток в цифровом заземлении будет ограничен в цифровой части печатной платы, а аналоговые сигналы защищены от помех. Макет для такой ситуации должен быть тщательно проверен и проверен, чтобы гарантировать полное соответствие правилам макета. В противном случае даже неподходящая разводка сигнальных линий может привести к выходу из строя всей печатной платы.

Когда контакты аналогового заземления и цифрового заземления аналого-цифрового преобразователя соединены вместе, большинство производителей аналого-цифровых преобразователей предлагают соединить контакты ADND и DGND с одним и тем же заземлением с низким импедансом через минимальное количество проводов. Это связано с тем, что эти выводы не подключены внутри большинства ИС аналого-цифрового преобразователя, и любой внешний импеданс, связанный с DGND, приведет к большему цифровому шуму, связанному с аналоговой схемой внутри ИС из-за паразитной емкости. Соответственно, оба контакта AGND и DGND аналого-цифрового преобразователя должны быть соединены с аналоговой землей. Тем не менее, возникает вопрос, следует ли подключать аналоговую или цифровую землю к клемме заземления развязывающего конденсатора цифровых сигналов.

Когда речь идет о системе с одним аналого-цифровым преобразователем, проблема, описанная выше, может быть легко решена. При разделении заземления аналоговая и цифровая секции заземления подключаются к аналого-цифровому преобразователю. При использовании этого метода перемычка между двумя заземлениями должна быть такой же ширины, как у IC, и ни одна сигнальная линия не должна пересекать разветвление.

Когда речь идет о системе с несколькими аналого-цифровыми преобразователями, например, 10, как мы должны подключаться? Если мы будем следовать тому же решению, которое было представлено выше, то есть соединить аналоговую землю и цифровую землю под аналого-цифровым преобразователем, будет вызвано многоточечное соединение, так что изоляция между аналоговой землей и цифровой землей станет бессмысленной. Если подключение не будет выполнено таким образом, требование производителя не будет выполнено. Оптимальное решение заключается в применении единой земли, разделенной на аналоговую и цифровую части. Этот тип компоновки не только соответствует требованиям к аналоговому заземлению и цифровому заземлению от производителей ИС, которым требуется низкий импеданс между ними, но и позволяет избежать проблем с электромагнитной совместимостью, таких как рамочная антенна или дипольная антенна.

Если инженеры сомневаются в едином применении заземления при проектировании печатной платы, разводка может быть реализована на основе метода разделения плоскости заземления. В процессе проектирования плата должна быть доступна для перемычки с резистором менее 0,5 дюйма или 0 Ом для подключения раздельного заземления. Большое внимание следует уделить разделению и компоновке, чтобы линии цифровых сигналов не располагались над аналоговой секцией и наоборот. Кроме того, ни одна сигнальная линия не должна проходить через разветвление заземления или разветвление силовой изоляции. Для проверки функций печатной платы и ее электромагнитной совместимости два заземления должны быть подключены через резистор 0 Ом или соединительный провод, а затем повторно протестированы функции платы и ее электромагнитной совместимости. Сравнение результатов показывает, что во всех случаях решение с однородным заземлением лучше, чем решение с разделенным заземлением с точки зрения функций и ЭМС.

Проектирование печатной платы со смешанными сигналами — сложный процесс. Печатная плата должна быть разделена на независимые аналоговые секции и цифровые секции, а аналого-цифровой преобразователь должен быть размещен между секциями. Чтобы разделить аналоговую и цифровую мощности, разделение между изолированными плоскостями питания не должно пересекаться, а сигнальные линии, которые должны пересекаться, должны быть расположены на уровне схемы, который окружает большую площадь. Следует проанализировать, где и как протекает ток обратного пути, чтобы обеспечить соответствие подходящей компоновке компонентов и правильным правилам компоновки. Во всех слоях печатной платы цифровые сигналы могут быть размещены только в цифровых секциях, тогда как аналоговые сигналы могут быть размещены только в аналоговых секциях.

Метод компоновки плоскости заземления и применение печатной платы Mix-Signal

Если вы когда-либо завершали проектирование печатной платы и вам нужен кто-то, кто поможет воплотить его в реальную печатную плату. Пожалуйста, не стесняйтесь связаться с нами для решения. У нас более десяти лет опыта в производстве печатных плат на заказ. У нас есть все, что нужно для быстрого и экономичного изготовления ваших печатных плат со всеми нужными вам функциями.

Полезные ресурсы
• Наиболее полное введение в автоматизированные инструменты EMI и EMC
• Обеспечение первого успеха в проектировании ЭМС печатных плат
• Влияние компоновки печатной платы на характеристики ЭМС электронных изделий
• Проблемы применения технологии ЭМС при проектировании печатных плат электронных устройств и стратегии