Оптимизация разводки печатных плат для превосходной ЭМС производительности в электронике

Земля в печатной плате

Влияние помех общего режима на внутренние сигналы печатной платы

Внутренние печатные линии печатной платы имеют паразитные параметры относительно референсной земельной пластины, и когда функциональные сигналы передаются внутри печатной платы, тот же равноуровневый узел в той же сети в схеме больше не является равноуровневым. Ток i внутри печатной платы начинается от источника, проходит через серию носителей, возвращается к источнику сигнала, формируя сигнал. Более того, i стремится течь вдоль пути с низким импедансом, поэтому i обычно сохраняется неизменным со стабильностью импеданса.

Рисунок 1 показывает процесс, когда помехи общего режима преобразуются в помехи дифференциального режима внутри печатной платы. i_d относится к току дифференциального режима внутри печатной платы, в то время как i_com относится к току общего режима, который либо начинается снаружи печатной платы и течет в печатную плату через референсную земельную пластину, либо начинается внутри печатной платы и возвращается внутрь печатной платы через референсную земельную пластину. Высокочастотный i_com имеет два пути: первый — от точки А к точке Б внутри печатной платы, начиная от GND; второй — от точки А к точке Б, начиная от порта S₁ внутрь печатной платы через емкость C. Импеданс земли Z_AB приводит к генерации Δu_AB, поэтому когда нормальный сигнал передается к IC₂, деформация происходит с сигналом, и помехи общего режима преобразуются в помехи дифференциального режима, что производит влияние на нормальный сигнал на основе формулы u₂=u₁−Δu_AB.

Поэтому, как только i_com входит внутрь печатной платы через порт I/O или космическое излучение, дифференциальный фильтрующий конденсатор на сигнальных линиях печатной платы может только давить помехи в обход к GND. Предпосылка этого результата в том, что GND рассматривается как низкий импеданс для обратного тока сигнала, и ток всегда течет в направлении низкого импеданса.

Ключ реализации ЭМС дизайна: импеданс земли в печатной плате

Причина генерации ЭМС высокочастотными сигналами заключается в том, что сигнальный референсный уровень GND не может поддерживать свою характеристику низкого импеданса. С увеличением импеданса Z_GND референсного уровня качество передачи сигнала также снижается. Для решения проблемы высокочастотных помех в ЭМС дизайне используются общие методы, такие как фильтр, земля и экран, которые тесно связаны с «землей».

Фильтр можно рассматривать как конденсатор к земле, с двумя структурами: одна — соединить X-конденсатор с сигнальным референсным заземлением, другая — соединить сигнал с металлическим корпусом через Y-конденсатор или другое заземление внутри печатной платы. Экран можно рассматривать как результат расширения земли печатной платы в пространство. Цель фильтра или экрана — заставить высокочастотные помехи общего режима проходить обход с низким импедансом, чтобы избежать попадания в нормальный рабочий сигнал. Аналогично, ни один из этих методов не сработает, если у земли нет низкого импеданса.

Рисунок 2 показывает эффект импеданса земли к цепевому фильтру. i_com течет по последовательности IC₁→IC₂→IC₁ и когда он течет к точке P, i_com будет течь в ветвистые цепи IC₁ и C₁, через которые он течет от точки А к Б. Если импеданс между точкой А и Б, то есть Z_AB, намного меньше импеданса между точкой P и IC₁. В этот момент i_com течет от точки P к А, фильтр IC₁ может быть реализован. Когда i_com течет к точке Б, ветвистые цепи возникнут: Б→С и Б→Q. Если разводка печатной платы не хорошо контролируется, импеданс между точкой Б и С, то есть Z_BC, Z_BC >> Z_C2+Z_Q. Z_Q относится к импедансу между точкой Q и IC₂. i_com течет обратно к входному порту IC₂ через C₂, когда конденсатор, который изначально использовался исключительно для IC₂, играет роль в вмешательстве сигнального шума.

Для того чтобы сделать референсный уровень с низким импедансом, он обычно проектируется как плоскость. В общем, проводник, чье отношение длины к ширине меньше 5, может рассматриваться как низкий импеданс в инженерии. Импеданс печатных линий не определяется их длиной или толщиной. В традиционных принципах проектирования печатных плат, одн-точечное заземление аналоговой схемы массово рекомендуется, поэтому принцип многоточечного заземления цифровой схемы и смешанного заземления модуля цифровой схемы больше не применимы для решения проблем ЭМС.

Поскольку все обратные потоки всех сигналов должны быть обеспечены для наличия интегрированной земли с низким импедансом, 4-слойные или многослойные платы с интегрированной земельной плоскостью способны удовлетворить требование, в то время как дешевые односторонние платы не могут. Когда двухслойная плата должна быть использована на основе ограничения стоимости, относительно интегрированная земельная плоскость должна быть спроектирована для сигналов внутри печатной платы. В практическом применении импеданс земли печатной платы влияет и ее формой, и сигнальными проводниками через отверстия, трещины и разрезание. Рисунки 3а и 3b соответственно показывают плохой и отличный дизайн земельной плоскости с низким импедансом.

На этом рисунке все компоненты находятся на лицевой стороне печатной платы, в то время как земельная плоскость — на обратной. Чипы соединены через печатные линии ab на лицевой стороне, а cd — печатные линии на обратной стороне. Под давлением высокочастотных помех общего режима снаружи, разрезание (slotting), образованное cd, приведет к увеличению Z_GND печатных линий обратного тока. Z_GND флуктуирует в процессе передачи сигнала, приводя к низкому качеству сигнала. Поэтому слои печатных линий между cd могут обмениваться снова и снова через отверстия в процессе проектирования разводки печатной платы, так что Z_GND будет снижен. Кроме того, два IC_S с чувствительными сигналами могут быть размещены вместе, чтобы сделать GND относительно интегрированной земельной плоскостью локально, обеспечивая, что сигнал не будет помешан в процессе передачи сигнала. Обратите внимание, что отверстия не могут быть размещены с большой плотностью, иначе трещина на земельной плоскости также будет вызвана, приводя к эскалации Z_GND.

Стековая структура печатных плат (Stacking Design of PCBs)

ЭМС дизайн лучше всего для 4-слойных печатных плат. С точки зрения EMS, либо металлический корпус, либо металлический корпус экрана локально чувствительных схем способен решать проблемы помех. С точки зрения EMI, иногда 4-слойные платы не удовлетворяют требованию ограничения излучения и количество слоев должно быть увеличено, так как многослойные платы могут заставить сигналы с высоким du/dt и di/dt обеспечить меньшую площадь сигнальной петли в процессе передачи, обеспечивая обратный путь с низким импедансом для высокоскоростных сигналов.

Базовый принцип стековой структуры печатных плат — размещать высокоскоростной сигнальный слой и питающую плоскость смежно к земельной плоскости. Рисунок 4 показывает стековую структуру 4-слойных и 6-слойных плат. S₁ на рисунке 4а относится к высокоскоростному сигнальному слою, в то время как рисунки 4b, 4c и 4d — три обычных 6-слойных дизайна печатных плат.

Среди 3-х 6-слойных дизайнов печатных плат, дизайн b — худший, и слой S₂ должен быть высокоскоростным сигнальным слоем. Слой S₂ в дизайне c и d — высокоскоростной сигнальный слой. Дизайн c — лучший, потому что каждый сигнальный слой тесно смежен с земельной плоскостью для обеспечения кратчайшего пути обратного тока сигнала, и слои S₂ и P экранированы GND₁ и GND₂. По сравнению с дизайном c, S₃ в дизайне d далеко от GND слоя, и P может достичь только одностороннего эффекта вместо двустороннего эффекта, вызванного дизайном c.

Эквивалентная антенна в печатных платах

Фундаментальная функция антенны — излучать и принимать радиоволны. В процессе излучения высокочастотный ток может быть преобразован в электромагнитную волну; в процессе приема электромагнитная волна преобразуется в высокочастотный ток. Излучение в области ЭМС в основном относится к дальнему полю излучения. Формирование антенны зависит от двух базовых условий: источника RF сигнала и определенной длины проводников, соединенных с источником RF сигнала. В инженерии считается, что антенный эффект возникнет, когда длина проводника соответствует формуле l=λ/20. Когда l=(λ/4)n, антенный эффект максимален, с n как натуральное число.

Когда сигнал передается внутри печатной платы, внутренняя петля имеет тот же эффект, что и петлевая антенна. Чем больше площадь петли, тем больше антенный эффект. Строгий контроль петель печатной платы может эффективно остановить помехи дифференциального режима, что выполнимо на практике. Однако увеличение длины печатных линий вызовет очевидный эффект стержневой антенны, поэтому длина межсоединяющих сигналов должна быть сокращена максимально в процессе разводки печатной платы.

Когда относительно высокий Z_GND происходит на пути обратного тока высоких du/dt сигналов, передаваемых внутри печатной платы, источник общего режима u_com возникнет с i_com, текущим через Z_GND, вместе с соединенными печатными линиями или I/O стойками, которые могут излучать наружу.

Если печатные платы относительно малы по размеру, внутренние печатные линии не могут достичь требования антенного излучения из-за ограничения длины. При этом условии I/O кабель может рассматриваться как расширение печатных линий, требование излучения может быть выполнено. Даже если нет прямого соединения с I/O стойкой, перекрестная связь должна быть остановлена между I/O кабелями.

Перекрестные помехи внутри печатной платы и их средства

Связь между печатными линиями печатной платы и референсным заземлением

Поскольку ЭМС в основном обсуждает высокочастотные сигналы общего режима, распределенные параметры не могут быть избежаны внутри и снаружи печатной платы. Емкостная связь возникает между печатной платой и референсным заземлением, чья распределенная емкость состоит из пластинчатой емкости и естественной емкости в наименьшем пространстве. Пластинчатая емкость прямо пропорциональна размеру печатной платы и обратно пропорциональна расстоянию между печатной платой и землей. Естественная емкость в наименьшем пространстве прямо пропорциональна эквивалентному диаметру печатных линий внутри печатной платы. Поэтому, где бы ни была размещена печатная плата, даже далеко от земли в бесконечности, распределенная емкость всегда существует между внутренними печатными линиями и землей. В печатной плате распределенная емкость относительно интегрированной GND плоскости к референсной земельной пластине составляет примерно 10 пФ, а распределенная емкость внутренних печатных линий к референсной земельной пластине составляет примерно в диапазоне 0,001 пФ – 0,1 пФ или ниже. Распределенная емкость печатных линий в центре печатной платы намного ниже, чем печатных линий на краю печатной платы.

Связь внутри печатной платы

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

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

На этом рисунке и AB, и CD — параллельные печатные линии с малым пространством между двумя линиями. Z₀ относится к носителю сигнальной линии 1, в то время как Z₁ и Z₂ относятся соответственно к носителям сигнальной линии 2. На рисунке 5а, когда пиковое напряжение сигнала на печатной линии AB равно u, время нарастания сигнала Δt, а угловая частота ω, напряжение Z₂ будет u_v=[Z₁Z₂/(Z₁+Z₂)]cΔu/Δt. Хотя c имеет очень низкое значение, значение Δu/Δt может быть очень высоким, и их продукт не может быть избежан. На рисунке 5b, когда пиковый ток сигнала на AB равен I_c, время нарастания сигнала Δt, а угловая частота ω, взаимная индуктивность m между 2 печатными линиями пройдет через CD, на которой индуцированное напряжение u_v=mωi_c. Хотя значение m такое маленькое, частота сигнала может быть увеличена. Поэтому их продукт не может быть избежан.

В результате, как емкостная, так и индуктивная связь связаны с распределенными параметрами c или m двух печатных линий. При разводке печатной платы значения c и m могут быть снижены увеличением расстояния между параллельными линиями. В практической схеме емкостная связь составляет большинство цифровой схемы, и когда плоскость печатной платы не гладкая или есть разрезание или трещины, индуктивные перекрестные помехи будут иметь большее влияние, чем емкостные перекрестные помехи. Однако, когда площадь печатной платы ограничена, перекрестные помехи не могут быть решены исключительно увеличением расстояния между параллельными линиями. Для поддержания наименьших распределенных параметров между двумя смежными параллельными линиями, интегрированный плановый дизайн должен быть размещен в проекционной области, и лучше иметь земельные слои сверху и снизу.

б. Влияние экранирующего заземляющего провода на снижение перекрестных помех

Степень перекрестных помех определяется множеством элементов, таких как частота сигнала, время нарастающего фронта сигнала, расстояние между сигнальными линиями, управляющий порт и электрические характеристики принимающего порта и количество слоев печатной платы. Перекрестные помехи могут быть снижены установкой интегрированной земельной плоскости под печатными линиями и добавлением экранирующего заземляющего провода между сигналами.

В процессе разводки печатной платы два аспекта могут быть полезны для остановки перекрестных помех. Во-первых, чувствительные внутренние цепи и внешние цепи должны быть остановлены. Во-вторых, перекрестные помехи между внутренней цепью или шумной цепью и другими сигналами должны быть остановлены. В практической разводке печатной платы детальный тест должен быть выполнен в том же слое или между разными слоями в печатной плате для обнаружения, существует ли риск перекрестных помех или нет.

В процедуре разводки печатной платы некоторые сигнальные линии с одинаковым атрибутом должны следовать трассировке того же времени и того же направления с плотностью. Если ограничение пространства печатной платы приводит к тому, что фильтрующие компоненты не могут быть размещены на той же линии, перекрестные помехи между сигналами склонны возникать. Эта ситуация показана на рисунке 6 ниже.

в. Влияние экранирующего заземляющего провода на краевой эффект

Когда высокочувствительные сигнальные линии или сигнальные линии с высоким du/dt, di/dt размещаются вдоль края печатной платы, они будут страдать от большего риска ЭМС, чем те, размещенные в центре печатной платы. Для краевых сигнальных линий легче принимать высокочастотные помехи снаружи или внешнее излучение более большой паразитной емкостью.

Под ограничением площади печатной платы, крайне трудно разводить печатную плату согласно принципу 20H в дизайн-файле. «Пакет» (Packet) может быть использован для снижения помех и внешнего излучения. Пакетные линии не должны удовлетворять специфическим требованиям, таким как толщина и форма. Обычно, когда сигнальная линия слишком близка к краю печатной платы для напылении меди, заземляющая линия в диапазоне 7–10 мил может быть добавлена как экран.

г. Взаимные помехи между цифровыми и аналоговыми схемами

Когда печатная плата содержит высокоскоростную цифровую схему и низкоуровневые аналоговые сигналы, перекрестные помехи обычно генерируются к аналоговым сигналам цифровым шумом при плохой разводке печатной платы. Взаимные помехи между цифровыми и аналоговыми схемами вызваны следующими причинами. Во-первых, шум перекрестных помех вызван паразитной емкостью и паразитной индуктивностью. Во-вторых, плохая развязка пульсаций питания и питания цифрового чипа приведет к шумам питания. В-третьих, импеданс земли и место системной земли вызывают шум. Проблема шума должна решаться в порядке: питание, сигнал и земля.

Полезные ресурсы:
• Самый полный обзор инструментов автоматизации EMI и EMC
• Обеспечение успеха с первого раза в ЭМС дизайне печатных плат
• Правила разделения печатных плат для улучшения ЭМС
• Проектирование печатных плат для радиочастотных схем и электромагнитной совместимости
• Три соображения дизайна, обеспечивающие ЭМС печатной платы ноутбука
• Полнофункциональный сервис производства печатных плат от PCBCart — множественные ценности
• Продвинутый сервис монтажа печатных плат от PCBCart — от 1 штуки