Освоение устранения помех в печатных платах: профессиональное руководство по обеспечению электромагнитной совместимости

Постоянное развитие информационных технологий приводит к тому, что электронные продукты становятся все более сложными по своим функциям, категориям и структурам, что толкает проектирование печатных плат в сторону многослойности и высокой плотности. В результате необходимо уделять большое внимание электромагнитной совместимости (ЭМС) проектирования печатных плат, поскольку ЭМС-проектирование печатных плат не только обеспечивает нормальную и стабильную работу всех цепей на плате, чтобы они не взаимно мешали друг другу, но и эффективно уменьшает излучаемое и проводимое излучение печатных плат, чтобы предотвратить воздействие на цепи внешнего излучения и проводимых помех. Помехи — главный враг ЭМС. Но, инженеры, вы должны перестать беспокоиться, читая эту статью.

Классификация помех в печатных платах

Помехи в печатных платах можно классифицировать на три категории:
1) Помехи компоновки — помехи, вызванные неподходящим размещением компонентов на печатной плате.
2) Помехи сборки слоев — шумовые помехи, вызванные нерациональной настройкой.
3) Помехи трассировки — помехи, вызванные неправильной настройкой расстояния между сигнальными линиями, линиями питания и заземления на печатной плате, шириной линий или нерациональным методом трассировки печатной платы.

С точки зрения классификации помех печатных плат, можно принять соответствующие меры подавления с точки зрения правил компоновки, стратегии сборки слоев и правил трассировки, чтобы уменьшить или даже устранить влияние помех печатных плат и обеспечить соответствие стандарту ЭМС-проектирования.

Соответствующие меры подавления помех печатных плат на основе их классификации

• Меры подавления помех компоновки

Привилегия предотвращения помех компоновки заключается в рациональной компоновке печатной платы, которая должна соответствовать следующим шести правилам:

1) Положение цепи каждого функционального модуля должно быть разумно установлено в соответствии с расположением сигнального тока, и их направления потока должны сохраняться одинаковыми насколько возможно.

2) Ключевой компонент в цепи модуля должен быть установлен в центре, и выводы должны быть сокращены насколько возможно между компонентами, особенно высокочастотных компонентов.

3) Интеграция между термочувствительными элементами и чипами должна быть выполнена далеко от нагревательных элементов.

4) Положение разъема должно определяться в соответствии с позициями компонентов на плате. Разъемы должны быть размещены на одной стороне печатной платы, чтобы предотвратить вывод кабелей с двух сторон и уменьшить излучение тока общего режима (CM).

5) Драйвер ввода/вывода должен быть плотно прилегать к разъему, чтобы предотвратить дальнюю трассировку сигналов ввода/вывода на плате.

6) Термочувствительные элементы не должны быть размещены слишком близко друг к другу, и компоненты ввода и вывода также должны быть далеко от них.

• Меры подавления помех сборки слоев

Во-первых, информация о проектировании печатной платы должна быть освоена с учетом комплексных элементов, включая плотность сигнальных линий, классификацию питания и заземления, чтобы определить питание и количество слоев, обеспечивающих реализацию функции цепи. Качество стратегии сборки слоев существенно коррелирует с переходным напряжением плоскости заземления или питания и электромагнитным экранированием питания и сигналов. Исходя из практического опыта проектирования сборки слоев, проектирование сборки должно соответствовать следующим правилам:
1) Плоскость заземления и плоскость питания должны быть смежными, и расстояние между ними должно быть как можно меньше.
2) Сигнальная плоскость должна быть тесно прилегать к плоскости заземления или питания. Либо один слой, либо несколько слоев подходит.

В процессе проектирования односторонних или двухслойных печатных плат линии питания и сигнальные линии должны быть тщательно спроектированы. Чтобы уменьшить площадь контура тока питания, линии заземления и линии питания должны быть тесно прилегать друг к другу и сохранять взаимный параллелизм. Для односторонних печатных плат защитные линии заземления должны быть размещены по обе стороны важных сигнальных линий. С одной стороны, это направлено на уменьшение площади контура сигналов. С другой стороны, можно избежать перекрестных помех между сигнальными линиями.

Для двухслойных печатных плат защитные линии заземления также можно установить или реализовать массивное заземление на образной плоскости значимых сигналов. Хотя производство и отладка сборки печатных плат просты и удобны, недопустимо напрямую моделировать сложные печатные платы, такие как цифровые цепи и смешанные цифрово-аналоговые цепи, потому что излучение увеличится с увеличением площади контура без опорной плоскости.

Многослойные печатные платы рекомендуются, если стоимость позволяет. В процессе проектирования многослойных печатных плат должны быть соблюдены три правила:
1) Для значимых сигнальных линий, таких как шины или тактовые линии с сильным излучением и линии с высокой чувствительностью, трассировка должна быть реализована между двумя плоскостями заземления или на сигнальной плоскости, тесно прилегающей к плоскости заземления, что полезно для уменьшения площади контура сигнала, снижения интенсивности излучения и усиления помехозащищенности.
2) Краевое излучение должно быть обеспечено под эффективным контролем. По сравнению с смежной плоскостью заземления, плоскость питания должна быть внутренне уменьшена на 5–20H (H относится к толщине диэлектрика).
3) Если высокочастотные сигнальные линии существуют между нижним и верхним слоями, они должны быть размещены между верхним слоем и плоскостью заземления, чтобы запретить излучение высокочастотных сигнальных линий в пространство.

• Меры подавления помех трассировки

Чтобы запретить помехи, в терминах трассировки должны соблюдаться следующие правила:
1) Выводы на выходном и входном терминалах должны избегать параллельности на большом расстоянии. Перекрестные помехи параллельных линий можно уменьшить через добавление линий заземления или увеличение расстояния между линиями.
2) Ширина трассировки никогда не должна меняться внезапно. Угол должен быть дуговым или с углом 135°.
3) Внешнее излучение токоносящего контура увеличивается (уменьшается) с увеличением (уменьшением) площади контура, тока и частоты сигнала, поэтому необходимо уменьшить площадь контура вывода, когда ток течет через него.
4) Длина вывода должна быть уменьшена, а ширина увеличена, чтобы уменьшить импеданс выводов.
5) Чтобы минимизировать шумовое сопряжение и перекрестные помехи между соседними линиями, пожалуйста, выполните изоляционную обработку между линиями, чтобы обеспечить изоляцию трассировки.
6) Ключевой сигнал шунтирующей изоляции должен быть установлен, и ключевые сигналы защищаются защитными цепями.

Кроме того, при трассировке сигнальных линий, линий питания и линий заземления, пожалуйста, следуйте правилам трассировки в соответствии с их собственными характеристиками и функциями:
а. Общие линии заземления должны быть размещены на краю печатной платы с сетчатой или контурной структурой; линии заземления должны быть как можно толще и должно применяться больше медной фольги для усиления эффекта экранирования; аналоговое заземление должно быть изолировано от цифрового заземления, и одн-точечное параллельное соединение должно применяться в низкочастотном заземлении аналоговой земли. Многоточечное последовательное соединение должно применяться в высокочастотном заземлении. В практической трассировке последовательное соединение можно комбинировать с параллельным.
б. Ширина линий питания должна быть увеличена всякий раз, когда это возможно, и контурное сопротивление должно быть снижено, чтобы обеспечить синхронизацию направления линий заземления и питания с направлением передачи данных. Для многослойных печатных плат расстояние между линиями питания и плоскостью заземления или плоскостью питания должно быть уменьшено. Питание должно поставляться каждому функциональному блоку независимо, а цепи с питанием от общего питания должны быть близки и совместимы друг с другом.
в. Сигнальные линии должны быть как можно короче, чтобы обеспечить уменьшение пути сопряжения сигналов помех. Тактовые сигнальные линии и чувствительные сигнальные линии должны трассироваться первыми, следуют высокоскоростные сигнальные линии, и наконец — незначительные сигнальные линии. Если сигнальные линии не совместимы друг с другом, должна быть реализована изоляционная обработка для предотвращения генерации сопряженных помех. Трассировка ключевых сигналов не должна превышать зону разделения или даже пространство опорной плоскости, вызванное падом и сквозным виа. В противном случае площадь контура сигнала увеличится. Тем временем, чтобы запретить краевое излучение, расстояние между ключевыми сигнальными линиями и опорной плоскостью не может быть меньше 3H (H относится к высоте между ключевыми сигнальными линиями и опорной плоскостью).

Единственное, чего мы должны бояться, — это сам страх. Для электронных инженеров в процессе проектирования печатных плат, возможно, помехи всегда подводят вас. Однако, пока мы знаем, откуда происходят помехи, и принимаем эффективные меры, помехи определенно будут уменьшены, а производительность печатных плат полностью реализована.

Полезные ресурсы:
• Методы усиления способности к противопомехоустойчивости в проектировании печатных плат
• Анализ стратегий противопомехоустойчивости и заземления для печатных плат
• Неупустимые руководящие принципы по компоновке печатных плат для инженеров
• Полнофункциональный сервис производства печатных плат от PCBCart — множество ценностных опций
• Продвинутый сервис монтажа печатных плат от PCBCart — от 1 штуки