Invloed van PCB-layout van EMC-prestaties van elektronische producten

Aarde in PCB

• Invloed van gemeenschappelijke code-interferentie op het interne signaal van de PCB

Printed Circuit Board (PCB) innerlijke gedrukte lijnen hebben parasitaire parameters ten opzichte van referentie-aardingsbord en wanneer functiesignalen binnen PCB worden verzonden, is hetzelfde equipotentiaalknooppunt in hetzelfde netwerk in het circuit niet langer equipotentiaal. De stroom i in de PCB begint vanaf het broneinde, passeert een reeks dragers en keert terug naar de signaalbron, waardoor een signaal wordt gevormd. Bovendien heeft i de neiging om langs het pad te stromen met een lage impedantie, zodat ik meestal onveranderlijk blijft met de stabiliteit van de impedantie.

Figuur 1 geeft het proces aan wanneer common-mode-interferentie wordt omgezet in differentiële-mode-interferentie binnen de PCB. i_d verwijst naar de differentiële modusstroom in de PCB-stroom terwijl i_com verwijst naar de common-mode-stroom die ofwel begint van buiten de PCB en naar de PCB stroomt via het referentie-aardingsbord of begint vanaf de binnenkant van de PCB en terugkeert naar de binnenkant van de PCB via het referentie-aardingsbord. Hoogfrequente i_com heeft twee paden:de eerste is van punt A naar punt B binnen PCB vanaf GND; de tweede is van punt A naar punt B vanaf poort S₁ naar PCB binnen door capaciteit C. Aardingsimpedantie Z_AB leidt tot het genereren van Δu_AB , dus wanneer het normale signaal wordt doorgegeven aan IC₂ , er zal vervorming plaatsvinden naar het signaal en common-mode-interferentie wordt omgezet in differential-mode-interferentie, die invloed op het normale signaal produceert op basis van de formule u₂ =u₁ -Δu_AB .

Daarom, zodra i_com komt de binnenkant van PCB binnen via I / O-poort of ruimtestraling, differentiële modusfiltercapaciteit op signaallijnen van PCB kan alleen interferentiebypass naar GND drukken. De voorwaarde voor dit resultaat is dat GND wordt beschouwd als een lage impedantie voor signaalterugstroom en dat de stroom altijd in de richting van de lage impedantie stroomt.

• Sleutel van implementatie van EMC-ontwerp:aardingsimpedantie in PCB

De reden voor het genereren van EMC door hoogfrequente signalen ligt in het feit dat het signaalreferentieniveau GND zijn kenmerk van lage impedantie niet behoudt. Met de verhoging van de impedantie Z_GND van het referentieniveau neemt ook de kwaliteit van de signaaloverdracht af. Om het probleem van hoogfrequente interferentie op te lossen, worden in EMC-ontwerp gebruikelijke methoden gebruikt, zoals filter, aarde en afscherming die nauw verbonden zijn met "aarde".

Filter kan worden beschouwd als een condensator naar aarde, met twee structuren waarvan er één is om de X-condensator te verbinden met de signaalreferentieaarde en de andere om het signaal te verbinden met de metalen schaal door middel van een Y-condensator of een andere aardverbinding in de PCB. Shield kan worden beschouwd als het resultaat van de expansie van PCB-aarde naar de ruimte. Het doel van filter of schild is om hoogfrequente common-mode-interferentie de bypass met lage impedantie te laten passeren om te voorkomen dat deze in het normale bedrijfssignaal terechtkomt. Evenzo zullen al deze methoden niet werken tenzij de grond een lage impedantie heeft.

Afbeelding 2 geeft het effect aan van de aardimpedantie op het circuitfilter. i_com stroomt volgens de volgorde van IC₁ →IC₂ →IC₁ en wanneer het naar punt P stroomt, i_com zal in vertakte circuits van IC₁ . stromen en C₁ waardoor het van punt A naar B stroomt. Als de impedantie tussen punt A en B, dat is Z_AB , is veel minder dan de impedantie tussen punt P en IC₁ . Op dit moment is i_com stroomt van punt P naar A, IC₁ filter kan worden gerealiseerd. Wanneer i_com naar punt B stroomt, treden er vertakkingscircuits op die B → C en B → Q zijn. Als de PCB-layout niet goed wordt gecontroleerd, is de impedantie tussen punt B en C, dat is Z_BC , Z_BC>>Z_C2 +Z_Q . Z_Q verwijst naar de impedantie tussen punt Q en IC₂ . i_com stroomt terug naar IC₂ invoerpoort via C₂ wanneer capaciteit die oorspronkelijk alleen voor IC₂ . werd gebruikt speelt een rol bij interferentie van signaalinvasie.

Om een ​​referentieniveau met een lage impedantie te maken, is het meestal ontworpen als een oppervlak. Over het algemeen kan een geleider met een lengte-breedteverhouding van minder dan 5 op het gebied van techniek als een lage impedantie worden beschouwd. De impedantie van gedrukte lijnen wordt niet bepaald door de mate van lengte of dikte. In de traditionele ontwerpprincipes van PCB's wordt éénpuntsaarding van analoge circuits massaal aanbevolen, dus het PCB-lay-outprincipe van digitale circuits met meerdere punten en aarding van het digitale modulecircuit zijn niet langer werkbaar voor het omgaan met EMC-problemen.

Aangezien alle terugstromen van alle signalen moeten worden gegarandeerd met een geïntegreerde aarde met lage impedantie, kunnen 4-laags of meerlaagse borden met geïntegreerd aardingsvlak aan de vereiste voldoen, terwijl goedkope enkele borden dat niet zijn. Wanneer een dubbellaags bord moet worden gebruikt op basis van de beperking van de kosten, moet een relatief geïntegreerd grondvlak worden ontworpen voor signalen in de PCB. In de praktische toepassing wordt de aardingsimpedantie van PCB zowel beïnvloed door de vorm als door signaaldraad door gaten, scheuren en sleuven. Figuur 3a en 3b tonen respectievelijk slecht en uitstekend grondvlakontwerp met lage impedantie.

In deze afbeelding bevinden alle componenten zich aan de voorkant van de PCB, terwijl het grondvlak zich aan de achterkant bevindt. Chips zijn verbonden via gedrukte lijnen ab aan de voorkant en cd is gedrukte lijnen aan de achterkant. Onder druk van hoogfrequente common-mode-interferentie van buitenaf, zal de door cd gevormde sleuven leiden tot een toename van Z_GND van gedrukte lijnen terugstromen. Z_GND fluctueert in het proces van signaaloverdracht, wat leidt tot een lage signaalkwaliteit. Daarom kunnen lagen van gedrukte lijnen tussen cd's steeds opnieuw worden uitgewisseld door gaten in het proces van PCB-lay-outontwerp, zodat Z_GND zal worden verlaagd. Trouwens, twee IC_S met gevoelige signalen kunnen samen worden gerangschikt om GND lokaal een relatief geïntegreerd grondvlak te maken om ervoor te zorgen dat het signaal niet wordt gestoord in het proces van signaaloverdracht. Let op dat doorgaande gaten niet met veel dichtheid kunnen worden aangebracht, anders zullen ook scheuren op het grondvlak worden veroorzaakt, wat leidt tot de escalatie van Z_GND .

Stapelontwerp van PCB's

EMC-ontwerp is het beste voor 4-laags PCB's. Vanuit het perspectief van EMS kan een metalen omhulsel of een metalen omhulsel van lokaal gevoelige circuits interferentieproblemen oplossen. Vanuit het perspectief van EMI voldoen 4-laagse borden soms niet aan de eis van stralingsemissiebeperking en moet het aantal lagen worden verhoogd, omdat meerlaagse borden signalen kunnen maken met een hoge d_u /d_t en d_i /d_t zorgen voor een kleiner signaallusgebied tijdens het transmissieproces, waardoor terugstroming met een lage impedantie wordt geboden voor signalen met hoge snelheid.

Het basisprincipe van het stapelen van PCB's is om de hogesnelheidssignaallaag en het vermogensvlak naast het grondvlak te plaatsen. Figuur 4 toont het stapelontwerp van 4-laags en 6-laags platen. S₁ in figuur 4a verwijst naar een hogesnelheidssignaallaag, terwijl figuur 4b, 4c en 4d drie gewone 6-laags PCB-ontwerpen zijn.

Van het 3 6-laags PCB-ontwerp is ontwerp b het slechtst en S₂ laag moet een high-speed signaallaag zijn. S₂ laag in ontwerp c en d is een hogesnelheidssignaallaag. Ontwerp c is het beste omdat elke signaallaag dicht bij het grondvlak ligt om het kortste signaalterugstroompad en S₂ te garanderen en P-lagen worden afgeschermd door GND₁ en GND₂ . Vergeleken met ontwerp c, S₃ in ontwerp d is verre van GND-laag en P kan alleen het enkelzijdige effect bereiken in plaats van het dubbele neveneffect veroorzaakt door ontwerp c.

Equivalente antenne in PCB's

De fundamentele functie van de antenne is het uitstralen en ontvangen van draadloze radiogolven. Tijdens het stralingsproces kan hoogfrequente stroom worden omgezet in elektromagnetische golven; tijdens het ontvangen wordt de elektromagnetische golf omgezet in hoogfrequente stroom. De straling in het EMC-veld verwijst voornamelijk naar verre-veldstraling. De vorming van de antenne hangt af van twee basisvoorwaarden:RF-signaalbron en bepaalde lengte van geleiders aangesloten op RF-signaalbron. Op het gebied van engineering wordt aangenomen dat het antenne-effect zal optreden wanneer de lengte van de geleider in overeenstemming is met de formule die l=λ/20 is. Wanneer l=(λ/4)n, is het antenne-effect het grootst met n als natuurlijk getal.

Wanneer het signaal binnen de PCB wordt verzonden, heeft de binnenlus hetzelfde effect met de lusantenne. Hoe groter het lusgebied, hoe sterker het antenne-effect. Strikte PCB-luscontrole kan differentiële modusinterferentie effectief stoppen, wat in de praktijk haalbaar is. Het vergroten van de lengte van afgedrukte lijnen zal echter een duidelijk staafantenne-effect veroorzaken, dus de lengte van de interconnect-signalen moet zo veel mogelijk worden ingekort tijdens het proces van PCB-lay-out.

Bij relatief hoge Z_GND vindt plaats op het terugstroompad van hoge du/dt-signalen verzonden binnen PCB, common-mode driverbron u_com vindt plaats met i_com stroomt voorbij Z_GND , samen met aangesloten geprinte lijnen of I/O-stallen, die naar buiten kunnen stralen.

Als PCB's relatief klein zijn, kunnen de binnengedrukte lijnen de stralingsvereisten van de antenne niet bereiken vanwege de beperking van de lengte. Onder deze voorwaarde kan I / O-kabel worden beschouwd als de uitbreiding van gedrukte lijnen, aan stralingsvereisten kan worden voldaan. Zelfs als er geen directe verbinding met I/O-stabiel is, moet de overspraakkoppeling tussen I/O-kabels worden gestopt.

Overspraak in PCB en zijn remedies

• Koppeling tussen op printplaat gedrukte lijnen en referentieaarde

Aangezien EMC voornamelijk hoogfrequente common-mode-signalen bespreekt, kunnen distributieparameters zowel binnen als buiten de PCB niet worden vermeden. Capacitieve koppeling vindt plaats tussen PCB en referentieaarde waarvan de gedistribueerde capaciteit wordt samengesteld door plaatcapaciteit en natuurlijke capaciteit binnen de kleinste ruimte. Plaatcapaciteit is recht evenredig met de grootte van PCB en indirect evenredig met de afstand tussen PCB en aarde. Natuurlijke capaciteit binnen de kleinste ruimte is recht evenredig met de equivalente diameter van gedrukte lijnen in PCB. Daarom, ongeacht waar de PCB wordt geplaatst, zelfs ver van de grond in het oneindige, bestaat er altijd gedistribueerde capaciteit tussen de binnengedrukte lijnen en de grond. In een PCB is de gedistribueerde capaciteit van een relatief geïntegreerd GND-vlak naar het referentie-aardbord ongeveer 10 pF en de gedistribueerde capaciteit van de binnen gedrukte lijnen naar het referentie-aardingsbord ligt ongeveer in het bereik van 0,001 pF tot 0,1 pF of lager. De verdeelde capaciteit van gedrukte lijnen in het midden van PCB is veel lager dan die van gedrukte lijnen aan de rand van PCB.

• Koppeling binnen PCB

a. Theorie van koppeling binnen PCB en zijn invloed op signaal

Koppeling in PCB bestaat uit capacitieve koppeling en inductieve koppeling waarvan de theorie wordt weergegeven in figuur 5.

In deze afbeelding zijn zowel AB als CD parallel gedrukte lijnen met een kleine ruimte tussen twee lijnen. Z₀ verwijst naar de draaggolf van signaallijn 1 terwijl Z₁ en Z₂ verwijzen naar respectievelijk dragers van signaallijn 2. In figuur 5a, wanneer de signaalpiekspanning op de gedrukte lijn AB u is, is de signaalstijgtijd Δt en is de hoekfrequentie ω, de spanning van Z₂ wordt u_v =[Z₁ Z₂ /(Z₁ +Z₂ )]cΔu/Δt. Hoewel _c heeft een zeer lage waarde, de waarde van Δu/dt kan zeer hoog zijn en hun product kan niet worden vermeden. In figuur 5b, wanneer de piekstroom van het signaal op AB I_c . is , signaalstijgtijd is Δt, en hoekfrequentie is ω, de wederzijdse inductantie m tussen 2 gedrukte lijnen gaat door CD waarop de inducerende spanning u_v is =mωi_c . Hoewel de waarde van m zo klein is, kan de signaalfrequentie worden verhoogd. Daarom kan hun product niet worden vermeden.

Als resultaat zijn zowel capacitieve koppeling als inductieve koppeling gerelateerd aan de gedistribueerde parameter c of m van twee gedrukte lijnen. Tijdens de PCB-layout kunnen de waarden van c en m worden verlaagd door de afstand tussen parallelle lijnen te vergroten. In een praktisch circuit is capacitieve koppeling verantwoordelijk voor het grootste deel van het digitale circuit en wanneer het PCB-vlak niet glad is of sleuven of barsten bestaan, zal inductieve overspraak meer invloed hebben dan capacitieve overspraak. Wanneer het oppervlak van PCB's echter beperkt is, kan overspraak niet alleen worden aangepakt door de afstand tussen parallelle lijnen te vergroten. Om de kleinste gedistribueerde parameters tussen twee aangrenzende parallelle lijnen te behouden, moet een geïntegreerd vlakontwerp in het projectieve gebied worden gerangschikt en is het het beste om grondlagen aan de boven- en onderkant te hebben.

b. Invloed van afschermingsaardingsdraad om overspraak te verminderen

De mate van overspraak wordt bepaald door tal van elementen, zoals signaalfrequentie, stijgende flanktijd van het signaal, afstand tussen signaallijnen, aandrijfpoort en elektrische kenmerken van de ontvangende poort en het aantal PCB-lagen. Overspraak kan worden verminderd door een geïntegreerd aardingsvlak onder gedrukte lijnen in te stellen en een afschermingsaardingsdraad kan tussen signalen worden toegevoegd.

In het proces van PCB-lay-out kunnen twee aspecten gunstig zijn om overspraak te stoppen. Ten eerste moeten het gevoelige binnencircuit en het buitenste circuit worden gestopt. Ten tweede moet overspraak tussen binnencircuit of ruiscircuit en andere signalen worden gestopt. In de praktische PCB-layout moet een gedetailleerde test worden uitgevoerd in dezelfde laag of tussen verschillende lagen in PCB om te detecteren of er overspraakrisico bestaat of niet.

Tijdens de procedure van de PCB-lay-out moeten sommige signaallijnen met hetzelfde attribuut de routering van dezelfde tijd en dezelfde richting met dichtheid volgen. Als de beperking van de PCB-ruimte ertoe leidt dat filtercomponenten niet op dezelfde lijn kunnen worden geplaatst, ontstaat er vaak overspraak tussen signalen. Deze situatie wordt aangegeven in Afbeelding 6 hieronder.

c. Invloed van afschermingsaarde-naar-randeffect

Wanneer zeer gevoelige signaallijnen of signaallijnen met hoge du/dt, di/dt langs de PCB-rand worden aangebracht, zullen ze meer EMC-risico's lopen dan die in het midden van de PCB. Het is gemakkelijker voor randsignaallijnen om hoogfrequente interferentie of externe straling te ontvangen door een grotere parasitaire capaciteit.

Met de beperking van het gebied van PCB's, is het uiterst moeilijk om PCB's volgens de 20H-principes in het ontwerpbestand op te stellen. "Packet" kan worden gebruikt om interferentie en uitwendige straling te verminderen. Pakketlijnen hoeven niet te voldoen aan specifieke eisen zoals dikte en vorm. Wanneer een signaallijn zich te dicht bij de PCB-rand bevindt om koper te plateren, kan meestal een aardingslijn in het bereik van 7 tot 10 mils als afscherming worden toegevoegd.

d. Onderlinge interferentie tussen digitale en analoge circuits

Wanneer een PCB een snelle digitale schakeling en analoge signalen op laag niveau bevat, wordt overspraak meestal gegenereerd naar analoge signalen door digitale ruis onder een slechte PCB-lay-out. De onderlinge interferentie tussen digitale en analoge schakelingen wordt veroorzaakt door de volgende redenen. Ten eerste wordt overspraakruis veroorzaakt door parasitaire capaciteit en parasitaire inductantie. Ten tweede zal de slechte ontkoppeling van stroomrimpel en digitale chipstroom leiden tot stroomruis. Ten derde veroorzaken grondimpedantie en systeemgrond ruis. Het probleem van ruis moet worden aangepakt in de volgorde van stroom, signaal en aarde.

Handige bronnen:
• De meest uitgebreide introductie van geautomatiseerde EMI- en EMC-tools
• Zorgen voor een eerste succes in PCB EMC-ontwerp
• Ontwerpregels voor PCB-partitionering voor EMC-verbetering
• PCB Ontwerp voor radiofrequentiecircuit en elektromagnetische compatibiliteit
• Drie ontwerpoverwegingen die EMC van laptop-PCB's garanderen
• Volledige PCB-productieservice van PCBCart - Meerdere opties met toegevoegde waarde
• Geavanceerde PCB-assemblageservice van PCBCart - Begin vanaf 1 stuk