High-speed PCB-routeringstechnieken om de invloed van EMI te verminderen

De nieuwe generaties elektronische technologieën leiden tot een toenemende hoge randsnelheid van componenten. De verbetering van de werksnelheid van het circuit stelt steeds hogere eisen aan het PCB-ontwerp. De kwaliteit van het PCB-ontwerp bepaalt zelfs de werkprestaties van componenten en het hele circuit. Vooral met het kosten- en PCB-gebied en de functionaliteit van het uitgebreide circuit in aanmerking genomen, worden de bronnen van EMI-generatie (elektromagnetische interface) steeds breder met een gecompliceerd mechanisme.

EMI-mechanisme en oplossingen

De belangrijkste elementen van EMI bevatten elektromagnetische interferentiebron, transmissieroute en verstoord object. Met gespecificeerde elementen die leiden tot de komst van EMI, is het noodzakelijk om elementen te bepalen die gemakkelijk kunnen worden opgelost en die elementen die slechts gedeeltelijk kunnen worden opgelost in het proces van PCB-ontwerp, zodat ze in aanmerking kunnen worden genomen bij het proces van lay-out, routering en aarding.

• Indeling

In termen van PCB-lay-out moeten gebieden worden verdeeld volgens verschillende functionaliteiten. Verschillende functionaliteiten zijn verdeeld over verschillende gebieden, terwijl speciale aandacht moet worden besteed aan gevoelige eenheden in functiegebieden.

Over het algemeen moeten de volgende principes worden gevolgd voor de lay-out van PCB's:

a. In hogesnelheidscircuits moet rekening worden gehouden met parameters van de pindistributie van componenten en de gedistribueerde capaciteit van componentpinnen is vrij essentieel, vooral voor hogesnelheidskloksignalen. Ondertussen moet rekening worden gehouden met gedistribueerde inductantie, omdat dit mogelijk zal leiden tot oscillatie van signalen, wat een storing in de circuitfunctie veroorzaakt. Daarom moet tijdens het lay-outproces de distributie worden geregeld met een hoge dichtheid, waarbij de kabellengte wordt verlaagd voor toekomstige routering en de invloed van EMI wordt verminderd.

b. Als zowel analoge componenten als elektronische componenten in een circuit blijven, moeten ze tijdens het lay-outproces onafhankelijk worden verdeeld. Aangezien signalen van digitale componenten gecompliceerde composieten hebben met meerdere harmonische golven, zal een grote invloed op analoge signalen worden gegenereerd. Ze moeten dus met grote zorg worden bekeken.

c. Klokeenheden zijn essentieel in hogesnelheidscircuits. Het werkingsmechanisme van de klokeenheid is eigenlijk gelijk aan een ruisbron, wat betekent dat deze eenheid zal oscilleren wanneer aan bepaalde voorwaarden wordt voldaan. Als belangrijke bron van geleidbaarheidsinterferentie en stralingsinterferentie, mag de klokeenheid niet aan de rand van de PCB worden geplaatst. Anders zou EMI zo serieus worden. Het is noodzakelijk om klokeenheden in het midden van de PCB te plaatsen, wat EMI in circuits aanzienlijk kan verminderen.

• Routering

Tijdens het routeren van PCB's kan het grondvlak, gezien de lage kosten, zoveel mogelijk worden vergroot om de invloed van EMI te verminderen. In het geval dat de kosten strikt moeten worden gecontroleerd, moet echter zorgvuldig worden nagedacht over het aantal PCB-lagen en de stapelvolgorde. Bovendien moet rekening worden gehouden met signaaltypes en moet de routering onafhankelijk worden uitgevoerd naar hogesnelheidssignalen en lagesnelheidssignalen. Bovendien moeten andere elementen worden overwogen, waaronder de bron van ruis en hoe de ruisonderdrukking kan worden versterkt, problemen met impedantie-aanpassing (snelle signalen zonder geschikte aanpassing zullen zeker leiden tot reflectie van signalen en de betrouwbaarheid van circuits verminderen), en netlijst .

a. Basisprincipes van routering

De algemene principes die worden gevolgd bij routering zijn onder meer:

1). Breekpunten moeten worden vermeden in de routering, wat betekent dat een rechte hoek moet worden vermeden, zoals weergegeven in afbeelding 1 hieronder.

Aangezien een rechte hoek mogelijk tot reflectie leidt, moet het buigpunt soepel worden ontworpen om dit fenomeen te voorkomen. Tegelijkertijd mogen de belangrijkste signalen niet buiten verdeelde gebieden komen, anders wordt EMI onmiddellijk verbeterd. De meest voorkomende signaaloverbrugging is het doorkruisen van verschillende vermogensgedeelde gebieden.

2). Tijdens het lay-outproces moeten analoge componenten en digitale componenten van elkaar worden gescheiden, wat betekent dat de routering ervan moet worden verdeeld. Tegelijkertijd moet de breedte van aarddraden en stroomdraden worden vergroot met de algemene regel dat de breedte van aarddraden groter is dan die van stroomdraden die groter is dan die van signaaldraden. Bovendien moeten de 3W-principes volledig in overweging worden genomen bij de routering van signaaldraden, terwijl voor meerlaagse borden het 20H-principe moet worden overwogen op interne lagen. De voltooiing van het bovenstaande werk kan 70% van EMI vermijden. In termen van analoog gevoelige draden kunnen maatregelen worden geïmplementeerd zoals aarding.

3). Voor de routering van USB2.0 of andere hogesnelheidsdifferentieellijnen, moet koppelingsroutering worden toegepast en moet de integriteit van het referentieoppervlak tussen differentiële paren worden gegarandeerd. Aangezien differentiële paren over het algemeen hogesnelheidssignalen zijn, mag de routering niet aan de rand van de printplaat worden geregeld.

b. Lussen

Lussen kunnen nooit worden vermeden in PCB-ontwerp. Lussen worden gevormd uit signalen die uitstromen naar binnenstromen en elk van de lussen speelt een rol als antenne in functionaliteit. Om EMI in PCB's te verminderen, moeten zowel het aantal lussen als de antennecapaciteit van lussen worden verminderd. Het betekent dat de stroomrichting van elk signaal in het PCB-ontwerp moet worden opgemerkt en dat het lusgebied moet worden verkleind voor signalen met hoge snelheid.

In circuits liggen de meest gebruikte lussen in stroomlussen die zijn opgenomen door een ontkoppelcondensator, zoals weergegeven in afbeelding 2.

Als de ontkoppelingscondensator wordt geplaatst zoals het linkerdiagram in figuur 2, zullen relatief grote stroomlussen worden gegenereerd met een duidelijk EMI-fenomeen. Integendeel, in het rechter diagram van figuur 2, waarin de ontkoppelingscondensator dicht bij de chip is geplaatst, wordt een extreem kleine ontkoppelingslus gegenereerd met als belangrijkste functie het verminderen van EMI. De principes die moeten worden gevolgd, worden weergegeven om lussen te verminderen:

1).Er is slechts één pad verzekerd tussen twee punten op elke signaallijn.

2).Grondvlak moet worden toegepast zonder blokkering in signaallussen.

c. Aarddraden van PCB

1). Verschillen moeten worden verduidelijkt tussen digitale aarde, analoge aarde en systeemafscherming in het systeem van PCB-aarding. Magnetische kralen en condensator worden toegepast om digitale aarde en analoge aarde te scheiden en digitale aarde en veldaarde moeten direct worden aangesloten.
2). Indien toegestaan, moeten aarddraden worden verbreed in PCB.
3).Formulier gesloten circuits door aardingsdraden, zodat de anti-interferentiecapaciteit wordt versterkt en het elektrische niveauverschil tussen systemen wordt verkleind.

• Filterontwerp

In high-speed PCB's kan filterverwerking worden geïmplementeerd op stroomdraden en signaaldraden. De gebruikelijke maatregelen omvatten toevoeging van magnetische filtercomponenten, EMI-filter en ontkoppelingscondensator.

a. Selectie van ontkoppelcondensator

1). In een circuit helpt de ontkoppelingscondensator om de stroom soepel te maken en de anti-interferentiecapaciteit te versterken. Over het algemeen wordt keramische condensator opgepakt als ontkoppelcondensator vanwege zijn hoge stabiliteit, hoge nauwkeurigheid, klein volume en lage ESR (Equivalent Series Resistance). In het circuitontwerp wordt de weerstandswaarde gekozen in het bereik van 1μF tot 100μF, terwijl het vermogen om spanning te weerstaan ​​​​op basis van circuits moet worden overwogen.
2). Ontkoppelcondensator moet dicht bij componenten worden geplaatst.

b. Selectie van magnetische componenten

Magnetische componenten kunnen worden ingedeeld in inductor en magnetische kralen. Over het algemeen wordt de inductor opgepikt aan het einde van de voedingsaansluiting, terwijl magnetische kralen tussen signaallijnen zijn. Bij het selecteren van componenten moet rekening worden gehouden met de verzadigingsparameters. Zodra magnetische componenten verzadiging bereiken, worden ze afgebrand. Bovendien moeten zowel de kwaliteit als de DCR-parameters van magnetische componenten in aanmerking worden genomen.

Een veelgebruikte maatstaf voor signaallijnen is de toepassing van magnetische kralen op seriële lijnen om de EMI-capaciteit te versterken.

c. Selectie van EMI-filter

Het gebied met ernstige common-mode-interferentie ligt in de plaats met stroom in en signaallijnen uit. Gewone maatregelen om common-mode-interferentie te voorkomen, zijn onder meer de toevoeging van een common-mode-inductor, piëzoweerstand, LC-circuit en een specifiek EMI-filter. In high-speed circuits moet rekening worden gehouden met het EMI-probleem voor de high-speed transmissie op digitale interfaces zoals USB en HDMI.

• Signaalreflectie

Bij signaaloverdracht wordt altijd verwacht dat energie bij de bronterminal wordt verzonden naar de laadterminal, wat betekent dat ZL gelijk moet zijn aan ZO. Als ze niet gelijk aan elkaar zijn, wordt een deel van de energie gereflecteerd.

Als de transmissievertraging van lijnen relatief lang is, zullen sterkere signalen worden teruggekaatst naar de bronterminal. Dan moet er een relatief groot bedrag worden gewisseld voor compensatie wanneer het rinkelen wordt gegenereerd, zoals weergegeven in figuur 5 hieronder.

Wanneer het rinkelen van signalen plaatsvindt, bereikt EMI de piek van ernst. Om een ​​dergelijk fenomeen in het PCB-ontwerp te voorkomen, volgt u de principes in Tabel 1.

EMI-test

Na het productontwerp zullen, ondanks veel maatregelen om EMI te vermijden, pas problemen worden gevonden bij de implementatie van de test. Vervolgens kunnen enkele wijzigingen worden aangebracht om problemen op te lossen.

EMI-test omvat testmethode, apparaten en testpositie. Testmethoden moeten worden uitgevoerd met verwijzing naar alle items. Als apparaten niet aan de norm voldoen, kan een spectrometer worden toegepast voor kwalitatieve test. Als een specifieke EMI-waarde van apparaten vereist is, moeten professionele apparaten worden toegepast. Wat de testpositie betreft, kunt u de test het beste in de donkere kamer doen.

Handige bronnen
• Mag de ingenieurvriendelijke PCB-layoutrichtlijnen niet missen
• Onderzoek naar high-speed PCB-ontwerp in ingebed applicatiesysteem
• De meest uitgebreide introductie van EMI en EMC geautomatiseerde tools
• 5 tips voor automotive circuitontwerp om EMI te verslaan
• Full-feature PCB-productieservice van PCBCart - Meerdere opties met toegevoegde waarde
• Geavanceerde PCB-assemblageservice van PCBCart - Start vanaf 1 stuk