Elektromagnetische problemen met PCB's oplossen

Spring naar:
Waarom het belangrijk is om elektromagnetische interferentie te vermijden | EMC-ontwerpprincipes om elektromagnetische problemen te voorkomen en op te lossen | 1. Grondvlak | 2. Traceerlay-out | 3. Componentenrangschikking | 4. EMI-afscherming | EMC-ontwerp van Millennium Circuits Limited |

Elektromagnetische problemen kwellen consequent PCB-ontwerpers. Systeemontwerpingenieurs moeten altijd de elektromagnetische compatibiliteit en interferentie bewaken. Helaas kunnen zelfs kleine ontwerpproblemen tot elektromagnetische problemen leiden. Deze problemen komen zelfs vaker voor dan ooit, met steeds kleiner wordende bordontwerpen en klanten die hogere snelheden eisen.

De twee belangrijkste problemen die spelen zijn elektromagnetische compatibiliteit en elektromagnetische interferentie.

Elektromagnetische compatibiliteit, of EMC, omvat de opwekking, verspreiding en ontvangst van elektromagnetische energie, meestal door een slecht ontwerp. Elektromagnetische interferentie, of EMI, verwijst naar de ongewenste en schadelijke effecten van EMC, evenals elektromagnetische interferentie van omgevingsbronnen. Te veel EMI kan resulteren in een defect of beschadigd product. Elke PCB-ontwerper moet de EMC-ontwerpregels volgen om de hoeveelheid en de effecten van EMI te minimaliseren.

Gelukkig kan een goed EMC-ontwerp EMI in printplaten verminderen.

Vraag een gratis offerte aan

Waarom het belangrijk is om elektromagnetische interferentie te vermijden

Bronnen van elektromagnetische interferentie zijn overal om ons heen, en we kunnen ze op verschillende manieren categoriseren:

• Bron: Door de mens veroorzaakte EMI ontstaat uit elektronische circuits. Van nature voorkomende EMI kan daarentegen ontstaan ​​door omgevingsfactoren zoals kosmische ruis en bliksem.

• Duur: Continue interferentie is een EMI-bron die een constant signaal uitzendt, dat meestal wordt weergegeven als achtergrondruis. Impulsinterferentie is intermitterend, meestal veroorzaakt door schakelsystemen, bliksem en andere niet-constante bronnen.

• Bandbreedte: Smalbandsignalen zoals die door radio worden gebruikt, kunnen interferentie ondervinden van oscillatoren en zenders, hoewel deze bronnen slechts af en toe bepaalde delen van het spectrum beïnvloeden. Breedbandinterferentie beïnvloedt high-datasignalen zoals tv en kan afkomstig zijn van vele bronnen, waaronder booglasapparaten en zonneruis.

Of het nu door mensen is gemaakt of door het milieu, EMI kan zowel duur als gevaarlijk zijn. Het kan communicatiekanalen en gevoelige apparaten verstoren. EMI is een groot probleem op medisch gebied, waar het gebruik van draadloze apparaten toeneemt. Helaas kan EMI de functionaliteit van medische apparatuur zoals ventilatoren, ECG-monitoren, hartmonitoren en defibrillators beïnvloeden. In andere industrieën kan EMI sensoren en navigatiesystemen verstoren. Het resultaat is in alle gevallen een storing van apparatuur die verantwoordelijk kan zijn voor de gezondheid en veiligheid van de gebruikers.

De meest voorkomende bron van EMI - en de meest problematische bron voor ontwerpers - is echter intern. Een slecht PCB-ontwerp kan ertoe leiden dat incompatibele signalen elkaar op het bord storen. Deze interferentie kan er uiteindelijk toe leiden dat het bord uitvalt. Ontwerpers moeten ervoor zorgen dat interferentie tot een minimum wordt beperkt en dat alle afgegeven signalen compatibel zijn om geen interferentie te veroorzaken.

EMC-ontwerpprincipes om elektromagnetische problemen te voorkomen en op te lossen

Ontwerpers van printplaten moeten de ontwerpprincipes van elektromagnetische compatibiliteit volgen om EMI tot een minimum te beperken. De basisoorzaken van EMC-problemen komen vrij vaak voor en hebben meestal te maken met ontwerpfouten die interferentie veroorzaken tussen de sporen, circuits, via's, PCB-spoelen en andere elementen.

Deze essentiële ontwerpprincipes kunnen helpen bij het voorkomen en oplossen van deze elektromagnetische problemen in het ontwerp van een printplaat.

1. Grondvlak

Het ontwerpen van het grondvlak van een PCB is de belangrijkste stap, en het is cruciaal voor het verminderen van EMI. Het grondvlak is uw eerste verdedigingslinie tegen EMI, aangezien alle circuits een grond nodig hebben om te werken. Enkele veelvoorkomende best practices voor grondontwerp om EMI te verminderen zijn:

• Maximaliseer grondoppervlak: Vergroot het grondoppervlak binnen de PCB zo veel mogelijk. Signalen kunnen gemakkelijker worden verspreid met meer oppervlakte, waardoor emissies, overspraak en ruis worden verminderd. Als het grondvlak te klein is, zou je eventueel nog een laag kunnen toevoegen en een meerlaagse PCB kunnen maken. Deze ontwerpoplossing biedt meer opties voor het verwerken van sporen met hoge snelheid.

• Gebruik effen vlakken: Vooral bij meerlaagse PCB's is een solide grondvlak een ideale optie. Koper-stelende en gehashed grondvlakken resulteren meestal in hogere impedantieniveaus. Stevige grondvlakken daarentegen zorgen voor lagere niveaus.

• Sluit elk onderdeel aan: Verbind elk onderdeel met een grondvlak of punt. Het grondvlak fungeert als een neutraliserend middel voor bordontwerp en zwevende componenten maken hier niet volledig gebruik van.

• Wees voorzichtig met gesplitste vlakken: Zeer ingewikkelde PCB-ontwerpen bevatten vaak talloze gereguleerde spanningen, die elk hun eigen aardvlakken zouden moeten hebben. Te veel grondvlakken verhogen echter de fabricagekosten. Dit probleem wordt meestal omzeild door het gebruik van gesplitste vlakken, die meerdere grondsecties op een enkele laag creëren. Ontwerpers moeten echter altijd zorgvuldig omgaan met gesplitste vlakken. Zorg ervoor dat je een goede reden hebt om een ​​gesplitst vlak te gebruiken en, als je er een gebruikt, zorg ervoor dat ze slechts op één punt zijn verbonden. Meerdere aardverbindingen in een gesplitste aardingsprintplaat kunnen lussen creëren, wat resulteert in een antenne die EMI uitstraalt.

• Sluit bypass- of ontkoppelcondensatoren aan: Als het ontwerp bypass- of ontkoppelcondensatoren bevat, sluit u deze aan op het aardingsvlak. Deze handeling helpt de retourstroom te verminderen door de grootte van de lus te verkleinen.

• Signaallengte minimaliseren: De lengte van sporen is belangrijk omdat de hoeveelheid tijd die een signaal nodig heeft om van en naar een bron te komen, compatibel moet zijn. Anders kan het EMI uitstralen. Houd traceerlengtes zo kort mogelijk en ongeveer even lang.

2. Traceringslay-out

Sporen zijn vooral belangrijk voor bordontwerp. Correct gebruik van sporen zorgt voor een goed gepropageerde stroom. Er kunnen echter veel problemen ontstaan ​​als sporen niet zijn gerangschikt volgens de belangrijkste EMC-ontwerpregels.

Sporen zijn in wezen geleidende paden die stromende elektronen bevatten terwijl het circuit actief is. Deze sporen zijn dus één fout verwijderd van het maken van een stralende antenne. Een simpele buiging of kruis kan leiden tot elektromagnetische interferentie van PCB's.

Enkele van de beste regels voor de lay-out van sporen in PCB-ontwerp zijn:

• Vermijd rechte hoeken: Vermijd hoeken van 45 graden tot 90 graden voor via's, sporen en andere onderdelen. De capaciteit neemt toe naarmate sporen hoeken van meer dan 45 graden bereiken. Als gevolg hiervan verandert de karakteristieke impedantie, wat leidt tot reflectie. Deze reflectie resulteert in EMI. U kunt dit probleem voorkomen door sporen af ​​te ronden die een hoek moeten omslaan of door twee of meer hoeken van 45 graden of minder te routeren.

• Houd signalen gescheiden: Houd sporen met hoge snelheid gescheiden van signalen met lage snelheid en analoge signalen gescheiden van digitale. Nabijheid kan interferentie veroorzaken.

• Retourpaden inkorten: Houd retourstroompaden zo kort mogelijk en leid ze langs paden met de minste weerstand. Retourpaden moeten ongeveer even lang zijn als verzendsporen of korter.

• Gedachtenruimte: Twee parallel lopende hogesnelheidssignalen creëren EMI door middel van overspraak, waarbij het ene spoor de "agressor" is en het andere het "slachtoffer". De agressor beïnvloedt het slachtofferspoor door inductieve en capacitieve koppeling, waardoor voorwaartse en achterwaartse stroom in het slachtofferspoor wordt gecreëerd. U kunt overspraak minimaliseren door een minimale afstand tussen sporen aan te houden. Scheid sporen in het algemeen met tweemaal de spoorbreedte. Als de sporen bijvoorbeeld vijfduizendste van een inch breed zijn, moet u een minimale afstand van tienduizendste van een inch of meer aanhouden tussen twee parallelle sporen.

• Gebruik via's zorgvuldig: Via's zijn nodig bij het ontwerpen van PCB's, omdat u hiermee kunt profiteren van meerdere lagen in uw borden bij het routeren. Ontwerpers moeten echter voorzichtig zijn bij het gebruik ervan. Via's voegen hun eigen inductantie- en capaciteitseffecten toe aan de mix, wat mogelijk kan resulteren in reflecties als gevolg van veranderingen in karakteristieke impedantie. Via's vergroten ook de spoorlengte, die moet worden afgestemd. Vermijd indien mogelijk het gebruik van via's voor differentiële sporen. Als dit echter niet mogelijk is, gebruik ze dan in beide sporen om de vertraging te compenseren.

3. Componentenrangschikking

Elektronische componenten zijn de bouwstenen van een elektronische schakeling. Als u ze echter niet op de juiste manier rangschikt, kan dit verschillende EMI-problemen veroorzaken. Houd bij het ontwerpen van een PCB rekening met de EMI-impact van elk stuk. Enkele best practices voor de lay-out van componenten in PCB-ontwerp zijn:

• Gescheiden analoge en digitale delen: Net als bij sporen, altijd gescheiden analoge en digitale circuits en componenten. Het dicht bij elkaar plaatsen van analoge en digitale circuits kan onder meer leiden tot overspraak. Om dit te voorkomen, gebruikt u afscherming, meerdere lagen en gescheiden gronden om analoge en digitale signalen zo ver mogelijk van elkaar te plaatsen. Over het algemeen is het het beste om analoge en digitale signalen helemaal gescheiden te houden.

• Gescheiden analoge en snelle stukken: Analoge circuits voeren een hoge stroomsterkte, wat problemen kan veroorzaken voor snelle sporen en schakelsignalen. Houd deze uit elkaar en bewaak analoge circuits met massasignaal. Routeer op meerlaagse PCB's analoge sporen zodat er een aardingsvlak bestaat tussen het analoge circuit en de schakel- of hogesnelheidssignalen.

• Wees voorzichtig met snelle componenten: Hoe sneller en kleiner het onderdeel is, hoe groter de hoeveelheid EMI die het waarschijnlijk produceert. Je kunt deze natuurlijke EMI bestrijden door middel van afscherming en filtering, maar het is ook een goed idee om deze componenten van andere te scheiden in het bordontwerp. Een andere te nemen maatregel is om hogesnelheidssignalen en klokken zo kort mogelijk en naast het grondvlak te houden. Deze maatregelen helpen de overspraak-, geluids- en stralingsniveaus onder controle te houden en binnen de aanvaardbare grenswaarden te houden.

4. EMI-afscherming

Sommige componenten produceren EMI, ongeacht de ontwerpregels die u volgt, vooral kleine onderdelen met hoge snelheid. Gelukkig kunnen afscherming en filtering de effecten van deze EMI tot een minimum beperken. Sommige afschermings- en filteropties omvatten de volgende:

• Onderdeel en plaatafscherming: Fysieke schilden zijn metalen pakketten die een geheel of een deel van een bord inkapselen. Hun doel is om te voorkomen dat EMI het circuit van het bord binnendringt, hoewel de specifieke methoden variëren op basis van de EMI-bron. Voor EMI die van binnenuit het systeem komt, kunnen componentafschermingen worden gebruikt om een ​​specifiek onderdeel dat EMI produceert te omhullen — en zo verbinding te maken met de aarde, waardoor de grootte van de antennelus wordt verkleind en EMI wordt geabsorbeerd. Andere schilden kunnen het hele bord omsluiten om te beschermen tegen EMI van externe bronnen. Een kooi van Faraday is bijvoorbeeld een dikke beschermende behuizing die is ontworpen om RF-golven te blokkeren. Deze apparaten zijn meestal gemaakt van metaal of geleidend schuim.

• Laagdoorlaatfilter: Soms kan een PCB laagdoorlaatfilters bevatten om hoogfrequente ruis van componenten te elimineren. Deze filters onderdrukken de ruis van dit deel, waardoor de stroom zonder interferentie door kan gaan op het retourpad.

• Kabelafscherming: Kabels die analoge en digitale stromen voeren, veroorzaken de meeste EMI-problemen. Ze produceren deze problemen door parasitaire capaciteit en inductantie te produceren - een bijzonder probleem voor hoogfrequente signalen. Gelukkig helpt het afschermen van deze kabels en het verbinden met aarde aan de voor- en achterkant om EMI-interferentie te elimineren.

EMC-ontwerp van Millennium Circuits Limited

Naarmate de technologie vordert en problemen met elektromagnetische interferentie toenemen, moet uw bedrijf investeren in middelen om zich voor te bereiden op de toekomst. Elektromagnetische problemen zullen geavanceerder worden en op de hoogte blijven van de meest recente best practices is de beste manier om deze problemen te vermijden en uw bedrijf klaar te stomen voor toekomstig succes. Een onderdeel hiervan zou moeten zijn om samen te werken met een leverancier van hoogwaardige printplaten. Uw leverancier zal uw bedrijf klaarstomen om elk PCB-project aan te pakken dat op uw pad komt. Millennium Circuits Limited kan u daarbij helpen.

Millennium Circuits Limited, ook bekend als MCL, is een toonaangevende leverancier van printplaten die uw PCB's hier in de VS kan maken. Ons doel is om u de beste PCB's te bieden die vakkundig zijn ontworpen en scherp geprijsd.

We kunnen offshore productie leveren om u te helpen uw kosten te verbeteren en uw budget te behouden. Als u een uniek bordtype nodig heeft, kunnen onze deskundige professionals vrijwel elk denkbaar type printplaat realiseren, van flexibele en keramische borden tot snelle digitale borden en meer. We kunnen u helpen bij het vinden van de juiste oppervlakteafwerkingen, via's en functies om het bord te krijgen dat u wilt met de kwaliteit die u verdient.

Laat ons u helpen uw projectdromen te verwezenlijken. Neem vandaag nog contact met ons op voor een gratis offerte.

Vraag een gratis offerte aan

een