PCB Elektromagnetische Interferentie onder de knie: Strategieën voor betrouwbare ontwerpen

Snel naar:
Waarom het belangrijk is om elektromagnetische interferentie te vermijden | EMC-ontwerprincipes om elektromagnetische problemen te voorkomen en op te lossen | 1. Aardvlak | 2. Spoorlayout | 3. Componentrangschikking | 4. EMI-afscherming | EMC-ontwerp van Millennium Circuits Limited |

Elektromagnetische problemen plaagd PCB-ontwerpers consistent. Systeemontwerpingenieurs moeten altijd elektromagnetische compatibiliteit en interferentie monitoren. Helaas kunnen zelfs kleine ontwerpproblemen resulteren in elektromagnetische moeilijkheden. Deze issues zijn nog gemeener dan ooit, met bordontwerpen die krimpen en klanten die hogere snelheden eisen.

De twee primaire issues in spel zijn elektromagnetische compatibiliteit en elektromagnetische interferentie.

Elektromagnetische compatibiliteit, of EMC, omvat de generatie, voortplanting en ontvangst van elektromagnetische energie, over het algemeen door slecht ontwerp. Elektromagnetische interferentie, of EMI, verwijst naar de ongewenste en schadelijke effecten van EMC, alsook elektromagnetische interferentie van omgevingsbronnen. Te veel EMI kan resulteren in een defect of beschadigd product. Elke PCB-ontwerper zou EMC-ontwerp-regels moeten volgen om de hoeveelheid en effecten van EMI te minimaliseren.

Gelukkig kan correct EMC-ontwerp EMI in printplaten reduceren.

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 gemaakte EMI ontstaat uit elektronische circuits. Natuurlijk voorkomende EMI, aan de andere kant, kan ontstaan uit omgevingsfactoren zoals kosmische ruis en bliksem.

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

• Bandbreedte: Smalband signalen zoals die gebruikt door radio kunnen interferentie ondervinden van oscillators en zenders, hoewel deze bronnen slechts bepaalde delen van het spectrum intermittend beïnvloeden. Breedband interferentie beïnvloedt hoge-data signalen zoals TV en kan uit veel bronnen komen, inclusief booglasers en zonnestraling.

Of door de mens gemaakt of environment, EMI kan zowel kostbaar als gevaarlijk zijn. Het kan communicatiekanalen en gevoelige apparaten storen. EMI is een opvallende zorg in het medische veld, waar draadloze apparaatgebruik op de rise is. Helaas kan EMI de functionaliteit van medische apparatuur beïnvloeden zoals ventilatoren, ECG-monitors, cardiale monitors en defibrillatoren. In andere industrieën kan EMI sensoren en navigatiesystemen storen. Het resultaat in alle gevallen is een verstoring van apparatuur die verantwoordelijk kan zijn voor de gezondheid en veiligheid van de gebruikers.

Echter, de meest voorkomende bron van EMI – en de meest problematische bron voor ontwerpers – is intern. Slecht PCB-ontwerp kan resulteren in incompatibele signalen die met elkaar interfereren op het bord. Deze interferentie kan uiteindelijk het bord laten falen. Ontwerpers moeten ervoor zorgen dat interferentie tot een minimum wordt beperkt en eventuele uitgezonden signalen compatibel zijn zodat ze niet leiden tot interferentie.

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

Printplaatontwerpers moeten elektromagnetische compatibiliteitsontwerprincipes volgen om EMI tot een minimum te houden. De basiscorzen van EMC-problemen zijn vrij algemeen en hebben meestal te maken met ontwerpgebreken die interferentie veroorzaken tussen de sporen, circuits, via's, PCB-spoelen en andere elementen.

Deze essentiële ontwerprincipes kunnen helpen deze elektromagnetische problemen in een printplaatontwerp te voorkomen en op te lossen.

1. Aardvlak

Het ontwerpen van een PCB-aardvlak is de meest significante stap, en het is cruciaal voor het reduceren van EMI. Het aardvlak is uw eerste verdedigingslijn tegen EMI, aangezien alle circuits een aard nodig hebben om te werken. Enkele veelvoorkomende best practices voor aardontwerp om EMI te reduceren omvatten:

• Maximaliseer aardoppervlak: Vergroot het aardoppervlak zoveel mogelijk binnen de PCB. Signalen kunnen zich makkelijker disperseren met meer oppervlak, wat emissies, crosstalk en ruis reduceert. Als het aardvlak te klein is, kunt u mogelijk een andere laag toevoegen en een meervoudige PCB creëren. Deze ontwerpoplossing biedt meer opties voor het afhandelen van high-speed sporen.

• Gebruik solide vlakken: Vooral in meervoudige PCB's is een solid aardvlak een ideale optie. Koper-diefstal en gehachte aardvlakken resulteren meestal in hogere impedantieniveaus. Solide aardvlakken bieden daarentegen lagere niveaus.

• Verbind elk component: Verbind elk onderdeel met een aardvlak of punt. Het aardvlak fungeert als een neutraliserend agent voor bordontwerp, en zwevende componenten maken niet volledig gebruik van dit.

• Wees voorzichtig met gesplitste vlakken: Hoog ingewikkelde PCB-ontwerpen omvatten vaak talrijke geregelde spanningen, die elk hun eigen aardvlakken zouden moeten hebben. Te veel aardvlakken verhoogt echter de fabricatiekosten. Dit issue wordt meestal omzeild door het gebruik van gesplitste vlakken, die meerdere aardsecties op een enkele laag creëren. Echter, ontwerpers moeten altijd gesplitste vlakken voorzichtig gebruiken. Zorg ervoor dat u een goed reden heeft om een gesplitst vlak te gebruiken en, als u er een gebruikt, zorg ervoor dat ze alleen op een enkel punt verbonden zijn. Meerdere aardverbindingen in een gesplitst-aard PCB kunnen lussen creëren, wat resulteert in een antenne die EMI uitzendt.

• Verbind bypass- of decouplingcondensatoren: Als het ontwerp bypass- of decouplingcondensatoren bevat, verbind ze met het aardvlak. Deze actie helpt de retourstroom te verlagen door de grootte van de lus te verkleinen.

• Minimaliseer signaallengte: De lengte van sporen is belangrijk aangezien de hoeveelheid tijd die een signaal nodig heeft om naar een bron te gaan en terug te komen compatibel moet zijn. Anders kan het EMI uitzenden. Houd spoorlengtes zo kort mogelijk en ongeveer gelijk in lengte.

2. Spoorlayout

Sporen zijn met name belangrijk voor bordontwerp. Correct spoorgebruik zorgt voor correct voortgeplante stroom. Echter, veel problemen kunnen ontstaan als sporen niet gerangschikt zijn volgens top EMC-ontwerp regels.

Sporen zijn essentieel geleidende paden die vloeiende elektronen bevatten terwijl het circuit actief is. Dus, deze sporen zijn één fout verwijderd van het creëren van een zendende antenne. Een eenvoudige bocht of kruising kan resulteren in PCB elektromagnetische interferentie.

Enkele van de beste regels voor spoorlayout in PCB-ontwerp omvatten:

• Vermijd rechte hoeken: Vermijd hoeken van 45 graden tot 90 graden voor via's, sporen en andere onderdelen. Capaciteit neemt toe naarmate sporen hoeken bereiken boven 45 graden. Als resultaat verandert de karakteristieke impedantie, wat leidt tot reflectie. Deze reflectie resulteert in EMI. U kunt dit probleem voorkomen door sporen die een hoek moeten maken af te ronden of ze door twee of meer hoeken van 45 graden of minder te routen.

• Houd signalen gescheiden: Houd high-speed sporen gescheiden van low-speed signalen en analoge signalen gescheiden van digitale. Nauwe nabijheid kan resulteren in interferentie.

• Verkort retourpaden: Houd retourstroompaden zo kort mogelijk, en routeer ze langs paden van minste weerstand. Retourpaden moeten ongeveer dezelfde lengte zijn als transmit-sporen of korter.

• Let op spacing: Twee high-speed signalen die parallel lopen creëren EMI door crosstalk, waarbij één spoor de 'aggressor' is en de ander het 'slachtoffer'. De aggressor beïnvloedt het slachtofferspoor door inductieve en capacitieve koppeling, wat forward en backward stroom in het slachtofferspoor creëert. U kunt crosstalk minimaliseren door een minimale spacing tussen sporen te handhaven. Over het algemeen, scheid sporen door tweemaal de spoorbreedte. Als de sporen bijvoorbeeld vijfduizendste van een inch breed zijn, houd een minimale afstand van tienduizendste van een inch of meer tussen twee parallelle sporen.

• Gebruik via's voorzichtig: Via's zijn nodig in PCB-ontwerp omdat ze u in staat stellen gebruik te maken van meerdere lagen in uw borden bij routering. Echter, ontwerpers moeten voorzichtig zijn bij het gebruik ervan. Via's voegen hun eigen inductie- en capaciteitseffecten toe aan de mix, potentiëel resulterend in reflecties door veranderingen in karakteristieke impedantie. Via's verhogen ook de spoorlengte, wat gematched moet worden. Wanneer mogelijk, vermijd het gebruik van via's voor differentiële sporen. Als dit onmogelijk is, gebruik ze in beide sporen om de vertraging te compenseren.

3. Componentrangschikking

Elektronische componenten zijn de bouwstenen van een elektronisch circuit. Echter, ze verkeerd rangschikken kan diverse EMI-issues veroorzaken. Bij het ontwerpen van een PCB, wees bewust van elk stuk's EMI-impact. Enkele best practices voor componentlayout in PCB-ontwerp omvatten het volgende:

• Scheid analoge en digitale delen: Net als met sporen, scheid altijd analoge en digitale circuits en componenten. Het plaatsen van analoge en digitale circuits in nauwe nabijheid kan resulteren in crosstalk, onder andere issues. Om dit te vermijden, gebruik afscherming, meerdere lagen en gescheiden aarden om analoge en digitale signalen zo ver mogelijk van elkaar te plaatsen. Over het algemeen is het het beste om analoge en digitale signalen op gescheiden aarden te houden.

• Scheid analoge en high-speed stukken: Analog circuits dragen hoge stroom, wat problemen kan veroorzaken voor high-speed sporen en schakelsignalen. Houd deze van elkaar af en bewaak analoge circuits met aardsignaal. Op meervoudige PCB's, routeer analoge sporen zodat een aardvlak bestaat tussen het analoge circuit en de schakel- of high-speed signalen.

• Wees voorzichtig met high-speed componenten: Hoe sneller en kleiner het component is, des te groter de hoeveelheid EMI het waarschijnlijk produceert. U kunt deze natuurlijke EMI bestrijden door afscherming en filtering, hoewel het ook een goed idee is om deze componenten van andere in het bordontwerp te scheiden. Een andere maatregel is om high-speed signalen en klokken zo kort mogelijk te houden en angrenzend aan het aardvlak. Deze maatregelen helpen crosstalk, ruis en stralingsniveaus in te houden en binnen de acceptabele limieten.

4. EMI-afscherming

Sommige componenten zullen EMI produceren ongeacht welke ontwerp regels u volgt – vooral kleine, high-speed onderdelen. Gelukkig kunnen afscherming en filtering de effecten van deze EMI tot een minimum beperken. Enkele afschermings- en filteropties omvatten het volgende:

• Component- en bordafscherming: Fysieke schilden zijn metallische verpakkingen die alle of een deel van een bord encapsuleren. Hun doel is om EMI van het circuit van het bord fern te houden, hoewel de specifieke methoden variëren gebaseerd op de EMI-bron. Voor EMI die van binnen het systeem komt, kunnen componentenschilder gebruikt worden om een specifiek component dat EMI produceert te encasen – dus verbinden met aard, de antennelusgrootte verminderen en EMI absorberen. Andere schilden kunnen het hele bord encasen om te beschermen tegen EMI van buitenaf. Een Faraday Cage is bijvoorbeeld een dikke beschermende behuizing ontworpen om RF-golven te blokkeren. Deze apparaten zijn meestal gemaakt van metaal of geleidende schuim.

• Laag-doorlaat filtering: Soms kan een PCB laag-doorlaat filters bevatten om high-frequentie ruis van componenten te elimineren. Deze filters onderdrukken de ruis van deze onderdelen, waardoor de stroom op het retourpad zonder interferentie kan doorgaan.

• Kabelafscherming: Kabels die analoge en digitale stromen dragen, creëren de grootste hoeveelheid EMI-issues. Ze produceren deze issues door parasitaire capaciteit en inductie te produceren – een specifiek probleem voor high-frequentie signalen. Gelukkig helpt het afschermen van deze kabels en het verbinden ervan met aard aan de voor- en achterkant EMI-interferentie te annuleren.

EMC-ontwerp van Millennium Circuits Limited

Naarmate technologie vordert en elektromagnetische interferentie-issues stijgen, moet uw bedrijf investeren in middelen om zich voor te bereiden op de toekomst. Elektromagnetische issues zullen geavanceerder worden, en op de hoogte blijven van de meest recente best practices is de beste manier om deze issues te vermijden en uw bedrijf in te stellen voor toekomstige succes. Een deel hiervan moet omvatten het partneren met een kwalitatieve geprint printplaat leverancier. Uw leverancier zal uw bedrijf in staat stellen om elk PCB-project dat uw weg komt te hanteren. Millennium Circuits Limited kan u helpen daar te komen.

Millennium Circuits Limited, ook bekend als MCL, is een toonaangevende printplaat leverancier die uw PCB's hier in de VS kan creëren. Ons doel is om u de beste PCB's te geven die expert ingenieursmatig zijn en competitief geprijsd.

Wij kunnen offshore productie leveren om u te helpen uw kosten te verbeteren en uw budget te handhaven. Als u een uniek bordtype nodig hebt, kunnen onze kennisrijke professionals vrijwel elk type geprint printplaat bereiken dat u kunt bedenken, van flexibele en keramische borden tot high-speed digitale borden en meer. Wij kunnen u helpen de juiste oppervlakteafwerkingen, via's en features te vinden om het bord te bereiken dat u wilt met de kwaliteit die u verdient.

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

Vraag een gratis offerte aan

a