PCB-layout optimaliseren voor superieure EMC-prestaties in elektronica

Massa in PCB

Invloed van common-mode interferentie op PCB-interne signalen

Printplaat (PCB) interne geprinte lijnen hebben parasitair parameters ten opzichte van referentie-massa-bord en wanneer functiesignalen binnen de PCB worden overgedragen, is het dezelfde equipotentiële knooppunt in hetzelfde netwerk in de schakeling niet langer equipotentieel. De stroom i binnen de PCB start bij de bron-eind, passeert een reeks dragers en keert terug naar de signaalbron, vormend een signaal. Wat meer is, neigt i ertoe om langs het pad met lage impedantie te stromen, zodat i meestal onveranderd blijft met de stabiliteit van impedantie.

Figuur 1 toont het proces wanneer common-mode interferentie getransformeerd wordt naar differentieel-mode interferentie binnen de PCB. i_d verwijst naar de differentieel-mode stroom binnen de PCB-stroom, terwijl i_com verwijst naar de common-mode stroom die ofwel begint van buitenaf de PCB en in de PCB stroomt via referentie-massa-bord, ofwel begint van binnen de PCB en keert terug naar binnen de PCB via referentie-massa-bord. Hoog-frequente i_com heeft twee paden: de eerste is van punt A naar punt B binnen de PCB, startend vanuit GND; de tweede is van punt A naar punt B, startend vanuit poort S₁ naar PCB-binnen via capaciteit C. Massa-impedantie Z_AB leidt tot de generatie van Δu_AB, dus wanneer normaal signaal doorgegeven wordt naar IC₂, zal vervorming plaatsvinden aan signaal en common-mode interferentie getransformeerd in differentieel-mode interferentie, wat invloed produceert op normaal signaal gebaseerd op de formule die is u₂=u₁-Δu_AB.

Daarom, zodra i_com de binnenkant van de PCB binnengaat via I/O-poort of ruimtestraling, kan differentieel-mode filtercondensator op signaallijnen van PCB alleen interferentie bypass naar GND drukken. De voorwaarde van dit resultaat is dat GND beschouwd wordt als lage impedantie voor signaal-terugstroom en stroom altijd stroomt in de richting van lage impedantie.

Kern van EMC-ontwerpimplementatie: Massa-impedantie in PCB

De reden voor de generatie van EMC door hoog-frequente signalen ligt erin dat signaal-referentieniveau GND niet in staat is zijn kenmerk van lage impedantie te handhaven. Met de toename van impedantie Z_GND van referentieniveau, daalt de kwaliteit van signaaltransmissie ook. Om het probleem van hoge-frequente interferentie op te lossen, worden veelvoorkomende methoden gebruikt in EMC-ontwerp zoals filter, massa en scherm die nauw verbonden zijn met "massa".

Filter kan beschouwd worden als condensator naar massa, met twee structuren, waarvan de ene is om X-condensator te verbinden met signaal-referentiemassa en de andere is om signaal te verbinden met metalen behuizing via Y-condensator of verschillende massa-verbinding binnen PCB. Scherm kan beschouwd worden als het resultaat van PCB-massa's uitbreiding naar ruimte. Het doel van filter of scherm is om hoge-frequente common-mode interferentie de bypass met lage impedantie te laten passeren om te voorkomen dat het in normale werkingssignaal vloeit. Op dezelfde manier zullen al deze methoden niet werken tenzij massa lage impedantie heeft.

Figuur 2 toont het effect van massa-impedantie op schakelfilter. i_com stroomt volgens de volgorde van IC₁→IC₂→IC₁ en wanneer het naar punt P stroomt, zal i_com in de takschakelingen van IC₁ en C₁ stromen door welke het van punt A naar B stroomt. Als de impedantie tussen punt A en B, dat is Z_AB, ver minder is dan de impedantie tussen punt P en IC₁. Op dat moment stroomt i_com van punt P naar A, IC₁ filter kan gerealiseerd worden. Wanneer i_com naar punt B stroomt, zullen takschakelingen ontstaan die B→C en B→Q zijn. Als PCB-layout niet goed gecontroleerd wordt, 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 terugwaarts naar IC₂ invoerpoort via C₂ wanneer capaciteit die oorspronkelijk uitsluitend voor IC₂ gebruikt werd, een rol speelt bij signaalinvasie-interferentie.

Om referentieniveau met lage impedantie te maken, wordt het meestal ontworpen als een vlak. Over het algemeen kan een geleider wiens lengte-breedte-verhouding minder dan 5 is, beschouwd worden als lage impedantie in de ingenieurs-sector. De impedantie van geprinte lijnen wordt niet bepaald door zijn graad van lengte of dikte. In de traditionele PCB-ontwerprincipes, wordt analoog schakeling enkelpunt-aarding massaal aanbevolen, dus PCB-layout-principe van digitale schakeling meervoudige-punten aarding en digitale module schakeling meng-aarding zijn niet meer werkbaar voor het aanpakken van EMC-problemen.

Aangezien alle terugstromen van alle signalen gegarandeerd moeten zijn om een geïntegreerde massa met lage impedantie te hebben, zijn 4-laags of meerlaagse borden met geïntegreerd massavlak in staat om aan de eis te voldoen, terwijl laagkost enkelzijdige borden dat niet zijn. Wanneer een dubbellaags bord gebruikt moet worden op basis van de kostenbeperking, moet een relatief geïntegreerd massavlak voor signalen binnen de PCB ontworpen worden. In de praktische toepassing, wordt PCB-massa-impedantie beïnvloed door zowel zijn vorm als door signaaldraad doorvoeringen, kraak en sleuf. Figuur 3a en 3b tonen respectievelijk slechte en uitstekende lage-impedantie massavlak-ontwerp.

In deze figuur zijn alle componenten aan de voorzijde van de PCB terwijl massavlak aan de achterzijde is. Chips zijn verbonden via geprinte lijnen ab aan de voorzijde en cd is geprinte lijnen aan de achterzijde. Onder de druk van hoge-frequente common-mode interferentie van buitenaf, zal de sleuf gevormd door cd leiden tot de toename van Z_GND van geprinte lijnen terugstroom. Z_GND fluctueert in het proces van signaaltransmissie, wat leidt tot lage kwaliteit van signaal. Daarom kunnen lagen van geprinte lijnen tussen cd herhaaldelijk via doorvoeringen in het proces van PCB-layout-ontwerp worden uitgewisseld, zodat Z_GND verlaagd zal worden. Bovendien kunnen twee IC_S met gevoelige signalen samen gerangschikt worden, zodat massa een relatief geïntegreerd massavlak lokaal wordt, om te garanderen dat signaal niet gestoord wordt in het proces van signaaltransmissie. Let op dat doorvoeringen niet met veel dichtheid gerangschikt mogen worden, anders zal kraak op massavlak ook veroorzaakt worden, 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, is ofwel metalen behuizing of metalen behuizing-scherm van lokaal gevoelige schakelingen in staat om interferentieproblemen op te lossen. Vanuit het perspectief van EMI, lopen 4-laags borden soms niet de stralingsemissie-beperkingsvereiste te halen en het aantal lagen moet verhoogd worden, aangezien meerlaagse borden signalen met hoge d_u/d_t en d_i/d_t kunnen laten garanderen van kleinere signaal-lusoppervlak in het proces van transmissie, wat terugkeerstroom met lage impedantie biedt voor hoog-snelheid signalen.

Het basiscprincipe van PCB-stapelontwerp is om hoge-snelheid signaallaag en voedingsvlak angrenzend aan massavlak te rangschikken. Figuur 4 toont het stapelontwerp van 4-laags en 6-laags borden. S₁ in Figuur 4a verwijst naar hoge-snelheid signaallaag, terwijl Figuur 4b, 4c en 4d drie gewone 6-laags PCB-ontwerpen zijn.

Onder de 3 6-laags PCB-ontwerpen, is ontwerp b het ergste en moet S₂ laag hoge-snelheid signaallaag zijn. S₂ laag in ontwerp c en d is hoge-snelheid signaallaag. Ontwerp c is het beste omdat elke signaallaag nauw angrenzend is aan massavlak om de kortste signaal-terugkeerstroom te garanderen en S₂ en P lagen worden afgeschermd door GND₁ en GND₂. Vergeleken met ontwerp c, is S₃ in ontwerp d ver van GND-laag en P kan alleen het eenzijdige effect bereiken in plaats van het tweezijdige effect veroorzaakt door ontwerp c.

Equivalente antenne in PCB's

De fundamentele functie van antenne is om draadloze radiogolven te stralen en te ontvangen. In het proces van straling, kan hoge-frequente stroom getransformeerd worden in elektromagnetische golf; in het proces van ontvangen, wordt elektromagnetische golf getransformeerd in hoge-frequente stroom. De straling in EMC-veld verwijst voornamelijk naar ver-veld straling. De vorming van antenne hangt af van twee basale voorwaarden: RF-signaalbron en bepaalde lengte van geleiders verbonden met RF-signaalbron. In de ingenieurs-sector wordt geglaub dat antenne-effect opkomt wanneer de lengte van geleider in overeenstemming met de formule is l=λ/20. Wanneer l=(λ/4)n, is antenne-effect het grootste met n als natuurlijk getal.

Wanneer signaal binnen de PCB wordt overgedragen, heeft de interne lus hetzelfde effect als lus-antenne. Hoe groter het lusoppervlak is, hoe meer het antenne-effect zal zijn. Strikte PCB-luscontrole kan effectief differentieel-mode interferentie stoppen, wat haalbaar is in de praktijk. Echter, het vergroten van de lengte van geprinte lijnen zal duidelijke staaf-antenne-effect veroorzaken, dus lengte van interconnect-signalen moet zoveel mogelijk ingekort worden in het proces van PCB-layout.

Wanneer relatief hoge Z_GND plaatsvindt op het terugkeertraject van hoge du/dt signalen die binnen de PCB worden overgedragen, zal common-mode driver-bron u_com plaatsvinden met i_com stromend langs Z_GND, samen met verbonden geprinte lijnen of I/O-stallen, die naar buiten kunnen stralen.

Als PCB's relatief klein in grootte zijn, kunnen interne geprinte lijnen de antenne-straling-vereiste niet halen vanwege lengtebeperking. Onder deze voorwaarde kan I/O-kabel beschouwd worden als de uitbreiding van geprinte lijnen, de stralingsvereiste kan gehaald worden. Zelfs als geen directe verbinding met I/O-stal bestaat, moet crosstalk-koppeling tussen I/O-kabels gestopt worden.

Crosstalk binnen PCB en de remedieën

Koppeling tussen PCB-geprinte lijnen en referentie-massa

Aangezien EMC voornamelijk hoge-frequente common-mode signalen bespreekt, kunnen verdelingsparameters noch binnen noch buiten PCB vermeden worden. Capacitieve koppeling treedt op tussen PCB en referentie-massa, wiens gedistribueerde capaciteit samengesteld is door plaat-capaciteit en natuurlijke capaciteit binnen de kleinste ruimte. Plaat-capaciteit is recht evenredig met de grootte van PCB en omgekeerd evenredig met de afstand tussen PCB en massa. Natuurlijke capaciteit binnen de kleinste ruimte is recht evenredig met de equivalente diameter van geprinte lijnen binnen de PCB. Daarom, ongeacht waar de PCB geplaatst is, zelfs ver van de massa in oneindigheid, bestaat gedistribueerde capaciteit altijd tussen binnenste geprinte lijnen en massa. In een PCB is de gedistribueerde capaciteit van een relatief geïntegreerd GND-vlak naar referentie-massa-bord ongeveer 10pF en de gedistribueerde capaciteit van binnenste geprinte lijnen naar referentie-massa-bord is ongeveer in het bereik van 0,001pF tot 0,1pF of lager. De gedistribueerde capaciteit van geprinte lijnen in het centrum van de PCB is veel lager dan die van geprinte lijnen aan de rand van de PCB.

Koppeling binnen PCB

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

Koppeling binnen PCB bestaat uit capacitieve koppeling en inductieve koppeling, wiens theorie in Figuur 5 wordt weergegeven.

In deze figuur zijn zowel AB als CD parallelle geprinte lijnen met kleine ruimte tussen de twee lijnen. Z₀ verwijst naar de drager van signaallijn 1, terwijl Z₁ en Z₂ respectievelijk verwijzen naar dragers van signaallijn 2. In Figuur 5a, wanneer de piekspanning op de geprinte lijn AB u is, signaal-opstijgtijd is Δt, en hoekfrequentie is ω, is de spanning van Z₂ u_v=[Z₁Z₂/(Z₁+Z₂)]cΔu/Δt. Hoewel c een erg lage waarde heeft, kan de waarde van Δu/dt erg hoog zijn en hun product kan niet vermeden worden. In Figuur 5b, wanneer de piekstroom van signaal op AB I_c is, signaal-opstijgtijd is Δt, en hoekfrequentie is ω, zal de wederzijdse inductantie m tussen 2 geprinte lijnen door CD gaan, waar geïnduceerde spanning u_v=mωi_c is. Hoewel de waarde van m zo klein is, kan signaalfrequentie verhoogd worden. Daarom kan hun product niet vermeden worden.

Als resultaat zijn zowel capacitieve koppeling als inductieve koppeling gerelateerd aan de gedistribueerde parameters c of m van twee parallelle geprinte lijnen. Tijdens PCB-layout kunnen waarden van c en m verlaagd worden door de afstand tussen parallelle lijnen te vergroten. In de praktische schakeling, is capacitieve koppeling verantwoordelijk voor het grootste deel van digitale schakeling en wanneer PCB-vlak niet glad is of sleuf of kraak bestaat, zal inductieve crosstalk meer invloed hebben dan capacitieve crosstalk. Echter, wanneer het oppervlak van de PCB beperkt is, kan crosstalk niet uitsluitend aangepakt worden door de afstand tussen parallelle lijnen te vergroten. Om de kleinste gedistribueerde parameters tussen twee aangrenzende parallelle lijnen te handhaven, moet geïntegreerd vlak-ontwerp in de projectie-opppervlakte gerangschikt worden en het is het beste om massalagen bovenaan en onderaan te hebben.

b. Invloed van scherm-massadraad om crosstalk te verminderen

De graad van crosstalk wordt bepaald door veel elementen zoals signaalfrequentie, signaal-opstijgtijd, afstand tussen signaallijnen, aansturingspoort en elektrische kenmerken van ontvangstpoort en aantal PCB-lagen. Crosstalk kan verlaagd worden door geïntegreerd massavlak onder geprinte lijnen in te stellen en scherm-massadraad kan tussen signalen toegevoegd worden.

In het proces van PCB-layout, kunnen twee aspecten gunstig zijn om crostalk te stoppen. Ten eerste, gevoelige binnen-schakeling en buiten-schakeling moeten gestopt worden. Ten tweede, crosstalk tussen binnen-schakeling of ruis-schakeling en andere signalen moet gestopt worden. In de praktische PCB-layout, moet gedetailleerde test uitgevoerd worden in dezelfde laag of tussen verschillende lagen in PCB om te detecteren of crosstalk-risico bestaat of niet.

Tijdens de procedure van PCB-layout, moeten sommige signaallijnen met hetzelfde attribuut de routing van dezelfde tijd en dezelfde richting met dichtheid volgen. Als de beperking van PCB-ruimte leidt tot het feit dat filtercomponenten niet op dezelfde lijn geplaatst kunnen worden, neigt crosstalk tussen signalen ertoe op te komen. Deze situatie wordt in Figuur 6 hieronder aangegeven.

c. Invloed van scherm-massadraad op randeffect

Wanneer hoog-gevoelige signaallijnen of signaallijnen met hoge du/dt, di/dt langs de PCB-rand gerangschikt zijn, zullen ze meer EMC-risico lijden dan die gerangschikt in het centrum van de PCB. Het is makkelijker voor rand-signaallijnen om hoge-frequente interferentie te ontvangen of buiten-straling door grotere parasitair capaciteit.

Onder de beperking van het oppervlak van de PCB, is het extreem moeilijk om PCB te lay-outen volgens 20H-principes in het ontwerpbestand. "Packet" kan gebruikt worden om interferentie en buiten-straling te verminderen. Packet-lijnen hoeven niet aan specifieke eisen te voldoen zoals dikte en vorm. Gewoonlijk, wanneer een signaallijn te dicht bij de PCB-rand is om koper te beplaatsen, kan een massalijn in het bereik van 7 tot 10mils als scherm toegevoegd worden.

d. Wederzijdse interferentie tussen digitale en analoge schakelingen

Wanneer een PCB hoog-snelheid digitale schakeling en laag-niveau analoge signalen bevat, wordt crosstalk meestal gegenereerd naar analoge signalen door digitale ruis onder slechte PCB-layout. De wederzijdse interferentie tussen digitale en analoge schakelingen wordt veroorzaakt door de volgende redenen. Ten eerste, crosstalk-ruis wordt veroorzaakt door parasitair capaciteit en parasitair inductantie. Ten tweede, de slechte decoupling van voedingsruis en digitale chip-voeding zal leiden tot voedingsruis. Ten derde, massa-impedantie en systeem-massa-plaats veroorzaken ruis. Het ruisprobleem moet in de volgorde van voeding, signaal en massa aangepakt worden.

Nuttige bronnen:

• De meest uitgebreide introductie van EMI en EMC geautomatiseerde tools
• Zorgen voor eerste-keer-succes in PCB EMC-ontwerp
• PCB-partitionerings-ontwerpregels voor EMC-verbetering
• PCB-ontwerp voor radiofrequentie-schakeling en elektromagnetische compatibiliteit
• Drie ontwerpoverwegingen die EMC van laptop PCB garanderen
• Full Feature PCB Manufacturing Service van PCBCart - Meerdere toegevoegde waarde opties
• Advanced PCB Assembly Service van PCBCart - Start vanaf 1 stuk