Optimaliseren van hoogspannings-PCB-routing om EMI-impact te minimaliseren

De nieuwe generaties elektronische technologieën leiden tot toenemende hoge flankensnelheid van componenten. De verbetering van de werksnelheid van de schakeling zorgt voor steeds hogere eisen aan PCB-ontwerp. De kwaliteit van het PCB-ontwerp bepaalt zelfs de werkprestaties van componenten en de hele schakeling. Met name met kosten, PCB-oppervlak en functionaliteit van de complete schakeling in overweging genomen, worden de bronnen van EMI (elektromagnetische interferentie) generatie steeds breder met gecompliceerd mechanisme.

EMI-mechanisme en oplossingen

De hoofdelementen van EMI bevatten elektromagnetische interferentiebron, transmissieroute en geïnterformeerd object. Met elementen die leiden tot het ontstaan van EMI gespecificeerd, is het noodzakelijk te bepalen welke elementen gemakkelijk op te lossen zijn en welke slechts deels kunnen worden opgelost in het PCB-ontwerpproces, zodat ze in aanmerking genomen kunnen worden in het lay-out, routing en grounding proces.

Lay-out

Wat betreft PCB-lay-out, moeten gebieden worden verdeeld volgens verschillende functionaliteiten. Verschillende functionaliteiten worden verdeeld in verschillende gebieden, terwijl bijzondere aandacht moet worden besteed aan gevoelige eenheden in functionele gebieden.

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

a. In hoogspanningscircuits moeten parameters van pinverdeling van componenten worden overwogen en de gedistribueerde capaciteit van componentpennen is essentieel, met name voor hoogspanningskloksignalen. Tegelijkertijd moet gedistribueerde inductie in overweging worden genomen, aangezien het mogelijk leidt tot oscillatie van signalen, wat schakelfunctiefouten veroorzaakt. Daarom moet in het lay-outproces de verdeling met hoge dichtheid worden gerangschikt met leidraadsafstand verlaagd voor toekomstige routing en de invloed van EMI verminderd.

b. Als zowel analoge als elektronische componenten in een schakeling aanwezig zijn, moeten ze in het lay-outproces onafhankelijk worden verdeeld. Aangezien signalen van digitale componenten samengestelde harmonische golven hebben, zal grote invloed worden gegenereerd op analoge signalen. Dus moeten ze met grote zorg worden overwogen.

c. Klokeenheden zijn essentieel in hoogspanningscircuits. Het werkmechanisme van de klokeenheid is eigenlijk equivalent aan een ruisbron, wat betekent dat deze eenheid zal oscilleren wanneer bepaalde voorwaarden zijn vervuld. Als een belangrijke bron van geleidingsinterferentie en stralingsinterferentie, mag de klokeenheid niet aan de rand van de PCB worden geplaatst. Anders zou EMI zo ernstig worden. Het is noodzakelijk om klokeenheden in het midden van de PCB te plaatsen, wat de EMI in schakelingen aanzienlijk kan verminderen.

Routing

In het PCB-routingproces, onder omstandigheden van lage kosten, kan het groundvlak zoveel mogelijk worden vergroot om de invloed van EMI te verminderen. Echter, in de omstandigheid waar kosten strikt moeten worden gecontroleerd, moeten het aantal lagen van de PCB en de stack-volgorde zorgvuldig worden overwogen. Bovendien moeten signaaltypen worden overwogen en routing moet onafhankelijk worden uitgevoerd voor hoogspannings- en laagspanningssignalen. Daarnaast moeten andere elementen worden overwogen, waaronder bron van ruis en hoe ruisonderdrukking te versterken, impedance-matchingkwesties (hoogspanningssignalen zonder geschikte matching zullen zeker leiden tot reflectie van signalen en de betrouwbaarheid van schakelingen verminderen), en netlijst.

a. Basisprincipes van routing

De algemene principes die in routing worden gevolgd, omvatten:

1). In routing moeten breukpunten worden vermeden, wat betekent dat rechte hoeken moeten worden vermeden, zoals getoond in Figuur 1 hieronder.

Aangezien een rechte hoek mogelijk kan leiden tot reflectie, moet het knikpunt soepel worden ontworpen om dit fenomeen te vermijden. Tegelijkertijd mogen sleutelsignalen niet verder gaan dan verdeelde gebieden, of EMI zal direct worden versterkt. De meest voorkomende signaalomleiding is om verschillende voedingverdeelde gebieden te kruisen.

2). In het lay-outproces moeten analoge en digitale componenten van elkaar gescheiden worden, wat betekent dat hun routings gescheiden moeten worden. Tegelijkertijd moeten de breedte van ground-draden en voedingsdraden worden vergroot met de algemene regel dat de breedte van ground-draden groter is dan die van voedingsdraden, die groter is dan die van signaaldraden. Bovendien moeten 3W-principes volledig in overweging worden genomen bij de routing van signaaldraden, terwijl voor meerlagige borden het 20H-principe op interne lagen moet worden overwogen. De voltooiing van het bovenstaande werk is in staat om 70% van EMI te vermijden. Wat betreft analoge gevoelige draden, kunnen maatregelen worden geïmplementeerd zoals grounding.

3). Voor de routing van USB 2.0 of andere hoogspanningsdifferentiële lijnen, moet gekoppelde routing worden toegepast en de integriteit van het referentieoppervlak tussen differentiële paren moet worden gewaarborgd. Aangezien differentiële paren over het algemeen hoogspanningssignalen zijn, mag routing niet aan de rand van de PCB worden gerangschikt.

b. Lussen

Lussen kunnen nooit in PCB-ontwerp worden vermeden. Lussen worden gevormd van signalen die uitstromen naar instromen en elk van de lussen speelt een rol als een antenne in functionaliteit. Om EMI in PCB te verminderen, moeten zowel het aantal lussen als de antennecapaciteit van lussen worden verlaagd. Dit betekent dat de stroomrichting van elk signaal in PCB-ontwerp bekend moet zijn en het lusoppervlak voor hoogspanningssignalen moet worden verkleind.

In schakelingen liggen de meest voorkomende lussen in voedingslussen die worden gevormd door ontkoppelcondensator, zoals getoond in Figuur 2.

Als de ontkoppelcondensator wordt geplaatst zoals het linkerdiagram in Figuur 2, zullen relatief grote stroomlussen worden gegenereerd met duidelijke EMI-fenomenen. Integen, in het rechterdiagram van Figuur 2 waarin de ontkoppelcondensator dicht bij de chip wordt geplaatst, wordt een extreem kleine ontkoppellus gegenereerd met een hoofdfunctionaliteit van EMI-reductie. De principes die moeten worden gevolgd om lussen te verminderen, worden weergegeven:

1). Er wordt slechts één pad gegarandeerd tussen twee punten op elke signaallijn.

2). Groundvlak moet worden toegepast zonder blokkade in signaallussen gewaarborgd.

c. Ground-draden van PCB

1). Verschillen moeten worden verduidelijkt tussen digitale ground, analoge ground en systeem-schildground in het PCB-groundingsysteem. Magnetische kralen en condensator worden toegepast om digitale ground en analoge ground te scheiden en digitale ground en veldground moeten direct worden verbonden.
2). Indien toelaatbaar, moeten ground-draden in PCB worden verbreed.
3). Gesloten circuits vormen door ground-draden, zodat anti-interferentiecapaciteit wordt versterkt en elektrisch potentiaalverschil tussen systemen wordt verminderd.

Filterontwerp

In hoogspannings-PCB's kan filterverwerking worden geïmplementeerd op voedingsdraden en signaaldraden. De veelvoorkomende maatregelen omvatten toevoeging van magnetische filtercomponenten, EMI-filter en ontkoppelcondensator.

a. Selectie van ontkoppelcondensator

1). In een schakeling helpt de ontkoppelcondensator de voeding glad te maken en de anti-interferentiecapaciteit te versterken. Over het algemeen wordt keramische condensator gekozen als ontkoppelcondensator vanwege de hoge stabiliteit, hoge nauwkeurigheid, klein volume en lage ESR (Equivalente Serie-weerstand). In schakelontwerp wordt de weerstandswaarde gekozen in het bereik van 1 µF tot 100 µF, terwijl de capaciteit om spanning te weerstaan moet worden overwogen volgens schakelingen.
2). De ontkoppelcondensator moet dicht bij componenten worden geplaatst.

b. Selectie van magnetische componenten

Magnetische componenten kunnen worden geclassificeerd in spoel en magnetische kralen. Over het algemeen wordt spoel gekozen aan het einde van de voedingsterminal, terwijl magnetische kralen tussen signaallijnen. In het selectieproces van componenten moeten de verzadigingsparameters in overweging worden genomen. Eenmaal magnetische componenten verzadigd raken, zullen ze verbranden. Verder moeten zowel kwaliteit als DCR-parameters van magnetische componenten worden overwogen.

Algemeen gebruikte maatregel tussen signaallijnen ligt in de toepassing van magnetische kralen op seriële lijnen om EMI-capaciteit te versterken.

c. Selectie van EMI-filter

Het gebied met ernstige common-mode interferentie ligt in de plek met voeding in en signaallijnen uit. Gewone maatregelen om common-mode interferentie te vermijden omvatten de toevoeging van common-mode spoel, piezo-weerstand, LC-schakeling en specifiek EMI-filter. In hoogspanningscircuits moet het EMI-probleem worden overwogen voor de hoogspanningstransmissie op digitale interfaces zoals USB en HDMI.

Signaalreflectie

In signaaltransmissie wordt de energie aan de bronterminaal altijd verwacht te worden getransporteerd naar de belastingterminaal, wat betekent dat ZL gelijk moet zijn aan Z₀. Als ze niet gelijk zijn aan elkaar, zal een deel van de energie worden gereflecteerd.

Als de transmissievertraging van lijnen relatief lang is, zullen sterkere signalen terug worden gereflecteerd naar de bronterminaal. Dan moet een relatief grote hoeveelheid worden gewijzigd voor compensatie wanneer ringing wordt gegenereerd, wat in Figuur 5 hieronder wordt getoond.

Wanneer ringing plaatsvindt bij signalen, bereikt EMI de piek van ernst. Om zo'n fenomeen in PCB-ontwerp te vermijden, volgt u de principes in Tabel 1.

EMI-test

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

EMI-test omvat testmethode, apparaten en testpositie. Testmethoden moeten worden uitgevoerd met referentie van alle items. Als apparaten de standaard niet halen, kan een spectrometer worden toegepast voor kwalitatieve test. Als specifieke EMI-waarde van apparaten vereist is, moeten professionele apparaten worden toegepast. Wat betreft testpositie, is het het beste om de test in een donkere kamer uit te voeren.

Nuttige bronnen
• Can't-Miss Engineer-Friendly PCB Lay-out Richtlijnen
• Onderzoek naar hoogspannings-PCB-ontwerp in embedded toepassingssysteem
• De meest uitgebreide inleiding van EMI en EMC geautomatiseerde tools
• 5 tips voor auto-circuitontwerp om EMI te verslaan
• Volledige PCB-fabricagedienst van PCBCart - Meerdere waarde-toevoegende opties
• Geavanceerde PCB-assemblagedienst van PCBCart - Vanaf 1 stuk