Effectieve PCB-partitioneringsregels voor verbeterde EMC

EMC, kort voor Elektromagnetische Compatibiliteit, verwijst naar een coëxistentietoestand waarin elektronische apparaten in staat zijn hun eigen functies uit te voeren in dezelfde elektromagnetische omgeving. Eenvoudig gezegd: EMC zorgt ervoor dat elektronische apparaten onafhankelijk en normaal kunnen werken zonder onderlinge storing, wat betekent dat ze in het hele systeem compatibel zijn met elkaar. Omdat EMC bereikt wordt door EMI (Elektromagnetische Storing) te controleren, ontstaat het samen met een reeks studies over EMI, zoals de introductie van EMI, onderzoek naar EMI, anti-EMI-oplossingen en EMI-beheer.

Fundamentele beginselen van EMC

Om storingen tussen digitale en analoge signalen te verminderen, moet u eerst twee fundamentele beginselen van EMC kennen:
Beginsel 1: De lusoppervlakte van de schakeling moet geminimaliseerd worden.
Beginsel 2: In een systeem mag slechts één referentievlak worden toegepast.

Wanneer beginsel 1 niet wordt nageleefd en signalen een grote lusoppervlakte moeten doorlopen, ontstaat er een grote lusantenne. Wanneer beginsel 2 faalt en er twee referentievlakken beschikbaar zijn, ontstaat een dipoolantenne. Geen van beide resultaten is wenselijk.

Regels en toepassingen voor partitionering van mixed-signal PCB's

Het wordt aangeraden de digitale en analoge massa op dezelfde mixed-signal printplaat te scheiden om isolatie te bereiken. Hoewel deze oplossing haalbaar is, ontstaan er in de praktijk veel latente problemen, vooral in grootschalige systemen. Het kernprobleem ligt in het feit dat routing niet kan worden ingesteld over de scheiding tussen digitale en analoge massa. Als routing wél over de split wordt gelegd, stijgt de elektromagnetische straling en signaaloverspraak drastisch. Het meest voorkomende probleem in PCB-ontwerp is EMI-door signalen die gesplitste massa of voeding kruisen.

Figuur 1 hieronder toont de bovengenoemde situatie.

Op basis van deze splitmethode moeten signaallijnen de scheiding tussen digitale en analoge massa kruisen. Hoe ziet de terugkeerkring van het signaal eruit? Stel dat de twee gesplitste massapunten op één punt met elkaar verbonden zijn; dan ontstaat er een grote lus door de massakring. Hoogfrequente stroom die door deze grote lus vloeit, leidt tot een grote lus met hoge massacapaciteit en straling. Als laagniveau analoge stroom door de grote lus vloeit, wordt het gemakkelijk gestoord door externe signalen. De ergste situatie ontstaat wanneer gesplitste massa met voeding is verbonden: er ontstaat een extrem grote stroomlus. Bovendien ontstaat een dipoolantenne wanneer analoge en digitale massa via een lange aansluiting met elkaar verbonden zijn. Ingenieurs moeten daarom de weg en methode van de terugkeerkring kennen bij mixed-signal PCB-optimalisatie. Veel ingenieurs kijken echter alleen naar de stroomrichting van het signaal zonder rekening te houden met het specifieke pad van de kring. Als het massavlak gesplitst moet worden en routing over de split moet lopen, kan eerst een enkelpuntverbinding tussen de twee gesplitste massapunten worden gemaakt met een brug, zodat er een directe-stroom terugkeerkring onder elke signaallijn ontstaat met een kleine lusoppervlakte, zoals aangegeven in Figuur 2.

De toepassing van optische isolatiecomponenten of transformators kan ook signalen over de split laten lopen. Bij optische isolatie zijn het optische signalen die de split overbruggen; bij transformators is het het magnetische veld. Een andere toepasbare methode is het gebruik van differentiële signalen: het signaal vloeit in de ene lijn en keert via de andere terug, waardoor geen massa als terugkeerpad nodig is.

Toepassingsomstandigheden voor split-partitionering

Split-partitionering kan in de volgende drie omstandigheden worden toegepast:
Omstandigheid 1: Sommige medische apparatuur vereist een lage lekkagestroom tussen de met patiënten verbonden schakeling en het systeem.
Omstandigheid 2: Ingang van sommige industriële procescontrole-apparatuur kan verbonden zijn met elektromechanische apparaten met hoge ruis en vermogen.
Omstandigheid 3: De PCB-layout ondervindt bepaalde beperkingen.

Onafhankelijke digitale en analoge voedingen zijn doorgaans beschikbaar op mixed-signal PCB's en gesplitste voedingsvlakken kunnen en moeten worden gebruikt. Signaallijnen dicht bij voedingsvlakken mogen echter niet de split tussen voedingen kruisen; alle signalen die deze split kruisen, moeten angrenzen aan geleidingsvlakken met grote oppervlakte. In sommige situaties kunnen splitproblemen met voedingsvlakken worden vermeden door de analoge voeding te ontwerpen als PCB-aansluitdraden in plaats van een vlak.

Methode voor massavlak-layout en toepassingen van mixed-signal PCB

Om de reststoring van digitale signalen op analoge signalen te bespreken, moeten eerst de eigenschappen van hoogfrequente stroom begrepen worden. Hoogfrequente stroom volgt altijd het pad met de laagste impedantie (laagste inductie) en ligt direct onder de signalen. De terugkeerkring zal dus altijd via het omringende schakelvlak lopen, of dit nu een voedingsvlak of massavlak is. In de praktijk wordt het massavlak vaak gebruikt, met de printplaat gepartitioneerd in een analoge en een digitale sectie. Analog signalen worden in de analoge secties van alle vlakken gelegd, digitale signalen in het digitale schakelgebied. Alleen als digitale signaallayout boven de analoge sectie wordt uitgevoerd of analoge signaallayout boven de digitale sectie, ontstaat er storing van digitale signalen op analoge signalen.

Dergelijke problemen ontstaan niet door het ontbreken van een gesplitste massa, maar door ongeschikte layout van digitale signalen. Bij PCB-ontwerp helpen massavlaktoepassing, partitionering in digitale en analoge schakelingen en redelijke signaallayout meestal om moeilijke layout- en partitioneringsproblemen op te lossen. Bovendien kunnen potentiële problemen door gesplitste massa worden vermeden. Componentlayout en partitionering zijn daarmee de sleutelfactoren die de kwaliteit van het PCB-ontwerp bepalen. Als layout en partitionering geschikt zijn, blijft de stroom in de digitale massa beperkt tot de digitale sectie, waardoor analoge signalen niet worden gestoord. De layout voor zo'n situatie moet zorgvuldig worden geïnspecteerd en gecontroleerd om te waarborgen dat de layoutregels volledig worden nageleefd. Anders kan zelfs een ongeschikte signaallijnlayout het hele printplaat ontwerp laten mislukken.

Wanneer de analoge en digitale massapinnen van een A/D-converter samen verbonden zijn, adviseren de meeste A/D-converterfabrikanten om de AGND- en DGND-pinnen met dezelfde lage-impedantie massa te verbinden via zo kort mogelijke aansluitingen. Dit omdat die pinnen in de meeste A/D-converter IC's niet intern verbonden zijn; elke externe impedantie die met DGND verbonden is, koppelt meer digitaal ruis naar de analoge schakeling binnen de IC via parasitaire capaciteit. Beide AGND- en DGND-pinnen van de A/D-converter moeten dus met de analoge massa verbonden worden. Dit roept echter de vraag op of de analoge of digitale massa verbonden moet worden met de aarding van de decouplingcondensator van de digitale signalen.

In een systeem met één A/D-converter kan dit probleem eenvoudig worden opgelost. Met gesplitste massa worden de analoge en digitale massasecties onder de A/D-converter verbonden. Bij deze methode moet de brug tussen de twee massapunten zo breed zijn als de IC en mag geen signaallijn de split kruisen.

In een systeem met meerdere A/D-converters, bijvoorbeeld 10, hoe moeten we verbinden? Als we dezelfde oplossing volgen – analoge en digitale massa onder elke A/D-converter verbinden – ontstaat multipuntverbinding, waardoor de isolatie tussen analoge en digitale massa zinloos wordt. Als we niet zo verbinden, wordt de eis van de fabrikant niet vervuld. De optimale oplossing is een uniform massa, onderverdeeld in analoge en digitale secties. Deze layout voldoet niet alleen aan de eis van IC-fabrikanten voor lage impedantie tussen analoge en digitale massa, maar vermijdt ook EMC-problemen zoals lus- of dipoolantennes.

Als ingenieurs twijfelen over uniforme massa in PCB-ontwerp, kan de layout gebaseerd worden op de gesplitste massa-methode. Tijdens het ontwerp moet de printplaat toegankelijk zijn voor een draadbrug of 0-ohm weerstand van minder dan 0,5 inch om de gesplitste massa te verbinden. Er moet veel aandacht gaan naar partitionering en layout om te waarborgen dat geen digitale signaallijnen boven de analoge sectie liggen en vice versa. Bovendien mag geen signaallijn de massasplit of de scheiding van voedingen kruisen. Om de PCB-functies en EMC te testen, moeten de twee massapunten via een 0-ohm weerstand of draadbrug verbonden worden en vervolgens opnieuw getest worden. Resultaatvergelijking toont dat in alle gevallen de uniforme massa-oplossing beter is dan de gesplitste massa-oplossing wat betreft functionaliteit en EMC.

Mixed-signal PCB-ontwerp is een complex proces. Een PCB moet worden gepartitioneerd in onafhankelijke analoge en digitale secties, met de A/D-converter over de secties heen geplaatst. Om analoge en digitale voedingen te scheiden, mag de split tussen geïsoleerde voedingsvlakken niet gekruist worden; signaallijnen die wél gekruist moeten worden, moeten op de schakellaag gelegd worden die angrenzend is aan een grootvlak. De stroom van de terugkeerkring en hoe deze vloeit, moet worden geanalyseerd, zodat geschikte componentlayout en correcte layoutregels worden nageleefd. In alle lagen van een printplaat mogen digitale signalen alleen in digitale secties worden gelegd, terwijl analoge signalen alleen in analoge secties mogen worden gelegd.

PCBCart biedt complete PCB-fabricage en assembly

Heeft u een PCB-ontwerp voltooid en heeft u hulp nodig om het om te zetten in een echte printplaat? Neem dan gerust contact met ons op voor een oplossing. Wij hebben meer dan tien jaar ervaring in custom PCB-fabricage. Wij beschikken over alle expertise om uw PCB's met alle gewenste functies snel en kosteneffectief te produceren.

Nuttige bronnen

• De meest uitgebreide introductie van EMI en EMC geautomatiseerde tools
• Eerste-keer-succes garanderen in PCB EMC-ontwerp
• PCB-layout invloed op EMC-prestaties van elektronische producten
• Problemen van EMC-technologie toepassing in PCB-ontwerp van elektronische apparaten en strategieën