Piirilevysuunnittelussa sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) ja siihen liittyvät sähkömagneettiset häiriöt (EMI) ovat perinteisesti olleet kaksi suurta päänsärkyä insinööreille. Erityisesti nykypäivän piirilevysuunnittelu ja komponenttipaketit kutistuvat edelleen, OEM-valmistajat vaativat nopeampia järjestelmiä.Tässä artikkelissa kerron kuinka välttää sähkömagneettiset ongelmat piirilevyjen suunnittelussa.
1. Ylikuuluminen ja kohdistus ovat keskiössä
Kohdistus on erityisen tärkeää oikean virrankulun varmistamiseksi.Jos virta tulee oskillaattorista tai muusta vastaavasta laitteesta, on erityisen tärkeää pitää virta erillään maakerroksesta tai estää virtaa kulkemasta rinnakkain muun linjauksen kanssa.Kaksi nopeaa signaalia rinnakkain voivat tuottaa EMC:n ja EMI:n, erityisesti ylikuulumisen.On tärkeää pitää vastusten reitit mahdollisimman lyhyinä ja paluuvirtareitit mahdollisimman lyhyinä.Paluutien pituuden tulee olla sama kuin lähetystien pituus.
EMI:lle yhtä polkua kutsutaan "rikkomuspoluksi" ja toista "uhripoluksi".Induktiivinen ja kapasitiivinen kytkentä vaikuttaa "uhrin" polkuun sähkömagneettisten kenttien läsnäolon vuoksi, mikä synnyttää eteenpäin ja taaksepäin virtoja "uhripolulle".Tällä tavalla aaltoilu syntyy vakaassa ympäristössä, jossa signaalin lähetys- ja vastaanottopituudet ovat lähes samat.
Hyvin tasapainotetussa ympäristössä, jossa on vakaat kohdistukset, indusoituneiden virtojen tulisi kumota toisensa, mikä eliminoi ylikuulumisen.Olemme kuitenkin epätäydellisessä maailmassa, jossa tällaista ei tapahdu.Siksi tavoitteemme on, että ylikuuluminen on pidettävä mahdollisimman vähäisenä kaikissa kohdistuksissa.Ylikuulumisen vaikutus voidaan minimoida, jos yhdensuuntaisten viivojen välinen leveys on kaksi kertaa viivojen leveys.Jos viivan leveys on esimerkiksi 5 mailia, kahden yhdensuuntaisen viivan välisen vähimmäisetäisyyden tulee olla vähintään 10 mailia.
Kun uusia materiaaleja ja komponentteja ilmaantuu jatkuvasti, piirilevysuunnittelijoiden on myös jatkettava EMC- ja häiriöongelmien käsittelyä.
2. Irrotuskondensaattorit
Erottavat kondensaattorit vähentävät ylikuulumisen ei-toivottuja vaikutuksia.Ne tulee sijoittaa laitteen virta- ja maadoitusnastan väliin, mikä varmistaa alhaisen vaihtovirtaimpedanssin ja vähentää kohinaa ja ylikuulumista.Pienen impedanssin saavuttamiseksi laajalla taajuusalueella tulisi käyttää useita erotuskondensaattoreita.
Tärkeä periaate erotuskondensaattorien sijoittamisessa on, että pienimmän kapasitanssiarvon omaava kondensaattori sijoitetaan mahdollisimman lähelle laitetta induktiivisten vaikutusten vähentämiseksi kohdistuksissa.Tämä tietty kondensaattori tulee sijoittaa mahdollisimman lähelle laitteen virtalähteen nastaa tai virtalähdettä ja kondensaattorin tyynyt tulee kytkeä suoraan läpivienteihin tai maatasoon.Jos kohdistus on pitkä, käytä useita läpivientejä maadoitusimpedanssin minimoimiseksi.
3. Piirilevyn maadoitus
Tärkeä tapa vähentää EMI:tä on suunnitella piirilevyn maadoituskerros.Ensimmäinen askel on tehdä maadoitusalueesta mahdollisimman suuri piirilevyn kokonaispinta-alalla, jotta päästöjä, ylikuulumista ja melua voidaan vähentää.Erityistä varovaisuutta on noudatettava liitettäessä jokainen komponentti maadoituspisteeseen tai maadoituskerrokseen, jota ilman luotettavan maadoituskerroksen neutraloivaa vaikutusta ei voida täysin hyödyntää.
Erityisen monimutkaisessa piirilevyrakenteessa on useita vakaita jännitteitä.Ihannetapauksessa jokaisella vertailujännitteellä on oma vastaava maadoituskerros.Liian monta maadoituskerrosta kuitenkin nostaisi piirilevyn valmistuskustannuksia ja tekisi siitä liian kalliita.Kompromissi on käyttää maadoituskerroksia kolmesta viiteen eri paikkaan, joista jokainen voi sisältää useita maadoitusosia.Tämä ei ainoastaan hallitse levyn valmistuskustannuksia, vaan myös vähentää EMI:tä ja EMC:tä.
Matalan impedanssin maadoitusjärjestelmä on tärkeä, jos EMC halutaan minimoida.Monikerroksisessa piirilevyssä on parempi käyttää luotettavaa maadoituskerrosta kuparitasapainolohkon (kuparivarkaus) tai hajallaan olevan maadoituskerroksen sijaan, koska sillä on alhainen impedanssi, se tarjoaa virtapolun ja on paras käänteisten signaalien lähde.
Aika, jonka kuluessa signaali palaa maahan, on myös erittäin tärkeä.Aika, joka kuluu signaalin kulkeutumiseen lähteeseen ja lähteestä, on oltava vertailukelpoinen, muuten tapahtuu antennin kaltainen ilmiö, jolloin säteilevä energia voi tulla osaksi EMI:tä.Vastaavasti virran kohdistuksen signaalilähteeseen/signaalilähteestä tulee olla mahdollisimman lyhyt, jos lähde- ja paluupolut eivät ole yhtä pitkiä, tapahtuu maan pomppimista ja tämä myös synnyttää EMI:n.
4. Vältä 90° kulmia
EMI:n vähentämiseksi on vältettävä kohdistusta, läpivientiä ja muita komponentteja muodostamasta 90° kulma, koska suora kulma tuottaa säteilyä.90° kulman välttämiseksi linjauksen tulee olla vähintään kaksi 45° kulmassa olevaa johtoa kulmaan.
5. Ylireiän käytön tulee olla varovainen
Lähes kaikissa piirilevyasetteluissa on käytettävä läpivientiä johtavan yhteyden muodostamiseksi eri kerrosten välille.Joissakin tapauksissa ne tuottavat myös heijastuksia, koska ominaisimpedanssi muuttuu, kun läpivientiä luodaan kohdistukseen.
On myös tärkeää muistaa, että läpiviennit pidentävät kohdistuksen pituutta ja ne on sovitettava.Differentiaalisten kohdistusten tapauksessa läpivientiä tulee välttää mahdollisuuksien mukaan.Jos tätä ei voida välttää, molemmissa kohdistuksissa tulisi käyttää läpivientiä signaali- ja paluupolun viiveiden kompensoimiseksi.
6. Kaapelit ja fyysinen suojaus
Digitaalisia piirejä ja analogisia virtoja kuljettavat kaapelit voivat tuottaa loiskapasitanssia ja induktanssia, mikä aiheuttaa monia EMC-ongelmia.Jos käytetään kierrettyä parikaapelia, kytkentä pysyy alhaisena ja syntyneet magneettikentät eliminoidaan.Suurtaajuuksisille signaaleille on käytettävä suojattuja kaapeleita, joiden etu- ja takaosa on maadoitettu EMI-häiriöiden poistamiseksi.
Fyysinen suojaus on koko järjestelmän tai sen osan koteloimista metallipakkaukseen, jotta EMI ei pääse piirilevyyn.Tämä suojaus toimii kuin suljettu, maadoituskondensaattori, joka pienentää antennisilmukan kokoa ja vaimentaa EMI:tä.
Postitusaika: 23.11.2022