При проектировании печатных плат электромагнитная совместимость (ЭМС) и связанные с ней электромагнитные помехи (EMI) традиционно были двумя основными головными болями для инженеров, особенно в современных конструкциях печатных плат и комплектах компонентов, которые продолжают сокращаться, OEM-производителям требуются более быстродействующие системы.В этой статье я расскажу, как избежать электромагнитных проблем при проектировании печатных плат.
1. В центре внимания перекрестные помехи и выравнивание
Выравнивание особенно важно для обеспечения правильного прохождения тока.Если ток исходит от генератора или другого подобного устройства, особенно важно держать ток отдельно от слоя земли или не допускать протекания тока параллельно с другим выравниванием.Два высокоскоростных сигнала параллельно могут создавать ЭМС и ЭМП, особенно перекрестные помехи.Важно, чтобы пути резисторов были как можно короче, а пути обратного тока - как можно короче.Длина обратного пути должна быть такой же, как длина пути передачи.
В EMI один путь называется «путь нарушения», а другой — «путь жертвы».Индуктивная и емкостная связь воздействует на путь «жертвы» из-за присутствия электромагнитных полей, создавая тем самым прямые и обратные токи на «пути жертвы».Таким образом, пульсация генерируется в стабильной среде, где длины передачи и приема сигнала почти равны.
В хорошо сбалансированной среде со стабильным выравниванием индуцированные токи должны нейтрализовать друг друга, устраняя тем самым перекрестные помехи.Однако мы живем в несовершенном мире, где такого не происходит.Поэтому наша цель состоит в том, чтобы перекрестные помехи были сведены к минимуму для всех выравниваний.Эффект перекрестных помех можно свести к минимуму, если ширина между параллельными линиями в два раза превышает ширину линий.Например, если ширина линии составляет 5 милов, минимальное расстояние между двумя параллельными линиями должно составлять 10 милов или больше.
Поскольку новые материалы и компоненты продолжают появляться, разработчики печатных плат также должны продолжать решать проблемы ЭМС и помех.
2. Развязывающие конденсаторы
Развязывающие конденсаторы уменьшают нежелательные эффекты перекрестных помех.Они должны располагаться между выводами питания и заземления устройства, что обеспечивает низкое сопротивление переменного тока и снижает шумы и перекрестные помехи.Для достижения низкого импеданса в широком диапазоне частот следует использовать несколько развязывающих конденсаторов.
Важным принципом размещения развязывающих конденсаторов является то, что конденсатор с наименьшим значением емкости размещается как можно ближе к устройству, чтобы уменьшить индуктивные воздействия на выравнивания.Этот конкретный конденсатор должен быть размещен как можно ближе к контактам источника питания устройства или дорожке канала питания, а площадки конденсатора должны быть подключены непосредственно к переходным отверстиям или уровню земли.Если выравнивание длинное, используйте несколько переходных отверстий, чтобы минимизировать сопротивление заземления.
3. Заземление печатной платы
Важным способом снижения электромагнитных помех является проектирование слоя заземления печатной платы.Первый шаг — сделать площадь заземления как можно большей в пределах общей площади печатной платы, чтобы можно было уменьшить выбросы, перекрестные помехи и шум.Особую осторожность необходимо соблюдать при подключении каждого компонента к точке заземления или заземляющему слою, без чего нейтрализующий эффект надежного заземляющего слоя не может быть полностью использован.
Особенно сложная конструкция печатной платы имеет несколько стабильных напряжений.В идеале каждому опорному напряжению соответствует свой заземляющий слой.Однако слишком большое количество слоев заземления приведет к увеличению затрат на производство печатной платы и сделает ее слишком дорогой.Компромиссом является использование слоев заземления в трех-пяти разных местах, каждый из которых может содержать несколько секций заземления.Это не только контролирует стоимость производства платы, но также снижает электромагнитные и электромагнитные помехи.
Система заземления с низким импедансом важна, если необходимо свести к минимуму ЭМС.В многослойной печатной плате предпочтительнее иметь надежный заземляющий слой, а не медный балансный блок (медный вор) или рассеянный заземляющий слой, поскольку он имеет низкий импеданс, обеспечивает путь тока и является лучшим источником обратных сигналов.
Время, необходимое сигналу для возвращения на землю, также очень важно.Время, необходимое сигналу для прохождения к источнику и от него, должно быть сопоставимым, в противном случае произойдет антенноподобное явление, позволяющее излучаемой энергии стать частью электромагнитных помех.Аналогичным образом, направление тока к/от источника сигнала должно быть как можно более коротким. Если пути источника и возврата не имеют одинаковой длины, произойдет отскок земли, что также приведет к возникновению электромагнитных помех.
4. Избегайте углов 90°.
Чтобы уменьшить электромагнитные помехи, следует избегать выравнивания, переходных отверстий и других компонентов под углом 90°, поскольку прямой угол будет генерировать излучение.Чтобы избежать угла 90°, выравнивание должно производиться как минимум двумя проводами под углом 45° к углу.
5. При использовании отверстия необходимо быть осторожным.
Почти во всех разводках печатных плат необходимо использовать переходные отверстия для обеспечения проводящего соединения между различными слоями.В некоторых случаях они также вызывают отражения, поскольку характеристическое сопротивление изменяется при создании переходных отверстий при выравнивании.
Также важно помнить, что переходные отверстия увеличивают длину выравнивания и их необходимо совместить.В случае дифференциального выравнивания следует по возможности избегать переходных отверстий.Если этого нельзя избежать, в обоих расположениях следует использовать переходные отверстия для компенсации задержек в сигнальном и обратном путях.
6. Кабели и физическая защита
Кабели, по которым проходят цифровые цепи и аналоговые токи, могут создавать паразитную емкость и индуктивность, вызывая множество проблем, связанных с ЭМС.При использовании кабелей витой пары сохраняется низкий уровень связи и устраняются генерируемые магнитные поля.Для высокочастотных сигналов необходимо использовать экранированные кабели с заземлением как спереди, так и сзади, чтобы исключить электромагнитные помехи.
Физическое экранирование — это помещение всей или части системы в металлический корпус для предотвращения проникновения электромагнитных помех в схему печатной платы.Это экранирование действует как закрытый заземляющий конденсатор, уменьшая размер антенного контура и поглощая электромагнитные помехи.
Время публикации: 23 ноября 2022 г.