Bij PCB-ontwerp zijn elektromagnetische compatibiliteit (EMC) en de daarmee samenhangende elektromagnetische interferentie (EMI) van oudsher twee grote problemen voor ingenieurs, vooral in de huidige printplaatontwerpen en componentenpakketten blijven krimpen, hebben OEM's systemen met hogere snelheden nodig.In dit artikel zal ik vertellen hoe je elektromagnetische problemen bij het PCB-ontwerp kunt voorkomen.
1. Overspraak en afstemming staan centraal
Uitlijning is vooral belangrijk om de juiste stroomstroom te garanderen.Als de stroom afkomstig is van een oscillator of een ander soortgelijk apparaat, is het bijzonder belangrijk om de stroom gescheiden te houden van de aardlaag, of om te voorkomen dat de stroom parallel loopt met een andere uitlijning.Twee parallelle hogesnelheidssignalen kunnen EMC en EMI genereren, vooral overspraak.Het is belangrijk om de weerstandspaden zo kort mogelijk en de retourstroompaden zo kort mogelijk te houden.De lengte van het retourpad moet hetzelfde zijn als de lengte van het zendpad.
Voor EMI wordt het ene pad het ‘schendingspad’ genoemd en het andere het ‘slachtofferpad’.Inductieve en capacitieve koppeling beïnvloedt het ‘slachtofferpad’ vanwege de aanwezigheid van elektromagnetische velden, waardoor voorwaartse en tegengestelde stromen op het ‘slachtofferpad’ worden gegenereerd.Op deze manier wordt rimpel gegenereerd in een stabiele omgeving waar de zend- en ontvangstlengten van het signaal vrijwel gelijk zijn.
In een goed gebalanceerde omgeving met stabiele uitlijningen zouden de geïnduceerde stromen elkaar moeten opheffen, waardoor overspraak wordt geëlimineerd.We bevinden ons echter in een onvolmaakte wereld waarin zoiets niet gebeurt.Daarom is ons doel dat overspraak voor alle uitlijningen tot een minimum moet worden beperkt.Het effect van overspraak kan worden geminimaliseerd als de breedte tussen parallelle lijnen tweemaal de breedte van de lijnen is.Als de lijnbreedte bijvoorbeeld 5 mil is, moet de minimale afstand tussen twee parallelle lijnen 10 mil of groter zijn.
Omdat er steeds nieuwe materialen en componenten verschijnen, moeten PCB-ontwerpers ook blijven omgaan met EMC- en interferentieproblemen.
2. Ontkoppelcondensatoren
Ontkoppelcondensatoren verminderen de ongewenste effecten van overspraak.Ze moeten zich tussen de stroom- en aardingspinnen van het apparaat bevinden, wat zorgt voor een lage AC-impedantie en ruis en overspraak vermindert.Om een lage impedantie over een breed frequentiebereik te bereiken, moeten meerdere ontkoppelcondensatoren worden gebruikt.
Een belangrijk principe voor het plaatsen van ontkoppelcondensatoren is dat de condensator met de laagste capaciteitswaarde zo dicht mogelijk bij het apparaat wordt geplaatst om inductieve effecten op de uitlijning te verminderen.Deze specifieke condensator moet zo dicht mogelijk bij de voedingspinnen van het apparaat of de voedingsbaan worden geplaatst en de pads van de condensator moeten rechtstreeks op de via's of op aarde worden aangesloten.Als de uitlijning lang is, gebruik dan meerdere via's om de aardimpedantie te minimaliseren.
3. Aarding van de printplaat
Een belangrijke manier om EMI te verminderen is het ontwerpen van de aardingslaag van de PCB.De eerste stap is om het aardingsgebied zo groot mogelijk te maken binnen het totale oppervlak van de printplaat, zodat emissies, overspraak en ruis kunnen worden verminderd.Er moet bijzondere zorg worden besteed aan het aansluiten van elk onderdeel op een aardpunt of aardingslaag. Zonder deze middelen kan het neutraliserende effect van een betrouwbare aardingslaag niet volledig worden benut.
Een bijzonder complex PCB-ontwerp heeft verschillende stabiele spanningen.Idealiter heeft elke referentiespanning zijn eigen overeenkomstige aardingslaag.Te veel aardingslagen zouden echter de productiekosten van de PCB verhogen en deze te duur maken.Een compromis is het gebruik van aardingslagen op drie tot vijf verschillende locaties, die elk meerdere aardingssecties kunnen bevatten.Dit beheerst niet alleen de productiekosten van het bord, maar vermindert ook EMI en EMC.
Een aardingssysteem met lage impedantie is belangrijk als u EMC wilt minimaliseren.In een meerlaagse PCB verdient het de voorkeur om een betrouwbare aardingslaag te hebben in plaats van een koperen balansblok (koperdiefstal) of een verspreide aardingslaag, omdat deze een lage impedantie heeft, een stroompad biedt en de beste bron van omgekeerde signalen is.
De tijdsduur die het signaal nodig heeft om terug te keren naar de grond is ook erg belangrijk.De tijd die het signaal nodig heeft om van en naar de bron te reizen moet vergelijkbaar zijn, anders zal er een antenne-achtig fenomeen optreden, waardoor de uitgestraalde energie onderdeel kan worden van de EMI.Op dezelfde manier moet de uitlijning van de stroom naar/van de signaalbron zo kort mogelijk zijn. Als de bron- en retourpaden niet even lang zijn, zal aardstuiteren optreden en dit zal ook EMI genereren.
4. Vermijd hoeken van 90°
Om EMI te verminderen, moet worden vermeden dat de uitlijning, via's en andere componenten een hoek van 90° vormen, omdat een rechte hoek straling zal genereren.Om een hoek van 90° te voorkomen, moeten bij de uitlijning minimaal twee kabels met een hoek van 45° naar de hoek worden uitgelijnd.
5. Het gebruik van over-hole moet voorzichtig zijn
In bijna alle PCB-lay-outs moeten via's worden gebruikt om een geleidende verbinding tussen de verschillende lagen tot stand te brengen.In sommige gevallen produceren ze ook reflecties, omdat de karakteristieke impedantie verandert wanneer de via's in de uitlijning worden gecreëerd.
Het is ook belangrijk om te onthouden dat via's de lengte van het uitlijning vergroten en op elkaar afgestemd moeten worden.In het geval van differentiële uitlijningen moeten via's waar mogelijk worden vermeden.Als dit niet kan worden vermeden, moeten in beide uitlijningen via's worden gebruikt om vertragingen in de signaal- en retourpaden te compenseren.
6. Kabels en fysieke afscherming
Kabels met digitale circuits en analoge stromen kunnen parasitaire capaciteit en inductie genereren, wat veel EMC-gerelateerde problemen veroorzaakt.Als twisted pair-kabels worden gebruikt, wordt een laag koppelingsniveau gehandhaafd en worden de gegenereerde magnetische velden geëlimineerd.Voor hoogfrequente signalen moeten afgeschermde kabels worden gebruikt, waarbij zowel de voor- als de achterkant geaard zijn, om EMI-interferentie te elimineren.
Fysieke afscherming is het omhullen van het geheel of een deel van het systeem in een metalen behuizing om te voorkomen dat EMI de PCB-circuits binnendringt.Deze afscherming werkt als een gesloten, aardgeleidende condensator, waardoor de antennelus kleiner wordt en EMI wordt geabsorbeerd.
Posttijd: 23 november 2022