Pored izbora komponenti i dizajna kola, dobro štampana ploča (PCB) dizajn je također vrlo važan faktor u elektromagnetnoj kompatibilnosti. Ključ EMC dizajna PCB-a je smanjiti područje povratnog toka što je više moguće i pustiti put povratnog toka da teče u smjeru dizajna. Najčešći problemi povratne struje dolaze od pukotina u referentnoj ravni, promjene sloja referentne ravni i signala koji teče kroz konektor. Kondenzatori kratkospojnika ili kondenzatori za razdvajanje mogu riješiti neke probleme, ali se mora uzeti u obzir ukupna impedancija kondenzatora, prolaza, jastučića i ožičenja. Ovo predavanje će predstaviti EMC-ovu tehnologiju dizajna PCB-a iz tri aspekta: strategije nanošenja slojeva PCB-a, vještina postavljanja i pravila ožičenja.

Strategija nanošenja slojeva PCB-a

Debljina, proces i broj slojeva u dizajnu ploče nisu ključ za rješavanje problema. Dobro slojevito slaganje osigurava premosnicu i razdvajanje magistrale napajanja i minimizira prolazni napon na sloju snage ili sloju uzemljenja. Ključ za zaštitu od elektromagnetnog polja signala i napajanja. Iz perspektive tragova signala, dobra strategija slojevitosti trebala bi biti da se svi tragovi signala stave na jedan ili više slojeva, a ti slojevi su pored sloja snage ili sloja zemlje. Za napajanje, dobra strategija slojevitosti treba da bude da je energetski sloj u blizini sloja zemlje, a razmak između sloja energije i sloja zemlje je što je moguće manji. To je ono što mi nazivamo strategijom “slojeviti”. U nastavku ćemo posebno govoriti o odličnoj strategiji nanošenja slojeva PCB-a. 1. Projekciona ravnina sloja ožičenja treba da bude u području sloja ravni ravni povratnog toka. Ako sloj ožičenja nije u području projekcije sloja u ravnini reflow, bit će signalne linije izvan područja projekcije tokom ožičenja, što će uzrokovati problem “ivičnog zračenja”, a također će uzrokovati povećanje područja signalne petlje , što rezultira povećanim zračenjem diferencijalnog moda . 2. Pokušajte izbjeći postavljanje susjednih slojeva ožičenja. Budući da paralelni tragovi signala na susjednim slojevima ožičenja mogu uzrokovati preslušavanje signala, ako je nemoguće izbjeći susjedne slojeve ožičenja, razmak između dva sloja ožičenja treba povećati na odgovarajući način, a razmak između sloja ožičenja i njegovog signalnog kruga treba biti smanjen. 3. Susedni ravni slojevi treba da izbegavaju preklapanje njihovih ravni projekcije. Jer kada se projekcije preklapaju, spojni kapacitet između slojeva će uzrokovati da se šum između slojeva spoji jedan s drugim.

Dizajn višeslojnih ploča

Kada frekvencija takta prelazi 5MHz, ili je vrijeme porasta signala manje od 5ns, kako bi se dobro kontrolirala oblast signalne petlje, općenito je potreban dizajn višeslojne ploče. Prilikom projektovanja višeslojnih ploča treba obratiti pažnju na sledeće principe: 1. Ključni sloj ožičenja (sloj gde je linija sata, magistralna linija, interfejs signalna linija, radio frekvencijska linija, signalna linija za resetovanje, signalna linija za odabir čipa i različiti kontrolni signali linije) treba da budu u blizini cele ravni uzemljenja, po mogućnosti između dve uzemljene ravni, kao što je prikazano na slici 1. Ključne signalne linije su generalno jako zračenje ili izuzetno osetljive signalne linije. Ožičenje blizu uzemljenja može smanjiti površinu signalne petlje, smanjiti intenzitet zračenja ili poboljšati sposobnost zaštite od smetnji.

Slika 1 Ključni sloj ožičenja nalazi se između dvije uzemljene ravnine

2. Power plan bi trebao biti uvučen u odnosu na njegovu susjednu uzemljenu ravninu (preporučena vrijednost 5H～20H). Povlačenje ravni snage u odnosu na njenu povratnu uzemljenu ravninu može efikasno potisnuti problem “ivičnog zračenja”.

Osim toga, glavna radna ravan napajanja ploče (najčešće korištena snaga napajanja) treba biti blizu njene ravni uzemljenja kako bi se efektivno smanjila oblast petlje struje napajanja, kao što je prikazano na slici 3.

Slika 3 Power plan bi trebao biti blizu svoje uzemljene ravni

3. Da li nema signalne linije ≥50MHz na GORNJEM i DONJEM sloju ploče. Ako je tako, najbolje je prošetati visokofrekventni signal između dva ravna sloja kako bi se suzbilo njegovo zračenje u svemir.

Dizajn jednoslojnih i dvoslojnih ploča

Za projektovanje jednoslojnih i dvoslojnih ploča treba obratiti pažnju na projektovanje ključnih signalnih vodova i dalekovoda. Mora postojati žica za uzemljenje pored i paralelno sa strujnim tragom kako bi se smanjila površina strujne petlje. „Linija vodećeg uzemljenja“ treba da bude položena sa obe strane ključne signalne linije jednoslojne ploče, kao što je prikazano na slici 4. Ravan projekcije ključne signalne linije dvoslojne ploče treba da ima veliku površinu zemlje , ili istim metodom kao i jednoslojna ploča, dizajnirajte “Guide Ground Line”, kao što je prikazano na slici 5. “Zaštitna uzemljiva žica” na obje strane ključne signalne linije može smanjiti područje signalne petlje s jedne strane, i također spriječiti preslušavanje između signalne linije i drugih signalnih linija.

Općenito, slojevitost PCB ploče može se dizajnirati prema sljedećoj tabeli.

Vještine postavljanja PCB-a

Kada dizajnirate raspored PCB-a, u potpunosti se pridržavajte principa dizajna postavljanja u pravu liniju duž smjera toka signala i pokušajte izbjeći petlje naprijed-nazad, kao što je prikazano na slici 6. Ovo može izbjeći direktno spajanje signala i uticati na kvalitet signala. Osim toga, kako bi se spriječile međusobne smetnje i spajanje između kola i elektronskih komponenti, postavljanje kola i raspored komponenti treba slijediti sljedeće principe:

1. Ako je interfejs „čisto uzemljenje” projektovan na ploči, komponente za filtriranje i izolaciju treba da budu postavljene na izolacionom pojasu između „čiste zemlje” i radnog tla. Ovo može spriječiti da se uređaji za filtriranje ili izolaciju međusobno povežu kroz ravni sloj, što slabi učinak. Osim toga, na „čistom terenu“, osim uređaja za filtriranje i zaštitu, ne mogu se postavljati drugi uređaji. 2. Kada je više sklopova modula postavljeno na istu PCB, digitalna kola i analogna kola, kao i kola velike i male brzine treba da budu postavljena odvojeno kako bi se izbegle međusobne smetnje između digitalnih kola, analognih kola, kola velike brzine i kola male brzine. Osim toga, kada kola velike, srednje i male brzine postoje na ploči u isto vrijeme, kako bi se spriječilo zračenje visokofrekventnog šuma kola prema van kroz sučelje.

3. Filterski krug ulaznog priključka za napajanje na pločici treba biti postavljen blizu sučelja kako bi se spriječilo da se kolo koje je filtrirano ponovo spoji.

Slika 8 Filterski krug ulaznog priključka za napajanje treba biti postavljen blizu interfejsa

4. Komponente za filtriranje, zaštitu i izolaciju kola interfejsa postavljene su blizu interfejsa, kao što je prikazano na slici 9, čime se mogu efikasno postići efekti zaštite, filtriranja i izolacije. Ako na sučelju postoje i filter i zaštitni krug, treba se pridržavati principa prvo zaštite, a zatim filtriranja. Budući da se zaštitni krug koristi za vanjsko suzbijanje prenapona i prekomjerne struje, ako se zaštitni krug postavi iza kruga filtera, krug filtera će se oštetiti prenaponom i prekomjernom strujom. Osim toga, budući da će ulazni i izlazni vodovi kola oslabiti efekt filtriranja, izolacije ili zaštite kada su spojeni jedan s drugim, osigurajte da ulazni i izlazni vodovi filtarskog kola (filtera), izolacijskog i zaštitnog kola ne budu spojiti jedno s drugim tokom rasporeda.

5. Osetljiva kola ili uređaji (kao što su kola za resetovanje, itd.) treba da budu najmanje 1000 mi udaljeni od svake ivice ploče, posebno ivice interfejsa ploče.

6. Kondenzatori za skladištenje energije i visokofrekventne filtere treba postaviti u blizini sklopova jedinice ili uređaja sa velikim promjenama struje (kao što su ulazni i izlazni terminali modula napajanja, ventilatori i releji) kako bi se smanjila površina petlje velika strujna petlja.

7. Komponente filtera moraju biti postavljene jedna pored druge kako bi se spriječilo ponovno ometanje filtriranog kruga.

8. Držite uređaje jakog zračenja kao što su kristali, kristalni oscilatori, releji i prekidački izvori napajanja najmanje 1000 milja udaljeni od konektora interfejsa ploče. Na ovaj način, smetnje se mogu zračiti direktno ili se struja može spojiti na odlazni kabel kako bi zračila prema van.

Pravila ožičenja PCB-a

Pored izbora komponenti i dizajna kola, dobro ožičenje štampanih ploča (PCB) je takođe veoma važan faktor u elektromagnetnoj kompatibilnosti. Budući da je PCB inherentna komponenta sistema, poboljšanje elektromagnetne kompatibilnosti u ožičenju PCB-a neće donijeti dodatne troškove za konačni završetak proizvoda. Svatko bi trebao imati na umu da loš raspored PCB-a može uzrokovati više problema s elektromagnetnom kompatibilnošću, umjesto da ih eliminira. U mnogim slučajevima, čak ni dodavanje filtera i komponenti ne može riješiti ove probleme. Na kraju je cijela ploča morala biti ponovo ožičena. Stoga je to najisplativiji način da se na početku razviju dobre navike ožičenja PCB-a. U nastavku će se uvesti neka opća pravila ožičenja PCB-a i strategije dizajna električnih vodova, uzemljenja i signalnih vodova. Konačno, prema ovim pravilima, predložene su mjere poboljšanja za tipično kolo sa štampanom pločom klima uređaja. 1. Razdvajanje ožičenja Funkcija razdvajanja ožičenja je da minimizira preslušavanje i sprezanje šuma između susjednih kola u istom sloju PCB-a. Specifikacija 3W navodi da svi signali (sat, video, audio, reset, itd.) moraju biti izolovani od linije do linije, ivice do ivice, kao što je prikazano na slici 10. Da bi se dodatno smanjila magnetna sprega, referentno uzemljenje je postavljen blizu ključnog signala kako bi se izolirao šum sprege koji stvaraju druge signalne linije.

2. Podešavanje zaštitne i skretne linije Shunt i zaštitna linija je veoma efikasan metod za izolovanje i zaštitu ključnih signala, kao što su signali sistemskog takta u bučnom okruženju. Na slici 21, paralelno ili zaštitno kolo u PCB-u je položeno duž kola ključnog signala. Zaštitni krug ne samo da izoluje magnetni tok sprege koji generiraju druge signalne linije, već također izolira ključne signale od spajanja s drugim signalnim linijama. Razlika između graničnog voda i zaštitnog voda je u tome što šant linija ne mora biti prekinuta (povezana sa uzemljenjem), već oba kraja zaštitnog voda moraju biti spojena na uzemljenje. Da bi se dodatno smanjilo spajanje, zaštitni krug u višeslojnoj PCB može se dodati sa putanjom do zemlje svaki drugi segment.

3. Dizajn dalekovoda je zasnovan na veličini struje štampane ploče, a širina dalekovoda je što je moguće deblja kako bi se smanjio otpor petlje. U isto vrijeme, učinite smjer dalekovoda i uzemljenja u skladu sa smjerom prijenosa podataka, što pomaže u poboljšanju sposobnosti zaštite od buke. U jednom ili dvostrukom panelu, ako je dalekovod jako dugačak, kondenzator za razdvajanje treba dodati u zemlju svakih 3000 mil, a vrijednost kondenzatora je 10uF+1000pF.

Dizajn žice za uzemljenje

Principi dizajna žice za uzemljenje su:

(1) Digitalno uzemljenje je odvojeno od analognog uzemljenja. Ako na ploči postoje i logička i linearna kola, treba ih razdvojiti što je više moguće. Uzemljenje niskofrekventnog kola treba da bude paralelno uzemljeno u jednoj tački što je više moguće. Kada je stvarno ožičenje teško, može se djelomično spojiti u seriju, a zatim uzemljiti paralelno. Visokofrekventni krug bi trebao biti uzemljen na više tačaka u seriji, žica za uzemljenje bi trebala biti kratka i iznajmljena, a uzemljena folija velike površine poput mreže trebala bi se koristiti oko visokofrekventne komponente što je više moguće.

(2) Žica za uzemljenje treba da bude što deblja. Ako žica za uzemljenje koristi vrlo zategnutu liniju, potencijal uzemljenja se mijenja s promjenom struje, što smanjuje performanse zaštite od buke. Stoga žicu za uzemljenje treba podebljati tako da može proći tri puta veću od dozvoljene struje na štampanoj ploči. Ako je moguće, žica za uzemljenje treba biti 2~3 mm ili više.

(3) Žica za uzemljenje čini zatvorenu petlju. Za štampane ploče sastavljene samo od digitalnih kola, većina njihovih kola za uzemljenje je raspoređena u petlje kako bi se poboljšala otpornost na buku.

Dizajn signalne linije

Za ključne signalne linije, ako ploča ima interni sloj ožičenja signala, ključne signalne linije kao što su satovi treba postaviti na unutrašnji sloj, a prioritet se daje preferiranom sloju ožičenja. Osim toga, ključni signalni vodovi ne smiju se usmjeravati preko područja pregrade, uključujući praznine u referentnoj ravnini uzrokovane vias i jastučićima, inače će to dovesti do povećanja područja signalne petlje. A linija ključnog signala treba da bude više od 3H od ivice referentne ravni (H je visina linije od referentne ravni) da bi se suzbio efekat ivičnog zračenja. Držite ih podalje od interfejsa i izlaznih signalnih linija za satne linije, magistralne linije, radio frekvencijske linije i druge signalne linije jakog zračenja i signalne linije za resetovanje, signalne linije za odabir čipa, signale upravljanja sistemom i druge osetljive signalne linije. Ovo sprečava da se smetnje na liniji signala jakog zračenja spoje na izlaznu signalnu liniju i zrače prema van; i takođe izbegava spoljašnje smetnje koje dovodi izlazna signalna linija interfejsa od spajanja na osetljivu signalnu liniju, uzrokujući pogrešan rad sistema. Diferencijalne signalne linije treba da budu na istom sloju, jednake dužine i da se kreću paralelno, održavajući impedanciju konzistentnom, i ne bi trebalo da postoji drugo ožičenje između diferencijalnih vodova. Budući da je impedansa zajedničkog moda diferencijalnog para linija osigurana da bude jednaka, njegova sposobnost protiv smetnji može se poboljšati. U skladu s gornjim pravilima ožičenja, tipično kolo sa štampanom pločom klima uređaja je poboljšano i optimizovano.