Analýza technologie návrhu PCB založená na EMC

Kromě výběru součástek a návrhu obvodu dobrý plošných spojů Design (PCB) je také velmi důležitým faktorem elektromagnetické kompatibility. Klíčem k návrhu EMC desky plošných spojů je co nejvíce zmenšit oblast přetavení a nechat cestu přetavení proudit ve směru návrhu. Nejběžnější problémy se zpětným proudem pocházejí z prasklin v referenční rovině, změny vrstvy referenční roviny a signálu procházejícího konektorem. Propojovací kondenzátory nebo oddělovací kondenzátory mohou vyřešit některé problémy, ale je třeba vzít v úvahu celkovou impedanci kondenzátorů, prokovů, podložek a kabeláže. Tato přednáška představí technologii návrhu desek plošných spojů společnosti EMC ze tří aspektů: strategie vrstvení desek plošných spojů, dovednosti rozmístění a pravidla zapojení.

ipcb

Strategie vrstvení desek plošných spojů

Tloušťka, proces a počet vrstev v návrhu desky plošných spojů nejsou klíčem k vyřešení problému. Dobré vrstvené stohování má zajistit bypass a oddělení napájecí sběrnice a minimalizovat přechodné napětí na napájecí vrstvě nebo zemní vrstvě. Klíč k odstínění elektromagnetického pole signálu a napájení. Z hlediska signálových stop by dobrou strategií vrstvení mělo být umístit všechny stopy signálu na jednu nebo několik vrstev a tyto vrstvy jsou vedle výkonové vrstvy nebo zemní vrstvy. U napájecího zdroje by dobrou strategií vrstvení mělo být to, že výkonová vrstva přiléhá k základní vrstvě a vzdálenost mezi napájecí vrstvou a základní vrstvou je co nejmenší. Tomu říkáme strategie „vrstvení“. Níže budeme konkrétně mluvit o vynikající strategii vrstvení PCB. 1. Projekční rovina vrstvy vodičů by měla být v oblasti vrstvy roviny přetavení. Pokud vrstva vodičů není v projekční oblasti vrstvy přetavovací roviny, budou během zapojování mimo projekční oblast existovat signální vedení, což způsobí problém „okrajového záření“ a také způsobí zvětšení oblasti signálové smyčky. což má za následek zvýšené vyzařování v diferenciálním módu. 2. Snažte se vyhnout instalaci sousedních vrstev vodičů. Protože paralelní stopy signálu na sousedních vrstvách vodičů mohou způsobit přeslechy signálu, pokud není možné vyhnout se sousedním vrstvám vodičů, měla by být vzdálenost vrstev mezi dvěma vrstvami vodičů přiměřeně zvýšena a vzdálenost vrstev mezi vrstvou vodiče a jejím signálovým obvodem by měla být být snížena. 3. Přilehlé rovinné vrstvy by se neměly překrývat jejich projekční roviny. Protože když se výstupky překrývají, vazebná kapacita mezi vrstvami způsobí, že se hluk mezi vrstvami spojí.

Vícevrstvý design desky

Když hodinová frekvence překročí 5 MHz nebo je doba náběhu signálu menší než 5 ns, je pro dobré řízení oblasti signálové smyčky obecně vyžadován návrh vícevrstvé desky. Při navrhování vícevrstvých desek je třeba věnovat pozornost následujícím zásadám: 1. Vrstva klíčového vodiče (vrstva, kde je hodinová linka, linka sběrnice, linka signálu rozhraní, linka radiofrekvenční linky, linka resetovacího signálu, linka výběru čipu a různé řídicí signály linky jsou umístěny) by měly přiléhat ke kompletní zemní ploše, nejlépe mezi dvěma zemnícími plochami, jak je znázorněno na obrázku 1. Klíčové signálové linky jsou obecně silné záření nebo extrémně citlivé signálové linky. Zapojení v blízkosti zemní plochy může zmenšit oblast signálové smyčky, snížit intenzitu záření nebo zlepšit schopnost proti rušení.

Obrázek 1 Vrstva klíčového vodiče je mezi dvěma zemnicími plochami

2. Napájecí plocha by měla být zatažena vzhledem k její přilehlé zemní ploše (doporučená hodnota 5H~20H). Zatažení napájecí roviny vzhledem k její návratové zemní ploše může účinně potlačit problém „okrajového záření“.

Kromě toho by hlavní pracovní výkonová rovina desky (nejrozšířenější výkonová rovina) měla být blízko její základní rovině, aby se účinně zmenšila oblast smyčky napájecího proudu, jak je znázorněno na obrázku 3.

Obrázek 3 Napájecí plocha by měla být blízko její zemní plochy

3. Zda není na HORNÍ a SPODNÍ vrstvě desky signálová linka ≥50MHz. Pokud ano, je nejlepší vést vysokofrekvenční signál mezi dvěma rovinnými vrstvami, aby se potlačilo jeho vyzařování do prostoru.

Jednovrstvé provedení desky a dvouvrstvé desky

Pro návrh jednovrstvých a dvouvrstvých desek je třeba věnovat pozornost návrhu klíčových signálových vedení a silových vedení. Vedle a paralelně k napájecímu vedení musí být zemnící vodič, aby se zmenšila plocha smyčky napájecího proudu. „Vodící zemnící čára“ by měla být položena na obou stranách klíčové signální čáry jednovrstvé desky, jak je znázorněno na obrázku 4. Projekční rovina klíčové signální čáry dvouvrstvé desky by měla mít velkou plochu země. , nebo stejným způsobem jako u jednovrstvé desky, navrhněte „Guide Ground Line“, jak je znázorněno na obrázku 5. „Guide Ground Line“ na obou stranách klíčového signálního vedení může na jedné straně zmenšit oblast signálové smyčky, a také zabránit přeslechům mezi signálním vedením a jinými signálními vedeními.

Obecně lze vrstvení DPS navrhnout podle následující tabulky.

Schopnost rozložení PCB

Při navrhování rozmístění desky plošných spojů plně dodržujte princip návrhu umístění v přímé linii podél směru toku signálu a snažte se vyhnout smyčkování tam a zpět, jak je znázorněno na obrázku 6. Můžete se tak vyhnout přímé vazbě signálu a ovlivnit kvalitu signálu. Kromě toho, aby se zabránilo vzájemnému rušení a propojení mezi obvody a elektronickými součástmi, umístění obvodů a rozmístění součástek by se mělo řídit následujícími zásadami:

1. Pokud je na desce navrženo rozhraní „čisté uzemnění“, filtrační a izolační komponenty by měly být umístěny v izolačním pásmu mezi „čistou zemí“ a pracovní zemí. To může zabránit tomu, aby se filtrační nebo izolační zařízení vzájemně spojily přes rovinnou vrstvu, což oslabuje účinek. Kromě toho nelze na „čistou zem“ kromě filtračních a ochranných zařízení umístit žádná další zařízení. 2. Pokud je na stejné desce plošných spojů umístěno více modulových obvodů, měly by být digitální obvody a analogové obvody a vysokorychlostní a nízkorychlostní obvody uspořádány odděleně, aby se zabránilo vzájemnému rušení mezi digitálními obvody, analogovými obvody, vysokorychlostními obvody a nízkorychlostní okruhy. Kromě toho, když na desce plošných spojů současně existují obvody s vysokou, střední a nízkou rychlostí, aby se zabránilo vyzařování vysokofrekvenčního šumu obvodu směrem ven přes rozhraní.

3. Filtrační obvod vstupního napájecího portu desky plošných spojů by měl být umístěn blízko rozhraní, aby se zabránilo opětovnému připojení filtrovaného obvodu.

Obrázek 8 Filtrační obvod vstupního napájecího portu by měl být umístěn v blízkosti rozhraní

4. Filtrační, ochranné a izolační komponenty obvodu rozhraní jsou umístěny v blízkosti rozhraní, jak je znázorněno na obrázku 9, čímž lze účinně dosáhnout účinků ochrany, filtrování a izolace. Pokud je na rozhraní jak filtr, tak ochranný obvod, je třeba dodržet zásadu nejprve ochrany a poté filtrování. Protože ochranný obvod slouží k potlačení vnějšího přepětí a nadproudu, pokud je ochranný obvod umístěn za filtrační obvod, dojde k poškození filtračního obvodu přepětím a nadproudem. Kromě toho, protože vstupní a výstupní vedení obvodu oslabí filtrační, izolační nebo ochranný účinek, když jsou vzájemně propojeny, zajistěte, aby vstupní a výstupní vedení filtračního obvodu (filtr), izolačního a ochranného obvodu pár s sebou během rozložení.

5. Citlivé obvody nebo zařízení (jako jsou resetovací obvody atd.) by měly být vzdáleny alespoň 1000 mil od každého okraje desky, zejména od okraje rozhraní desky.

6. Akumulátory energie a vysokofrekvenční filtrační kondenzátory by měly být umístěny v blízkosti obvodů jednotky nebo zařízení s velkými změnami proudu (jako jsou vstupní a výstupní svorky napájecího modulu, ventilátory a relé), aby se zmenšila oblast smyčky velká proudová smyčka.

7. Součásti filtru musí být umístěny vedle sebe, aby se zabránilo opětovnému rušení filtrovaného okruhu.

8. Udržujte zařízení se silným vyzařováním, jako jsou krystaly, krystalové oscilátory, relé a spínané napájecí zdroje, alespoň 1000 mil od konektorů rozhraní desky. Tímto způsobem může být rušení vyzařováno přímo nebo může být proud připojen k odchozímu kabelu, aby vyzařoval ven.

Pravidla zapojení PCB

Kromě výběru součástek a návrhu obvodu je velmi důležitým faktorem elektromagnetické kompatibility také dobrá elektroinstalace desek plošných spojů (PCB). Protože PCB je nedílnou součástí systému, zvýšení elektromagnetické kompatibility v zapojení PCB nepřinese dodatečné náklady na konečné dokončení produktu. Každý by si měl pamatovat, že špatné rozložení PCB může způsobit více problémů s elektromagnetickou kompatibilitou, než je odstranit. V mnoha případech tyto problémy nevyřeší ani přidání filtrů a komponentů. Nakonec musela být přepojena celá deska. Proto je to nákladově nejefektivnější způsob, jak si na začátku vypěstovat dobré návyky zapojení PCB. Dále budou představena některá obecná pravidla zapojení PCB a strategie návrhu elektrických vedení, zemních vedení a signálních vedení. Nakonec jsou podle těchto pravidel navržena zlepšovací opatření pro typický obvod plošných spojů klimatizačního zařízení. 1. Oddělení vodičů Funkce oddělení vodičů je minimalizovat přeslechy a rušení mezi sousedními obvody ve stejné vrstvě PCB. Specifikace 3W uvádí, že všechny signály (hodiny, video, zvuk, reset atd.) musí být izolovány od linky k lince, od okraje k okraji, jak je znázorněno na obrázku 10. Aby se dále snížila magnetická vazba, referenční zem je umístěn v blízkosti klíčového signálu, aby se izoloval vazební šum generovaný jinými signálovými vedeními.

2. Nastavení ochrany a bočníkového vedení Slučovací a ochranné vedení je velmi účinný způsob izolace a ochrany klíčových signálů, jako jsou signály systémových hodin v hlučném prostředí. Na obrázku 21 je paralelní nebo ochranný obvod v PCB položen podél obvodu signálu klíče. Ochranný obvod nejen izoluje vazební magnetický tok generovaný jinými signálovými vedeními, ale také izoluje klíčové signály od spojení s jinými signálními vedeními. Rozdíl mezi bočníkovým vedením a ochranným vedením je v tom, že bočníkové vedení nemusí být ukončeno (připojeno k zemi), ale oba konce ochranného vedení musí být spojeny se zemí. Za účelem dalšího snížení vazby může být ochranný obvod ve vícevrstvé desce plošných spojů doplněn o cestu k zemi každý druhý segment.

3. Návrh elektrického vedení je založen na velikosti proudu desky s plošnými spoji a šířka elektrického vedení je co možná nejtlustší, aby se snížil odpor smyčky. Současně zajistěte, aby byl směr elektrického vedení a zemního vedení konzistentní se směrem přenosu dat, což pomáhá zvýšit protihlukovou schopnost. V jednoduchém nebo dvojitém panelu, pokud je elektrické vedení velmi dlouhé, by měl být k zemi přidán oddělovací kondenzátor každých 3000 mil a hodnota kondenzátoru je 10uF+1000pF.

Provedení zemnícího drátu

Zásady konstrukce uzemňovacího drátu jsou:

(1) Digitální zem je oddělena od analogové země. Pokud jsou na desce plošných spojů logické obvody i lineární obvody, měly by být co nejvíce odděleny. Zem nízkofrekvenčního obvodu by měla být co nejvíce uzemněna paralelně v jednom bodě. Když je vlastní zapojení obtížné, může být částečně zapojeno do série a poté uzemněno paralelně. Vysokofrekvenční obvod by měl být uzemněn na více bodech v sérii, zemnící vodič by měl být krátký a pronajatý a kolem vysokofrekvenční součástky by měla být co nejvíce použita mřížková velkoplošná zemní fólie.

(2) Zemnící vodič by měl být co nejsilnější. Pokud zemnící vodič používá velmi těsné vedení, zemní potenciál se mění se změnou proudu, což snižuje protihlukový výkon. Zemnící vodič by proto měl být zesílený tak, aby na desce s plošnými spoji mohl procházet trojnásobek povoleného proudu. Pokud je to možné, zemnící vodič by měl být 2~3 mm nebo více.

(3) Zemnicí vodič tvoří uzavřenou smyčku. U desek plošných spojů složených pouze z digitálních obvodů je většina jejich zemnících obvodů uspořádána do smyček, aby se zlepšila odolnost proti hluku.

Návrh signální linky

U klíčových signálových vedení, pokud má deska vnitřní signální kabelovou vrstvu, klíčové signálové vedení, jako jsou hodiny, by měly být položeny na vnitřní vrstvě a přednost má preferovaná kabelová vrstva. Kromě toho nesmí být klíčové signální linky vedeny přes oblast oddílu, včetně mezer v referenční rovině způsobených prokovy a podložkami, jinak to povede ke zvětšení plochy signálové smyčky. A linie klíčového signálu by měla být více než 3H od okraje referenční roviny (H je výška linie od referenční roviny), aby se potlačil efekt okrajového záření. U hodinových linek, sběrnicových linek, vysokofrekvenčních linek a dalších linek se silným vyzařováním a resetovacích signálních linek, signálových linek pro výběr čipu, řídicích signálů systému a dalších citlivých signálních linek je držte mimo rozhraní a odchozí signální linky. Tím se zabrání tomu, aby se rušení na vedení se silným vyzařováním signálu navázalo na vedení odchozího signálu a vyzařovalo ven; a také zabraňuje vnějšímu rušení způsobenému odchozím signálovým vedením rozhraní z vazby na citlivé signální vedení, což způsobuje nesprávnou činnost systému. Diferenciální signálové linky by měly být na stejné vrstvě, stejně dlouhé a běžet paralelně, aby byla zachována konzistentní impedance, a mezi diferenciálními linkami by nemělo být žádné další vedení. Protože je zajištěna stejná impedance souosého režimu diferenciálního páru vedení, lze zlepšit jeho schopnost proti rušení. Podle výše uvedených pravidel zapojení je typický obvod desky s plošnými spoji klimatizačního zařízení vylepšen a optimalizován.