Además de la selección de componentes y el diseño del circuito, una buena placa de circuito impreso (PCB) design is also a very important factor in electromagnetic compatibility. The key to PCB EMC design is to reduce the reflow area as much as possible and let the reflow path flow in the direction of the design. The most common return current problems come from cracks in the reference plane, changing the reference plane layer, and the signal flowing through the connector. Jumper capacitors or decoupling capacitors may solve some problems, but the overall impedance of capacitors, vias, pads, and wiring must be considered. This lecture will introduce EMC’s PCB design technology from three aspects: PCB layering strategy, layout skills and wiring rules.

Estrategia de capas de PCB

El grosor, a través del proceso y el número de capas en el diseño de la placa de circuito no son la clave para resolver el problema. Un buen apilamiento en capas es asegurar el bypass y desacoplamiento del bus de energía y minimizar el voltaje transitorio en la capa de energía o capa de tierra. La clave para blindar el campo electromagnético de la señal y la fuente de alimentación. Desde la perspectiva de los rastros de señal, una buena estrategia de estratificación debería ser colocar todos los rastros de señal en una o varias capas, y estas capas están al lado de la capa de potencia o la capa de tierra. Para la fuente de alimentación, una buena estrategia de capas debería ser que la capa de energía esté adyacente a la capa de tierra, y la distancia entre la capa de energía y la capa de tierra sea lo más pequeña posible. Esto es lo que llamamos la estrategia de “capas”. A continuación, hablaremos específicamente sobre la excelente estrategia de capas de PCB. 1. El plano de proyección de la capa de cableado debe estar en su área de capa del plano de reflujo. Si la capa de cableado no está en el área de proyección de la capa del plano de reflujo, habrá líneas de señal fuera del área de proyección durante el cableado, lo que provocará el problema de “radiación de borde” y también hará que el área del bucle de señal aumente , lo que da como resultado un aumento de la radiación en modo diferencial. 2. Intente evitar la instalación de capas de cableado adyacentes. Debido a que las trazas de señales paralelas en las capas de cableado adyacentes pueden causar diafonía de la señal, si es imposible evitar las capas de cableado adyacentes, el espaciado de la capa entre las dos capas de cableado debe aumentarse de manera apropiada, y el espaciado de la capa entre la capa de cableado y su circuito de señal debe ser reducido. 3. Las capas de planos adyacentes deben evitar la superposición de sus planos de proyección. Porque cuando las proyecciones se superponen, la capacitancia de acoplamiento entre las capas hará que el ruido entre las capas se acople entre sí.

Multilayer board design

Cuando la frecuencia del reloj supera los 5 MHz, o el tiempo de subida de la señal es inferior a 5 ns, para controlar bien el área del bucle de señal, generalmente se requiere un diseño de placa multicapa. Se debe prestar atención a los siguientes principios al diseñar placas multicapa: 1. La capa de cableado clave (la capa donde se encuentra la línea de reloj, línea de bus, línea de señal de interfaz, línea de radiofrecuencia, línea de señal de reinicio, línea de señal de selección de chip y varias señales de control líneas están ubicadas) deben ser adyacentes al plano de tierra completo, preferiblemente entre los dos planos de tierra, como se muestra en la Figura 1. Las líneas de señal clave son generalmente de radiación fuerte o líneas de señal extremadamente sensibles. El cableado cerca del plano de tierra puede reducir el área del bucle de señal, reducir la intensidad de la radiación o mejorar la capacidad antiinterferente.

Figure 1 The key wiring layer is between the two ground planes

2. El plano de potencia debe retraerse en relación con su plano de tierra adyacente (valor recomendado 5H ～ 20H). La retracción del plano de potencia con respecto a su plano de tierra de retorno puede suprimir eficazmente el problema de la “radiación del borde”.

In addition, the main working power plane of the board (the most widely used power plane) should be close to its ground plane to effectively reduce the loop area of ​​the power supply current, as shown in Figure 3.

Figure 3 The power plane should be close to its ground plane

3. Whether there is no signal line ≥50MHz on the TOP and BOTTOM layers of the board. If so, it is best to walk the high-frequency signal between the two plane layers to suppress its radiation to the space.

Single-layer board and double-layer board design

Para el diseño de tableros de una o dos capas, se debe prestar atención al diseño de las líneas de señales clave y las líneas eléctricas. Debe haber un cable de tierra al lado y paralelo a la línea de potencia para reducir el área del bucle de corriente de potencia. La “Línea de tierra de guía” debe colocarse a ambos lados de la línea de señal clave del tablero de una sola capa, como se muestra en la Figura 4. El plano de proyección de la línea de señal clave del tablero de doble capa debe tener un área grande de tierra , o el mismo método que el tablero de una sola capa, diseñe la “Línea de tierra de guía”, como se muestra en la Figura 5. El “cable de tierra de protección” en ambos lados de la línea de señal clave puede reducir el área del bucle de señal por un lado, y también previene la diafonía entre la línea de señal y otras líneas de señal.

In general, the layering of the PCB board can be designed according to the following table.

PCB layout skills

When designing the PCB layout, fully comply with the design principle of placing in a straight line along the signal flow direction, and try to avoid looping back and forth, as shown in Figure 6. This can avoid direct signal coupling and affect signal quality. In addition, in order to prevent mutual interference and coupling between circuits and electronic components, the placement of circuits and the layout of components should follow the following principles:

1. Si se diseña una interfaz de “tierra limpia” en la placa, los componentes de filtrado y aislamiento deben colocarse en la banda de aislamiento entre la “tierra limpia” y la tierra de trabajo. Esto puede evitar que los dispositivos de filtrado o aislamiento se acoplen entre sí a través de la capa plana, lo que debilita el efecto. Además, en el “suelo limpio”, además de los dispositivos de filtrado y protección, no se pueden colocar otros dispositivos. 2. Cuando se colocan varios circuitos de módulo en la misma PCB, los circuitos digitales y analógicos, y los circuitos de alta y baja velocidad deben colocarse por separado para evitar interferencias mutuas entre circuitos digitales, circuitos analógicos, circuitos de alta velocidad y circuitos de baja velocidad. Además, cuando existen circuitos de alta, media y baja velocidad en la placa de circuito al mismo tiempo, para evitar que el ruido del circuito de alta frecuencia se irradie hacia afuera a través de la interfaz.

3. El circuito de filtro del puerto de entrada de energía de la placa de circuito debe colocarse cerca de la interfaz para evitar que el circuito que se ha filtrado se vuelva a acoplar.

Figure 8 The filter circuit of the power input port should be placed close to the interface

4. The filtering, protection and isolation components of the interface circuit are placed close to the interface, as shown in Figure 9, which can effectively achieve the effects of protection, filtering and isolation. If there is both a filter and a protection circuit at the interface, the principle of first protection and then filtering should be followed. Because the protection circuit is used for external overvoltage and overcurrent suppression, if the protection circuit is placed after the filter circuit, the filter circuit will be damaged by overvoltage and overcurrent. In addition, since the input and output lines of the circuit will weaken the filtering, isolation or protection effect when they are coupled with each other, ensure that the input and output lines of the filter circuit (filter), isolation and protection circuit do not couple with each other during layout.

5. Sensitive circuits or devices (such as reset circuits, etc.) should be at least 1000 mil away from each edge of the board, especially the edge of the board interface.

6. Los condensadores de almacenamiento de energía y de filtro de alta frecuencia deben colocarse cerca de los circuitos o dispositivos de la unidad con grandes cambios de corriente (como los terminales de entrada y salida del módulo de potencia, ventiladores y relés) para reducir el área de bucle del bucle de corriente grande.

7. Los componentes del filtro deben colocarse uno al lado del otro para evitar que el circuito filtrado se vuelva a interferir.

8. Mantenga los dispositivos de radiación fuerte como cristales, osciladores de cristal, relés y fuentes de alimentación conmutadas al menos a 1000 mils de distancia de los conectores de interfaz de la placa. De esta manera, la interferencia se puede irradiar directamente o la corriente se puede acoplar al cable de salida para irradiar hacia afuera.

Reglas de cableado de PCB

Además de la selección de componentes y el diseño del circuito, un buen cableado de la placa de circuito impreso (PCB) también es un factor muy importante en la compatibilidad electromagnética. Dado que la PCB es un componente inherente del sistema, mejorar la compatibilidad electromagnética en el cableado de la PCB no generará costos adicionales para la terminación final del producto. Cualquiera debería recordar que un diseño de PCB deficiente puede causar más problemas de compatibilidad electromagnética, en lugar de eliminarlos. En muchos casos, incluso la adición de filtros y componentes no puede resolver estos problemas. Al final, se tuvo que volver a cablear toda la placa. Por lo tanto, es la forma más rentable de desarrollar buenos hábitos de cableado de PCB al principio. A continuación se presentarán algunas reglas generales de cableado de PCB y las estrategias de diseño de líneas eléctricas, líneas de tierra y líneas de señal. Finalmente, de acuerdo con estas reglas, se proponen medidas de mejora para el circuito de placa de circuito impreso típico del acondicionador de aire. 1. Separación del cableado La función de la separación del cableado es minimizar la diafonía y el acoplamiento de ruido entre circuitos adyacentes en la misma capa de la PCB. La especificación de 3W establece que todas las señales (reloj, video, audio, reinicio, etc.) deben aislarse de línea a línea, de borde a borde, como se muestra en la Figura 10. Para reducir aún más el acoplamiento magnético, la tierra de referencia es colocado cerca de la señal clave para aislar el ruido de acoplamiento generado por otras líneas de señal.

2. Configuración de la línea de protección y derivación La línea de protección y derivación es un método muy eficaz para aislar y proteger señales clave, como las señales del reloj del sistema en un entorno ruidoso. En la Figura 21, el circuito paralelo o de protección en la PCB se coloca a lo largo del circuito de la señal clave. El circuito de protección no solo aísla el flujo magnético de acoplamiento generado por otras líneas de señal, sino que también aísla las señales clave del acoplamiento con otras líneas de señal. La diferencia entre la línea de derivación y la línea de protección es que la línea de derivación no tiene que estar terminada (conectada a tierra), pero ambos extremos de la línea de protección deben estar conectados a tierra. Para reducir aún más el acoplamiento, el circuito de protección en la PCB multicapa se puede agregar con una ruta a tierra cada dos segmentos.

3. El diseño de la línea eléctrica se basa en el tamaño de la corriente de la placa de circuito impreso y el ancho de la línea eléctrica es lo más grueso posible para reducir la resistencia del bucle. Al mismo tiempo, haga que la dirección de la línea eléctrica y la línea de tierra sean coherentes con la dirección de la transmisión de datos, lo que ayuda a mejorar la capacidad antirruido. En un panel simple o doble, si la línea de alimentación es muy larga, se debe agregar un capacitor de desacoplamiento a tierra cada 3000 mil, y el valor del capacitor es 10uF + 1000pF.

Diseño de cable de tierra

Los principios del diseño del cable de tierra son:

(1) La tierra digital está separada de la tierra analógica. Si hay tanto circuitos lógicos como circuitos lineales en la placa de circuito, deben estar separados tanto como sea posible. La tierra del circuito de baja frecuencia debe conectarse a tierra en paralelo en un solo punto tanto como sea posible. Cuando el cableado real es difícil, puede conectarse parcialmente en serie y luego conectarse a tierra en paralelo. El circuito de alta frecuencia debe estar conectado a tierra en múltiples puntos en serie, el cable de tierra debe ser corto y arrendado, y la lámina de tierra de área grande similar a una rejilla debe usarse alrededor del componente de alta frecuencia tanto como sea posible.

(2) El cable de conexión a tierra debe ser lo más grueso posible. Si el cable de tierra utiliza una línea muy estrecha, el potencial de tierra cambia con el cambio de corriente, lo que reduce el rendimiento antirruido. Por lo tanto, el cable de tierra debe engrosarse para que pueda pasar tres veces la corriente permitida en la placa impresa. Si es posible, el cable de conexión a tierra debe ser de 2 ~ 3 mm o más.

(3) The ground wire forms a closed loop. For printed boards composed only of digital circuits, most of their grounding circuits are arranged in loops to improve noise resistance.

Diseño de línea de señal

Para las líneas de señal clave, si la placa tiene una capa de cableado de señal interna, las líneas de señal clave, como los relojes, deben colocarse en la capa interna y se le da prioridad a la capa de cableado preferida. Además, las líneas de señal clave no deben enrutarse a través del área de partición, incluidos los huecos en el plano de referencia causados ​​por vías y pads, de lo contrario conducirá a un aumento en el área del bucle de señal. Y la línea de señal clave debe estar a más de 3H del borde del plano de referencia (H es la altura de la línea desde el plano de referencia) para suprimir el efecto de radiación del borde. Para líneas de reloj, líneas de bus, líneas de radiofrecuencia y otras líneas de señal de radiación fuerte y líneas de señal de reinicio, líneas de señal de selección de chip, señales de control del sistema y otras líneas de señal sensibles, manténgalos alejados de la interfaz y las líneas de señal salientes. Esto evita que la interferencia en la línea de señal de radiación fuerte se acople a la línea de señal de salida y se irradie hacia afuera; y también evita la interferencia externa provocada por la línea de señal saliente de la interfaz desde el acoplamiento a la línea de señal sensible, causando un mal funcionamiento del sistema. Las líneas de señal diferencial deben estar en la misma capa, la misma longitud y correr en paralelo, manteniendo la impedancia constante, y no debe haber otro cableado entre las líneas diferenciales. Debido a que se garantiza que la impedancia de modo común del par de líneas diferenciales es igual, se puede mejorar su capacidad antiinterferente. De acuerdo con las reglas de cableado anteriores, se mejora y optimiza el circuito de placa de circuito impreso típico del acondicionador de aire.