Osim odabira komponenti i dizajna sklopa, dobro tiskana pločica (PCB) dizajn je također vrlo važan čimbenik u elektromagnetskoj kompatibilnosti. Ključ za EMC dizajn 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 ravnini, promjene sloja referentne ravnine 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 slojevitog postavljanja PCB-a, vještina postavljanja i pravila ožičenja.

Strategija nanošenja slojeva PCB-a

Debljina, proces i broj slojeva u dizajnu pločice nisu ključ za rješavanje problema. Dobro slojevito slaganje osigurava premošćivanje i razdvajanje sabirnice napajanja i minimizira prijelazni napon na sloju snage ili sloju uzemljenja. Ključ za zaštitu od elektromagnetskog 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 uz sloj snage ili sloj zemlje. Za napajanje, dobra strategija slojevitosti trebala bi biti da je energetski sloj susjedni sloju zemlje, a udaljenost između sloja energije i prizemnog sloja je što manja. To je ono što nazivamo strategijom “slojeviti”. U nastavku ćemo posebno govoriti o izvrsnoj strategiji nanošenja slojeva PCB-a. 1. Ravnina projekcije sloja ožičenja treba biti u području sloja ravnine pretoka. Ako sloj ožičenja nije u području projekcije sloja s ravninom reflow, bit će signalne linije izvan područja projekcije tijekom ožičenja, što će uzrokovati problem “rubnog zračenja”, a također će uzrokovati povećanje područja signalne petlje , što rezultira povećanim diferencijalnim zračenjem . 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 trebao bi se povećati na odgovarajući način, a razmak između sloja ožičenja i njegovog signalnog kruga trebao bi biti smanjen. 3. Susjedni ravninski slojevi trebaju izbjegavati preklapanje njihovih ravnina projekcije. Jer kada se projekcije preklapaju, spojni kapacitet između slojeva će uzrokovati da se šum između slojeva spoji jedan s drugim.

Dizajn višeslojne ploče

Kada frekvencija takta prelazi 5MHz, ili je vrijeme porasta signala manje od 5ns, kako bi se dobro kontroliralo područje signalne petlje, općenito je potreban dizajn višeslojne ploče. Prilikom dizajniranja višeslojnih ploča treba obratiti pažnju na sljedeća načela: 1. Ključni sloj ožičenja (sloj gdje je linija sata, sabirnica, signalna linija sučelja, radiofrekvencijska linija, signalna linija za resetiranje, signalna linija za odabir čipa i različiti kontrolni signali linije) trebale bi biti u blizini cijele ravnine uzemljenja, po mogućnosti između dvije uzemljene ravnine, kao što je prikazano na slici 1. Ključne signalne linije općenito su jako zračenje ili iznimno osjetljive signalne linije. Ožičenje blizu uzemljenja može smanjiti područje signalne petlje, smanjiti intenzitet zračenja ili poboljšati sposobnost zaštite od smetnji.

Slika 1 Sloj ožičenja ključa nalazi se između dvije ravnine uzemljenja

2. Power plane treba uvući u odnosu na susjednu ravninu uzemljenja (preporučena vrijednost 5H～20H). Povlačenje ravnine snage u odnosu na njezinu povratnu uzemljenu ravninu može učinkovito potisnuti problem “rubnog zračenja”.

Osim toga, glavna radna razina snage ploče (najčešće korištena razina napajanja) trebala bi biti blizu njezine uzemljenja kako bi se učinkovito smanjilo područje petlje struje napajanja, kao što je prikazano na slici 3.

Slika 3. Power plane bi trebao biti blizu uzemljenja

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 prostor.

Dizajn jednoslojne ploče i dvoslojne ploče

Za projektiranje jednoslojnih i dvoslojnih ploča treba obratiti pozornost na projektiranje ključnih signalnih vodova i dalekovoda. Mora postojati žica za uzemljenje pored i paralelno s strujnim tragom kako bi se smanjila površina strujne petlje. “Linija vodećeg uzemljenja” treba biti položena s obje strane ključne signalne linije jednoslojne ploče, kao što je prikazano na slici 4. Ravnina projekcije ključne signalne linije dvoslojne ploče treba imati veliku površinu tla , ili istom metodom kao i jednoslojna ploča, dizajnirajte “Guide Ground Line”, kao što je prikazano na slici 5. “Zaštitna uzemljiva žica” s obje strane ključne signalne linije može smanjiti područje signalne petlje s jedne strane, i također spriječiti preslušavanje između signalne linije i drugih signalnih vodova.

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

Vještine postavljanja PCB-a

Prilikom projektiranja izgleda PCB-a, u potpunosti se pridržavajte načela dizajna postavljanja u ravnoj liniji duž smjera toka signala i pokušajte izbjeći petlje naprijed-natrag, kao što je prikazano na slici 6. To može izbjeći izravno spajanje signala i utjecati na kvalitetu signala. Osim toga, kako bi se spriječile međusobne smetnje i spajanje između sklopova i elektroničkih komponenti, postavljanje sklopova i raspored komponenti treba slijediti sljedeća načela:

1. Ako je sučelje “čisto tlo” dizajnirano na ploči, komponente za filtriranje i izolaciju trebale bi biti postavljene na izolacijski pojas između “čistog tla” i radnog tla. To može spriječiti da se uređaji za filtriranje ili izolaciju međusobno spajaju kroz ravninski 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, digitalni sklopovi i analogni sklopovi, te krugovi velike i male brzine trebaju biti odvojeno postavljeni kako bi se izbjegle međusobne smetnje između digitalnih sklopova, analognih sklopova, brzih krugova i sklopovi male brzine. Osim toga, kada na ploči istovremeno postoje strujni krugovi velike, srednje i male brzine, kako bi se spriječilo zračenje visokofrekventnog šuma kruga prema van kroz sučelje.

3. Filterski krug ulaznog priključka za napajanje na pločici treba biti postavljen blizu sučelja kako bi se spriječilo ponovno spajanje kruga koji je filtriran.

Slika 8 Filterski krug ulaznog priključka za napajanje trebao bi biti postavljen blizu sučelja

4. Komponente za filtriranje, zaštitu i izolaciju sklopa sučelja smještene su blizu sučelja, kao što je prikazano na slici 9, čime se mogu učinkovito postići učinci zaštite, filtriranja i izolacije. Ako na sučelju postoji i filtar 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 filtra, krug filtra će se oštetiti prenaponom i prekomjernom strujom. Osim toga, budući da će ulazni i izlazni vodovi kruga oslabiti učinak filtriranja, izolacije ili zaštite kada su spojeni jedan s drugim, osigurajte da ulazni i izlazni vodovi filtarskog kruga (filtera), izolacijskog i zaštitnog kruga ne budu spojiti jedno s drugim tijekom rasporeda.

5. Osjetljivi sklopovi ili uređaji (kao što su krugovi za resetiranje, itd.) trebaju biti udaljeni najmanje 1000 milja od svakog ruba ploče, posebno ruba sučelja ploče.

6. Kondenzatori za pohranu energije i visokofrekventni filtar trebali bi se postaviti u blizini sklopova jedinice ili uređaja s velikim promjenama struje (kao što su ulazni i izlazni terminali modula napajanja, ventilatori i releji) kako bi se smanjilo područje petlje velika strujna petlja.

7. Komponente filtra moraju biti postavljene jedna uz drugu kako bi se spriječilo ponovno ometanje filtriranog kruga.

8. Uređaje jakog zračenja kao što su kristali, kristalni oscilatori, releji i sklopni izvori napajanja držite najmanje 1000 milja od konektora sučelja na ploči. Na taj način, smetnje se mogu zračiti izravno ili se struja može spojiti na odlazni kabel kako bi zračila prema van.

Pravila ožičenja PCB-a

Osim odabira komponenti i dizajna sklopa, dobro ožičenje tiskanih ploča (PCB) također je vrlo važan čimbenik u elektromagnetskoj kompatibilnosti. Budući da je PCB inherentna komponenta sustava, poboljšanje elektromagnetske 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 elektromagnetskom kompatibilnošću, umjesto da ih eliminira. U mnogim slučajevima, čak ni dodavanje filtara i komponenti ne može riješiti ove probleme. Na kraju je cijela ploča morala biti ponovno ožičena. Stoga je to najisplativiji način za razvoj dobrih navika ožičenja PCB-a na početku. Sljedeće će uvesti neka opća pravila ožičenja PCB-a i strategije projektiranja električnih vodova, uzemljenja i signalnih vodova. Konačno, u skladu s ovim pravilima, predlažu se mjere poboljšanja za tipični krug tiskane ploče klima uređaja. 1. Razdvajanje ožičenja Funkcija razdvajanja ožičenja je minimiziranje preslušavanja i spajanja šuma između susjednih krugova u istom sloju PCB-a. Specifikacija 3W navodi da svi signali (sat, video, audio, reset, itd.) moraju biti izolirani od linije do linije, od ruba do ruba, kao što je prikazano na slici 10. Kako bi se dodatno smanjilo magnetsko spajanje, referentna masa je postavljen blizu ključnog signala kako bi se izolirao spojni šum koji stvaraju drugi signalni vodovi.

2. Postavljanje zaštitne i shunt linije Skretnica i zaštitna linija vrlo su učinkovita metoda za izolaciju i zaštitu ključnih signala, kao što su signali takta sustava u bučnom okruženju. Na slici 21, paralelni ili zaštitni krug u PCB-u položen je duž kruga signala ključa. Zaštitni krug ne samo da izolira spojni magnetski tok koji generiraju druge signalne linije, već također izolira ključne signale od spajanja s drugim signalnim linijama. Razlika između skretnog voda i zaštitnog voda je u tome što vod shunt ne mora biti prekinut (spojen na uzemljenje), ali oba kraja zaštitnog voda moraju biti spojena na masu. Kako bi se dodatno smanjilo spajanje, zaštitni krug u višeslojnoj PCB može se dodati s putanjom do zemlje svaki drugi segment.

3. Dizajn dalekovoda temelji se na veličini struje tiskane ploče, a širina dalekovoda je što deblja kako bi se smanjio otpor petlje. Istodobno, neka smjer dalekovoda i uzemljenja bude u skladu sa smjerom prijenosa podataka, što pomaže poboljšati sposobnost zaštite od buke. U jednom ili dvostrukom panelu, ako je dalekovod jako dugačak, treba dodati kondenzator za razdvajanje u zemlju svakih 3000 mil, a vrijednost kondenzatora je 10uF+1000pF.

Dizajn žice za uzemljenje

Principi projektiranja žice za uzemljenje su:

(1) Digitalno uzemljenje je odvojeno od analognog uzemljenja. Ako na ploči postoje i logički i linearni sklopovi, treba ih razdvojiti što je više moguće. Uzemljenje niskofrekventnog kruga treba biti paralelno uzemljeno u jednoj točki što je više moguće. Kada je stvarno ožičenje teško, može se djelomično spojiti u seriju, a zatim paralelno uzemljiti. Visokofrekventni krug treba biti uzemljen na više točaka u seriji, žica za uzemljenje treba biti kratka i iznajmljena, a uzemljena folija velike površine poput mreže treba se koristiti oko visokofrekventne komponente što je više moguće.

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

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

Dizajn signalne linije

Za ključne signalne linije, ako ploča ima unutarnji sloj ožičenja signala, ključne signalne linije kao što su satovi trebaju biti položene na unutarnji 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 prolazima i jastučićima, inače će to dovesti do povećanja područja signalne petlje. A linija ključnog signala trebala bi biti više od 3H od ruba referentne ravnine (H je visina linije od referentne ravnine) kako bi se suzbio učinak zračenja ruba. Držite ih podalje od sučelja i izlaznih signalnih linija za satne linije, sabirnice, radiofrekventne linije i druge signalne linije jakog zračenja i signalne linije za resetiranje, signalne linije za odabir čipa, signale upravljanja sustavom i druge osjetljive signalne linije. To sprječava da se smetnje na liniji jakog zračenja signala spoje na izlaznu signalnu liniju i zrače prema van; i također izbjegava vanjske smetnje koje dovodi izlazna signalna linija sučelja od spajanja na osjetljivu signalnu liniju, uzrokujući pogrešan rad sustava. Diferencijalne signalne linije trebale bi biti na istom sloju, jednake duljine i ići paralelno, održavajući impedanciju dosljednom, a između diferencijalnih vodova ne bi smjelo biti drugog ožičenja. Budući da je zajamčena jednaka impedancija zajedničkog moda para diferencijalnih linija, njegova se sposobnost protiv smetnji može poboljšati. U skladu s gornjim pravilima ožičenja, tipični sklop tiskane ploče klima uređaja je poboljšan i optimiziran.