Oltre alla selezione dei componenti e alla progettazione dei circuiti, buona circuito stampato Il design (PCB) è anche un fattore molto importante nella compatibilità elettromagnetica. La chiave per la progettazione PCB EMC è ridurre il più possibile l’area di riflusso e lasciare che il percorso di riflusso fluisca nella direzione del progetto. I problemi di corrente di ritorno più comuni derivano da crepe nel piano di riferimento, modifica dello strato del piano di riferimento e segnale che scorre attraverso il connettore. I condensatori jumper o i condensatori di disaccoppiamento possono risolvere alcuni problemi, ma è necessario considerare l’impedenza complessiva di condensatori, via, pad e cablaggio. Questa lezione introdurrà la tecnologia di progettazione PCB di EMC da tre aspetti: strategia di stratificazione PCB, abilità di layout e regole di cablaggio.

Strategia di stratificazione PCB

Lo spessore, il processo e il numero di strati nel design del circuito non sono la chiave per risolvere il problema. Un buon impilamento a strati è garantire il bypass e il disaccoppiamento del bus di alimentazione e ridurre al minimo la tensione transitoria sullo strato di potenza o sul livello di terra. La chiave per schermare il campo elettromagnetico del segnale e dell’alimentazione. Dal punto di vista delle tracce di segnale, una buona strategia di stratificazione dovrebbe essere quella di posizionare tutte le tracce di segnale su uno o più livelli e questi livelli si trovano accanto al livello di potenza o al livello di terra. Per l’alimentatore, una buona strategia di stratificazione dovrebbe essere che lo strato di potenza sia adiacente allo strato di terra e la distanza tra lo strato di potenza e lo strato di terra sia la più piccola possibile. Questo è ciò che chiamiamo la strategia di “stratificazione”. Di seguito parleremo nello specifico dell’eccellente strategia di stratificazione PCB. 1. Il piano di proiezione dello strato di cablaggio dovrebbe trovarsi nella sua area del piano di rifusione. Se lo strato di cablaggio non si trova nell’area di proiezione dello strato piano di rifusione, durante il cablaggio saranno presenti linee di segnale all’esterno dell’area di proiezione, il che causerà il problema della “radiazione del bordo” e aumenterà anche l’area del loop del segnale , con conseguente aumento della radiazione di modo differenziale . 2. Cercare di evitare di installare strati di cablaggio adiacenti. Poiché tracce di segnale parallele su strati di cablaggio adiacenti possono causare diafonia del segnale, se è impossibile evitare gli strati di cablaggio adiacenti, la spaziatura tra i due strati di cablaggio dovrebbe essere aumentata in modo appropriato e la spaziatura tra lo strato di cablaggio e il suo circuito di segnale dovrebbe essere ridotto. 3. Gli strati piani adiacenti dovrebbero evitare la sovrapposizione dei loro piani di proiezione. Perché quando le proiezioni si sovrappongono, la capacità di accoppiamento tra gli strati farà sì che il rumore tra gli strati si accoppi tra loro.

Design della scheda multistrato

Quando la frequenza di clock supera i 5 MHz o il tempo di salita del segnale è inferiore a 5 ns, per controllare bene l’area del loop del segnale, è generalmente necessario un design della scheda multistrato. È necessario prestare attenzione ai seguenti principi quando si progettano schede multistrato: 1. Il livello di cablaggio chiave (lo strato in cui la linea dell’orologio, la linea del bus, la linea del segnale di interfaccia, la linea della radiofrequenza, la linea del segnale di ripristino, la linea del segnale di selezione del chip e vari segnali di controllo sono posizionate le linee) dovrebbe essere adiacente al piano di massa completo, preferibilmente tra i due piani di massa, come mostrato nella Figura 1. Le linee di segnale chiave sono generalmente radiazioni forti o linee di segnale estremamente sensibili. Il cablaggio vicino al piano di massa può ridurre l’area del loop del segnale, ridurre l’intensità della radiazione o migliorare la capacità anti-interferenza.

Figura 1 Lo strato di cablaggio chiave è tra i due piani di massa

2. Il piano di alimentazione deve essere retratto rispetto al piano di massa adiacente (valore consigliato 5H～20H). La retrazione del piano di potenza rispetto al suo piano di terra di ritorno può sopprimere efficacemente il problema della “radiazione di bordo”.

Inoltre, il piano di alimentazione di lavoro principale della scheda (il piano di alimentazione più utilizzato) dovrebbe essere vicino al suo piano di massa per ridurre efficacemente l’area del circuito della corrente di alimentazione, come mostrato nella Figura 3.

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

3. Se non c’è una linea di segnale ≥50MHz sugli strati TOP e BOTTOM della scheda. In tal caso, è meglio far passare il segnale ad alta frequenza tra i due strati piani per sopprimere la sua radiazione nello spazio.

Single-layer board and double-layer board design

Per la progettazione di schede a strato singolo e doppio, è necessario prestare attenzione alla progettazione delle linee di segnale chiave e delle linee elettriche. Ci deve essere un filo di terra accanto e parallelo alla traccia di alimentazione per ridurre l’area del circuito di corrente di alimentazione. La “Linea di terra guida” deve essere posata su entrambi i lati della linea di segnale chiave della scheda a strato singolo, come mostrato nella Figura 4. Il piano di proiezione della linea di segnale chiave della scheda a doppio strato dovrebbe avere un’ampia area di terra , o lo stesso metodo della scheda a strato singolo, progettare “Linea di terra guida”, come mostrato nella Figura 5. Il “filo di terra di protezione” su entrambi i lati della linea del segnale chiave può ridurre l’area del circuito di segnale da un lato, e anche prevenire la diafonia tra la linea di segnale e altre linee di segnale.

In generale, la stratificazione della scheda PCB può essere progettata secondo la tabella seguente.

Competenze di layout PCB

Quando si progetta il layout del PCB, rispettare pienamente il principio di progettazione del posizionamento in linea retta lungo la direzione del flusso del segnale e cercare di evitare il loop avanti e indietro, come mostrato nella Figura 6. Ciò può evitare l’accoppiamento diretto del segnale e influire sulla qualità del segnale. Inoltre, al fine di prevenire l’interferenza reciproca e l’accoppiamento tra circuiti e componenti elettronici, il posizionamento dei circuiti e la disposizione dei componenti dovrebbero seguire i seguenti principi:

1. Se sulla scheda è progettata un’interfaccia “terra pulita”, i componenti di filtraggio e isolamento devono essere posizionati sulla banda di isolamento tra la “terra pulita” e la terra di lavoro. Ciò può impedire ai dispositivi di filtraggio o isolamento di accoppiarsi tra loro attraverso lo strato planare, il che indebolisce l’effetto. Inoltre, sul “terreno pulito”, oltre ai dispositivi di filtraggio e protezione, non possono essere collocati altri dispositivi. 2. Quando più circuiti di moduli sono posizionati sullo stesso PCB, i circuiti digitali e i circuiti analogici e i circuiti ad alta e bassa velocità devono essere disposti separatamente per evitare interferenze reciproche tra circuiti digitali, circuiti analogici, circuiti ad alta velocità e circuiti a bassa velocità. Inoltre, quando sulla scheda sono presenti contemporaneamente circuiti ad alta, media e bassa velocità, per evitare che il rumore del circuito ad alta frequenza si irradi verso l’esterno attraverso l’interfaccia.

3. Il circuito del filtro della porta di ingresso dell’alimentazione della scheda deve essere posizionato vicino all’interfaccia per evitare che il circuito che è stato filtrato venga nuovamente accoppiato.

Figura 8 Il circuito del filtro della porta di ingresso dell’alimentazione deve essere posizionato vicino all’interfaccia

4. I componenti di filtraggio, protezione e isolamento del circuito di interfaccia sono posizionati vicino all’interfaccia, come mostrato nella Figura 9, che può ottenere efficacemente gli effetti di protezione, filtraggio e isolamento. Se sull’interfaccia sono presenti sia un filtro che un circuito di protezione, è necessario seguire il principio della prima protezione e poi del filtraggio. Poiché il circuito di protezione viene utilizzato per la soppressione di sovratensioni e sovracorrenti esterne, se il circuito di protezione viene posizionato dopo il circuito del filtro, il circuito del filtro verrà danneggiato da sovratensione e sovracorrente. Inoltre, poiché le linee di ingresso e uscita del circuito indeboliranno l’effetto di filtraggio, isolamento o protezione quando sono accoppiate tra loro, assicurarsi che le linee di ingresso e uscita del circuito di filtro (filtro), il circuito di isolamento e protezione non lo facciano. accoppiarsi tra loro durante il layout.

5. I circuiti oi dispositivi sensibili (come i circuiti di ripristino, ecc.) dovrebbero trovarsi ad almeno 1000 mil di distanza da ciascun bordo della scheda, in particolare dal bordo dell’interfaccia della scheda.

6. I condensatori di accumulo di energia e filtro ad alta frequenza devono essere posizionati vicino ai circuiti dell’unità o ai dispositivi con grandi variazioni di corrente (come i terminali di ingresso e uscita del modulo di alimentazione, ventole e relè) per ridurre l’area del circuito del grande anello di corrente.

7. I componenti del filtro devono essere affiancati per evitare che il circuito filtrato subisca nuovamente interferenze.

8. Tenere i dispositivi a forte radiazione come cristalli, oscillatori a cristallo, relè e alimentatori a commutazione ad almeno 1000 mil di distanza dai connettori di interfaccia della scheda. In questo modo l’interferenza può essere irradiata direttamente oppure la corrente può essere accoppiata al cavo in uscita per irradiarsi verso l’esterno.

Regole di cablaggio PCB

Oltre alla selezione dei componenti e alla progettazione del circuito, anche un buon cablaggio del circuito stampato (PCB) è un fattore molto importante per la compatibilità elettromagnetica. Poiché il PCB è un componente intrinseco del sistema, il miglioramento della compatibilità elettromagnetica nel cablaggio del PCB non comporterà costi aggiuntivi per il completamento finale del prodotto. Chiunque dovrebbe ricordare che un layout PCB scadente può causare più problemi di compatibilità elettromagnetica, piuttosto che eliminarli. In molti casi, anche l’aggiunta di filtri e componenti non può risolvere questi problemi. Alla fine, è stato necessario ricablare l’intera scheda. Pertanto, è il modo più conveniente per sviluppare buone abitudini di cablaggio PCB all’inizio. Di seguito verranno introdotte alcune regole generali di cablaggio PCB e le strategie di progettazione di linee di alimentazione, linee di terra e linee di segnale. Infine, secondo queste regole, vengono proposte misure migliorative per il circuito stampato tipico del condizionatore d’aria. 1. Separazione dei cavi La funzione della separazione dei cavi è ridurre al minimo la diafonia e l’accoppiamento del rumore tra circuiti adiacenti nello stesso strato del PCB. La specifica 3W stabilisce che tutti i segnali (clock, video, audio, reset, ecc.) devono essere isolati da linea a linea, da bordo a bordo, come mostrato nella Figura 10. Per ridurre ulteriormente l’accoppiamento magnetico, la massa di riferimento è posto vicino al segnale chiave per isolare il rumore di accoppiamento generato da altre linee di segnale.

2. Protezione e impostazione della linea di derivazione La linea di derivazione e di protezione è un metodo molto efficace per isolare e proteggere i segnali chiave, come i segnali di clock del sistema in un ambiente rumoroso. In Figura 21, il circuito di parallelo o di protezione nel PCB è disposto lungo il circuito del segnale chiave. Il circuito di protezione non solo isola il flusso magnetico di accoppiamento generato da altre linee di segnale, ma isola anche i segnali chiave dall’accoppiamento con altre linee di segnale. La differenza tra la linea di derivazione e la linea di protezione è che la linea di derivazione non deve essere terminata (collegata a terra), ma entrambe le estremità della linea di protezione devono essere collegate a terra. Per ridurre ulteriormente l’accoppiamento, il circuito di protezione nel PCB multistrato può essere aggiunto con un percorso a terra ogni due segmenti.

3. Il design della linea di alimentazione si basa sulla dimensione della corrente del circuito stampato e la larghezza della linea di alimentazione è il più spessa possibile per ridurre la resistenza del circuito. Allo stesso tempo, rendere coerente la direzione della linea elettrica e della linea di terra con la direzione della trasmissione dei dati, il che aiuta a migliorare la capacità antirumore. In un pannello singolo o doppio, se la linea di alimentazione è molto lunga, va aggiunto a terra un condensatore di disaccoppiamento ogni 3000 mil, e il valore del condensatore è 10uF+1000pF.

Progettazione del filo di terra

I principi della progettazione del filo di terra sono:

(1) La massa digitale è separata dalla massa analogica. Se ci sono sia circuiti logici che circuiti lineari sul circuito, dovrebbero essere separati il ​​più possibile. La massa del circuito a bassa frequenza dovrebbe essere collegata a terra in parallelo in un unico punto il più possibile. Quando il cablaggio effettivo è difficile, può essere collegato parzialmente in serie e quindi messo a terra in parallelo. Il circuito ad alta frequenza dovrebbe essere messo a terra in più punti in serie, il filo di terra dovrebbe essere corto e affittato, e il foglio di terra di ampia area simile a una griglia dovrebbe essere usato il più possibile attorno al componente ad alta frequenza.

(2) Il filo di terra deve essere il più spesso possibile. Se il filo di terra utilizza una linea molto tesa, il potenziale di terra cambia al variare della corrente, il che riduce le prestazioni antirumore. Pertanto, il filo di terra dovrebbe essere ispessito in modo che possa passare tre volte la corrente consentita sulla scheda stampata. Se possibile, il filo di messa a terra dovrebbe essere di 2~3 mm o più.

(3) Il filo di terra forma un anello chiuso. Per le schede stampate composte solo da circuiti digitali, la maggior parte dei loro circuiti di messa a terra sono disposti in loop per migliorare la resistenza al rumore.

Progettazione della linea di segnale

Per le linee di segnale chiave, se la scheda ha uno strato di cablaggio del segnale interno, le linee di segnale chiave come gli orologi dovrebbero essere poste sullo strato interno e la priorità è data allo strato di cablaggio preferito. Inoltre, le linee di segnale chiave non devono essere instradate attraverso l’area di partizione, compresi gli spazi vuoti del piano di riferimento causati da via e pad, altrimenti si verificherà un aumento dell’area del loop del segnale. E la linea del segnale chiave dovrebbe essere più di 3H dal bordo del piano di riferimento (H è l’altezza della linea dal piano di riferimento) per sopprimere l’effetto della radiazione del bordo. Per linee di clock, linee bus, linee di radiofrequenza e altre linee di segnale di radiazione forte e linee di segnale di ripristino, linee di segnale di selezione del chip, segnali di controllo del sistema e altre linee di segnale sensibili, tenerle lontane dall’interfaccia e dalle linee di segnale in uscita. Ciò impedisce che l’interferenza sulla linea del segnale radiante forte si accoppi alla linea del segnale in uscita e si irradi verso l’esterno; ed evita anche l’interferenza esterna portata dalla linea di segnale in uscita dell’interfaccia dall’accoppiamento alla linea di segnale sensibile, causando malfunzionamenti del sistema. Le linee del segnale differenziale dovrebbero trovarsi sullo stesso strato, di uguale lunghezza e funzionare in parallelo, mantenendo l’impedenza costante e non dovrebbero esserci altri cablaggi tra le linee differenziali. Poiché l’impedenza di modo comune della coppia di linee differenziali è garantita per essere uguale, la sua capacità anti-interferenza può essere migliorata. Secondo le regole di cablaggio di cui sopra, il circuito del circuito stampato tipico del condizionatore d’aria viene migliorato e ottimizzato.