Naast de selectie van componenten en circuitontwerp, is goed printplaat (PCB) ontwerp is ook een zeer belangrijke factor in elektromagnetische compatibiliteit. De sleutel tot PCB EMC-ontwerp is om het reflow-gebied zo veel mogelijk te verkleinen en het reflow-pad in de richting van het ontwerp te laten stromen. De meest voorkomende retourstroomproblemen komen van scheuren in het referentievlak, het veranderen van de referentievlaklaag en het signaal dat door de connector stroomt. Jumper-condensatoren of ontkoppelcondensatoren kunnen sommige problemen oplossen, maar er moet rekening worden gehouden met de algehele impedantie van condensatoren, via’s, pads en bedrading. Deze lezing introduceert EMC’s PCB-ontwerptechnologie vanuit drie aspecten: PCB-laagstrategie, lay-outvaardigheden en bedradingsregels.

PCB-laagstrategie

De dikte, het via-proces en het aantal lagen in het printplaatontwerp zijn niet de sleutel tot het oplossen van het probleem. Goede gelaagde stapeling is om de bypass en ontkoppeling van de voedingsbus te verzekeren en de transiënte spanning op de voedingslaag of grondlaag te minimaliseren. De sleutel tot het afschermen van het elektromagnetische veld van het signaal en de voeding. Vanuit het perspectief van signaalsporen zou een goede strategie voor het aanbrengen van lagen moeten zijn om alle signaalsporen op een of meerdere lagen te plaatsen, en deze lagen bevinden zich naast de vermogenslaag of grondlaag. Voor de stroomvoorziening zou een goede gelaagdheidsstrategie moeten zijn dat de stroomlaag grenst aan de grondlaag en dat de afstand tussen de stroomlaag en de grondlaag zo klein mogelijk is. Dit is wat we de “layering”-strategie noemen. Hieronder zullen we specifiek praten over de uitstekende PCB-laagstrategie. 1. Het projectievlak van de bedradingslaag moet zich in het gebied van de terugvloeivlaklaag bevinden. Als de bedradingslaag zich niet in het projectiegebied van de reflow-vlaklaag bevindt, zullen er tijdens de bedrading signaallijnen buiten het projectiegebied zijn, wat het probleem van de “randstraling” zal veroorzaken en ook het signaallusgebied zal vergroten , wat resulteert in een verhoogde differentiële modusstraling . 2. Probeer het opzetten van aangrenzende bedradingslagen te vermijden. Omdat parallelle signaalsporen op aangrenzende bedradingslagen signaaloverspraak kunnen veroorzaken, als het onmogelijk is om de aangrenzende bedradingslagen te vermijden, moet de laagafstand tussen de twee bedradingslagen op de juiste manier worden vergroot, en de laagafstand tussen de bedradingslaag en het signaalcircuit moet worden verminderd. 3. Aangrenzende vlakke lagen moeten overlapping van hun projectievlakken vermijden. Omdat wanneer de projecties elkaar overlappen, de koppelcapaciteit tussen de lagen ervoor zorgt dat de ruis tussen de lagen met elkaar koppelt.

Meerlagig bordontwerp

Wanneer de klokfrequentie 5 MHz overschrijdt, of de signaalstijgtijd minder is dan 5 ns, om het signaallusgebied goed te regelen, is over het algemeen een meerlagig bordontwerp vereist. Bij het ontwerpen van meerlagige borden moet op de volgende principes worden gelet: 1. De sleutelbedradingslaag (de laag waar de kloklijn, buslijn, interfacesignaallijn, radiofrequentielijn, resetsignaallijn, chipselectiesignaallijn en verschillende besturingssignalen lijnen bevinden) moeten grenzen aan het volledige grondvlak, bij voorkeur tussen de twee grondvlakken, zoals weergegeven in figuur 1. De belangrijkste signaallijnen zijn over het algemeen sterke straling of extreem gevoelige signaallijnen. Bedrading dicht bij het grondvlak kan het gebied van de signaallus verkleinen, de stralingsintensiteit verminderen of het anti-interferentievermogen verbeteren.

Afbeelding 1 De belangrijkste bedradingslaag bevindt zich tussen de twee grondvlakken

2. Het krachtvlak moet worden ingetrokken ten opzichte van het aangrenzende grondvlak (aanbevolen waarde 5H～20H). Het terugtrekken van het vermogensvlak ten opzichte van het retourgrondvlak kan het probleem van de “randstraling” effectief onderdrukken.

Bovendien moet het belangrijkste werkvermogen van het bord (het meest gebruikte vermogensvlak) zich dicht bij het grondvlak bevinden om het lusgebied van de voedingsstroom effectief te verminderen, zoals weergegeven in figuur 3.

Afbeelding 3 Het vermogensvlak moet zich dicht bij het grondvlak bevinden

3. Of er geen signaallijn ≥50MHz is op de BOVENSTE en ONDERSTE lagen van het bord. Als dat zo is, is het het beste om het hoogfrequente signaal tussen de twee vlakke lagen te laten lopen om de straling naar de ruimte te onderdrukken.

Enkellaags bord en dubbellaags bordontwerp

Voor het ontwerp van enkellaagse en dubbellaagse borden moet aandacht worden besteed aan het ontwerp van belangrijke signaallijnen en hoogspanningslijnen. Er moet een aardingsdraad naast en parallel aan het stroomspoor zijn om het gebied van de stroomstroomlus te verkleinen. “Guide Ground Line” moet aan beide zijden van de belangrijkste signaallijn van het enkellaagse bord worden gelegd, zoals weergegeven in figuur 4. Het projectievlak van de belangrijkste signaallijn van het dubbellaagse bord moet een groot grondoppervlak hebben , of dezelfde methode als het enkellaagse bord, ontwerp “Guide Ground Line”, zoals weergegeven in figuur 5. De “guard ground wire” aan beide zijden van de belangrijkste signaallijn kan enerzijds het signaallusgebied verkleinen, en voorkomen ook overspraak tussen de signaallijn en andere signaallijnen.

Over het algemeen kan de gelaagdheid van de printplaat worden ontworpen volgens de volgende tabel.

PCB-layoutvaardigheden

Houd bij het ontwerpen van de PCB-lay-out volledig rekening met het ontwerpprincipe van plaatsing in een rechte lijn langs de richting van de signaalstroom en probeer heen en weer lussen te voorkomen, zoals weergegeven in afbeelding 6. Dit kan directe signaalkoppeling voorkomen en de signaalkwaliteit beïnvloeden. Om onderlinge interferentie en koppeling tussen circuits en elektronische componenten te voorkomen, moeten de plaatsing van circuits en de lay-out van componenten bovendien de volgende principes volgen:

1. Als er een “schone grond”-interface op het bord is ontworpen, moeten de filter- en isolatiecomponenten op de isolatieband tussen de “schone grond” en de werkgrond worden geplaatst. Dit kan voorkomen dat de filter- of isolatie-inrichtingen aan elkaar koppelen via de vlakke laag, wat het effect verzwakt. Bovendien kunnen op de “schone grond”, behalve filter- en beveiligingsapparatuur, geen andere apparaten worden geplaatst. 2. Wanneer meerdere modulecircuits op dezelfde PCB worden geplaatst, moeten digitale circuits en analoge circuits, en high-speed en low-speed circuits afzonderlijk worden aangelegd om wederzijdse interferentie tussen digitale circuits, analoge circuits, high-speed circuits en circuits met lage snelheid. Bovendien, wanneer tegelijkertijd hoge, gemiddelde en lage snelheidscircuits op de printplaat aanwezig zijn, om te voorkomen dat hoogfrequente circuitruis naar buiten uitstraalt via de interface.

3. Het filtercircuit van de voedingsingang van de printplaat moet dicht bij de interface worden geplaatst om te voorkomen dat het gefilterde circuit opnieuw wordt gekoppeld.

Afbeelding 8 Het filtercircuit van de voedingsingangspoort moet dicht bij de interface worden geplaatst

4. De filter-, beschermings- en isolatiecomponenten van het interfacecircuit worden dicht bij de interface geplaatst, zoals weergegeven in figuur 9, waardoor de effecten van bescherming, filtering en isolatie effectief kunnen worden bereikt. Als er zowel een filter als een beveiligingscircuit op de interface is, moet het principe van eerste bescherming en vervolgens filtering worden gevolgd. Omdat het beveiligingscircuit wordt gebruikt voor externe overspanning en overstroomonderdrukking, wordt het filtercircuit beschadigd door overspanning en overstroom als het beveiligingscircuit na het filtercircuit wordt geplaatst. Bovendien, aangezien de ingangs- en uitgangslijnen van het circuit het filter-, isolatie- of beschermingseffect zullen verzwakken wanneer ze aan elkaar zijn gekoppeld, moet u ervoor zorgen dat de ingangs- en uitgangslijnen van het filtercircuit (filter), isolatie- en beschermingscircuit niet koppel met elkaar tijdens de lay-out.

5. Gevoelige circuits of apparaten (zoals resetcircuits, enz.) moeten minstens 1000 mil verwijderd zijn van elke rand van het bord, vooral de rand van de bordinterface.

6. Energieopslag en hoogfrequente filtercondensatoren moeten in de buurt van de unitcircuits of apparaten met grote stroomveranderingen worden geplaatst (zoals de ingangs- en uitgangsklemmen van de voedingsmodule, ventilatoren en relais) om het lusgebied van de grote stroomlus.

7. De filtercomponenten moeten naast elkaar worden geplaatst om te voorkomen dat het gefilterde circuit opnieuw wordt gestoord.

8. Houd apparaten met sterke straling, zoals kristallen, kristaloscillatoren, relais en schakelende voedingen, op een afstand van ten minste 1000 mils van de kaartinterfaceconnectoren. Op deze manier kan de interferentie direct worden uitgestraald of kan de stroom worden gekoppeld aan de uitgaande kabel om naar buiten uit te stralen.

Regels voor PCB-bedrading

Naast de selectie van componenten en het ontwerp van de schakeling, is een goede bedrading van printplaten (PCB’s) ook een zeer belangrijke factor in elektromagnetische compatibiliteit. Aangezien PCB een inherent onderdeel van het systeem is, zal het verbeteren van de elektromagnetische compatibiliteit in PCB-bedrading geen extra kosten met zich meebrengen voor de uiteindelijke voltooiing van het product. Iedereen moet onthouden dat een slechte PCB-layout meer elektromagnetische compatibiliteitsproblemen kan veroorzaken in plaats van ze te elimineren. In veel gevallen kan zelfs de toevoeging van filters en componenten deze problemen niet oplossen. Uiteindelijk moest het hele bord opnieuw worden bedraad. Daarom is het de meest kosteneffectieve manier om in het begin goede PCB-bedradingsgewoonten te ontwikkelen. Het volgende introduceert enkele algemene regels voor PCB-bedrading en de ontwerpstrategieën van hoogspanningslijnen, grondlijnen en signaallijnen. Tot slot worden volgens deze regels verbetermaatregelen voorgesteld voor het typische printplaatcircuit van de airconditioner. 1. Bedradingscheiding De functie van bedradingsscheiding is het minimaliseren van overspraak en ruiskoppeling tussen aangrenzende circuits in dezelfde laag van de PCB. De 3W-specificatie stelt dat alle signalen (klok, video, audio, reset, enz.) van lijn tot lijn, van rand tot rand moeten worden geïsoleerd, zoals weergegeven in afbeelding 10. Om de magnetische koppeling verder te verminderen, is de referentieaarde geplaatst in de buurt van het sleutelsignaal om de koppelingsruis te isoleren die wordt gegenereerd door andere signaallijnen.

2. Beveiligings- en shuntlijninstelling Shunt- en beveiligingslijn is een zeer effectieve methode om belangrijke signalen, zoals systeemkloksignalen, te isoleren en te beschermen in een lawaaierige omgeving. In figuur 21 is het parallelle of beveiligingscircuit in de printplaat langs het circuit van het sleutelsignaal gelegd. Het beveiligingscircuit isoleert niet alleen de magnetische koppelingsflux die wordt gegenereerd door andere signaallijnen, maar isoleert ook sleutelsignalen van koppeling met andere signaallijnen. Het verschil tussen de shuntlijn en de beveiligingslijn is dat de shuntlijn niet hoeft te worden afgesloten (verbonden met aarde), maar dat beide uiteinden van de beveiligingslijn met de grond moeten worden verbonden. Om de koppeling verder te verminderen, kan het beveiligingscircuit in de meerlaagse PCB worden toegevoegd met een pad naar de grond om het andere segment.

3. Het ontwerp van de voedingslijn is gebaseerd op de grootte van de stroom van de printplaat en de breedte van de voedingslijn is zo dik mogelijk om de lusweerstand te verminderen. Maak tegelijkertijd de richting van de hoogspanningslijn en de grondlijn consistent met de richting van de gegevensoverdracht, wat helpt om het anti-ruisvermogen te verbeteren. In een enkel of dubbel paneel, als de voedingslijn erg lang is, moet elke 3000 mil een ontkoppelcondensator aan de grond worden toegevoegd, en de waarde van de condensator is 10uF+1000pF.

Ontwerp van aardingsdraad

De principes van aarddraadontwerp zijn:

(1) De digitale aarde is gescheiden van de analoge aarde. Als er zowel logische schakelingen als lineaire schakelingen op de printplaat aanwezig zijn, moeten deze zoveel mogelijk gescheiden zijn. De aarde van het laagfrequente circuit moet zoveel mogelijk op één punt parallel worden geaard. Wanneer de eigenlijke bedrading moeilijk is, kan deze gedeeltelijk in serie worden geschakeld en vervolgens parallel worden geaard. Het hoogfrequente circuit moet op meerdere punten in serie worden geaard, de aardingsdraad moet kort en verhuurd zijn en de rasterachtige grondfolie met groot oppervlak moet zoveel mogelijk rond de hoogfrequente component worden gebruikt.

(2) De aardingsdraad moet zo dik mogelijk zijn. Als de aardingsdraad een zeer strakke lijn gebruikt, verandert het aardpotentiaal met de verandering van de stroom, wat de anti-ruisprestaties vermindert. Daarom moet de aardingsdraad worden verdikt, zodat deze drie keer de toegestane stroom op de printplaat kan passeren. Indien mogelijk moet de aardingsdraad 2 ~ 3 mm of meer zijn.

(3) De aarddraad vormt een gesloten lus. Voor printplaten die alleen uit digitale circuits bestaan, zijn de meeste van hun aardingscircuits gerangschikt in lussen om de ruisweerstand te verbeteren.

Signaallijn ontwerp

Voor sleutelsignaallijnen, als het bord een interne signaalbedradingslaag heeft, moeten de sleutelsignaallijnen zoals klokken op de binnenlaag worden gelegd en wordt prioriteit gegeven aan de voorkeursbedradingslaag. Bovendien mogen belangrijke signaallijnen niet over het scheidingsgebied worden geleid, inclusief gaten in het referentievlak veroorzaakt door via’s en pads, anders zal dit leiden tot een toename van het gebied van de signaallus. En de belangrijkste signaallijn moet meer dan 3H van de rand van het referentievlak zijn (H is de hoogte van de lijn vanaf het referentievlak) om het randstralingseffect te onderdrukken. Voor kloklijnen, buslijnen, radiofrequentielijnen en andere sterke stralingssignaallijnen en resetsignaallijnen, chipselectiesignaallijnen, systeembesturingssignalen en andere gevoelige signaallijnen, houd ze uit de buurt van de interface en uitgaande signaallijnen. Dit voorkomt dat de interferentie op de sterk uitstralende signaallijn wordt gekoppeld aan de uitgaande signaallijn en naar buiten uitstraalt; en vermijdt ook de externe interferentie die wordt veroorzaakt door de uitgaande signaallijn van de interface van koppeling naar de gevoelige signaallijn, waardoor het systeem niet goed werkt. Differentiële signaallijnen moeten zich op dezelfde laag bevinden, even lang zijn en parallel lopen, waarbij de impedantie consistent blijft, en er mag geen andere bedrading tussen de differentiële lijnen zijn. Omdat gegarandeerd is dat de common-mode-impedantie van het differentiële lijnpaar gelijk is, kan het anti-interferentievermogen worden verbeterd. Volgens de bovenstaande bedradingsregels is het typische printplaatcircuit van de airconditioner verbeterd en geoptimaliseerd.