Além da seleção de componentes e design de circuito, bom placa de circuito impresso O design (PCB) também é um fator muito importante na compatibilidade eletromagnética. A chave para o projeto PCB EMC é reduzir a área de refluxo tanto quanto possível e deixar o caminho de refluxo fluir na direção do projeto. Os problemas mais comuns de corrente de retorno vêm de rachaduras no plano de referência, alterando a camada do plano de referência e o sinal que flui através do conector. Capacitores de jumpers ou capacitores de desacoplamento podem resolver alguns problemas, mas a impedância geral dos capacitores, vias, pads e fiação deve ser considerada. Esta palestra apresentará a tecnologia de design de PCB da EMC a partir de três aspectos: estratégia de camadas de PCB, habilidades de layout e regras de fiação.

Estratégia de camadas de PCB

A espessura, via processo e o número de camadas no design da placa de circuito não são a chave para resolver o problema. Um bom empilhamento em camadas é para garantir o desvio e desacoplamento do barramento de força e minimizar a tensão transitória na camada de força ou camada de solo. A chave para proteger o campo eletromagnético do sinal e da fonte de alimentação. Do ponto de vista dos traços de sinal, uma boa estratégia de estratificação deve ser colocar todos os traços de sinal em uma ou várias camadas, e essas camadas estão próximas à camada de energia ou camada de solo. Para a fonte de alimentação, uma boa estratégia de estratificação deve ser que a camada de energia seja adjacente à camada de solo e a distância entre a camada de energia e a camada de solo seja a menor possível. Isso é o que chamamos de estratégia de “camadas”. Abaixo, falaremos especificamente sobre a excelente estratégia de camadas de PCB. 1. O plano de projeção da camada de fiação deve estar em sua área de camada de plano de refluxo. Se a camada de fiação não estiver na área de projeção da camada de plano de refluxo, haverá linhas de sinal fora da área de projeção durante a fiação, o que causará o problema de “radiação de borda” e também fará com que a área de loop de sinal aumente , resultando em maior radiação de modo diferencial. 2. Tente evitar a configuração de camadas de fiação adjacentes. Como os traços de sinal paralelos em camadas de fiação adjacentes podem causar diafonia de sinal, se for impossível evitar as camadas de fiação adjacentes, o espaçamento da camada entre as duas camadas de fiação deve ser aumentado de forma adequada, e o espaçamento da camada entre a camada de fiação e seu circuito de sinal deve ser reduzido. 3. As camadas do plano adjacente devem evitar a sobreposição de seus planos de projeção. Porque quando as projeções se sobrepõem, a capacitância de acoplamento entre as camadas fará com que o ruído entre as camadas se acople.

Design de placa multicamadas

Quando a frequência do clock excede 5 MHz, ou o tempo de subida do sinal é inferior a 5ns, para controlar bem a área de loop do sinal, geralmente é necessário um projeto de placa multicamadas. Os seguintes princípios devem ser prestados atenção ao projetar placas multicamadas: 1. A camada de fiação principal (a camada onde a linha do relógio, linha de barramento, linha de sinal de interface, linha de radiofrequência, linha de sinal de reinicialização, linha de sinal de seleção de chip e vários sinais de controle linhas estão localizadas) deve ser adjacente ao plano de terra completo, de preferência entre os dois planos de terra, como mostrado na Figura 1. As linhas de sinal chave são geralmente de radiação forte ou linhas de sinal extremamente sensíveis. A fiação perto do plano de aterramento pode reduzir a área do loop de sinal, reduzir a intensidade da radiação ou melhorar a capacidade anti-interferência.

Figura 1 A camada de fiação principal está entre os dois planos de solo

2. O plano de potência deve ser retraído em relação ao seu plano de aterramento adjacente (valor recomendado 5H ～ 20H). A retração do plano de potência em relação ao seu plano de aterramento de retorno pode efetivamente suprimir o problema da “radiação de borda”.

Além disso, o plano de potência de trabalho principal da placa (o plano de potência mais amplamente utilizado) deve estar próximo ao seu plano de terra para reduzir efetivamente a área de loop da corrente de fonte de alimentação, conforme mostrado na Figura 3.

Figura 3 O plano de potência deve estar próximo ao seu plano de terra

3. Se não há linha de sinal ≥50 MHz nas camadas SUPERIOR e INFERIOR da placa. Nesse caso, é melhor caminhar o sinal de alta frequência entre as duas camadas planas para suprimir sua radiação para o espaço.

Placa de camada única e design de placa de camada dupla

Para o projeto de placas de camada única e dupla, deve-se prestar atenção ao projeto das principais linhas de sinal e linhas de energia. Deve haver um fio terra próximo e paralelo ao rastreamento de energia para reduzir a área do loop de corrente de energia. “Guia de linha de aterramento” deve ser colocado em ambos os lados da linha de sinal principal da placa de camada única, conforme mostrado na Figura 4. O plano de projeção da linha de sinal principal da placa de camada dupla deve ter uma grande área de aterramento , ou o mesmo método que a placa de camada única, projete “Linha de aterramento de guia”, conforme mostrado na Figura 5. O “fio de aterramento de proteção” em ambos os lados da linha de sinal principal pode reduzir a área de loop de sinal por um lado, e também evita a interferência entre a linha de sinal e outras linhas de sinal.

Em geral, as camadas da placa PCB podem ser projetadas de acordo com a tabela a seguir.

Habilidades de layout de PCB

Ao projetar o layout da PCB, cumpra totalmente o princípio de design de colocar em linha reta ao longo da direção do fluxo do sinal e tente evitar looping para frente e para trás, conforme mostrado na Figura 6. Isso pode evitar o acoplamento direto do sinal e afetar a qualidade do sinal. Além disso, a fim de evitar interferência mútua e acoplamento entre circuitos e componentes eletrônicos, a colocação dos circuitos e o layout dos componentes devem seguir os seguintes princípios:

1. Se uma interface de “aterramento limpo” for projetada na placa, os componentes de filtragem e isolamento devem ser colocados na faixa de isolamento entre o “aterramento limpo” e o aterramento de trabalho. Isso pode impedir que os dispositivos de filtragem ou isolamento se acoplem uns aos outros através da camada plana, o que enfraquece o efeito. Além disso, no “solo limpo”, além dos dispositivos de filtragem e proteção, nenhum outro dispositivo pode ser colocado. 2. Quando vários circuitos de módulo são colocados no mesmo PCB, circuitos digitais e circuitos analógicos e circuitos de alta e baixa velocidade devem ser dispostos separadamente para evitar interferência mútua entre circuitos digitais, circuitos analógicos, circuitos de alta velocidade e circuitos de baixa velocidade. Além disso, quando circuitos de alta, média e baixa velocidade existem na placa de circuito ao mesmo tempo, para evitar que o ruído do circuito de alta frequência se irradie para fora através da interface.

3. O circuito do filtro da porta de entrada de energia da placa de circuito deve ser colocado próximo à interface para evitar que o circuito que foi filtrado seja acoplado novamente.

Figura 8 O circuito do filtro da porta de entrada de energia deve ser colocado perto da interface

4. Os componentes de filtragem, proteção e isolamento do circuito de interface são colocados próximos à interface, conforme mostrado na Figura 9, que podem efetivamente atingir os efeitos de proteção, filtragem e isolamento. Se houver um filtro e um circuito de proteção na interface, o princípio da primeira proteção e depois da filtragem deve ser seguido. Como o circuito de proteção é usado para sobretensão externa e supressão de sobrecorrente, se o circuito de proteção for colocado após o circuito do filtro, o circuito do filtro será danificado por sobretensão e sobrecorrente. Além disso, uma vez que as linhas de entrada e saída do circuito enfraquecem o efeito de filtragem, isolamento ou proteção quando são acopladas umas às outras, certifique-se de que as linhas de entrada e saída do circuito de filtro (filtro), isolamento e circuito de proteção não acoplar-se durante o layout.

5. Os circuitos ou dispositivos sensíveis (como circuitos de reinicialização, etc.) devem estar a pelo menos 1000 mil de distância de cada borda da placa, especialmente a borda da interface da placa.

6. O armazenamento de energia e os capacitores de filtro de alta frequência devem ser colocados perto dos circuitos da unidade ou dispositivos com grandes mudanças de corrente (como os terminais de entrada e saída do módulo de energia, ventiladores e relés) para reduzir a área de loop do grande loop de corrente.

7. Os componentes do filtro devem ser colocados lado a lado para evitar que o circuito filtrado seja interferido novamente.

8. Mantenha os dispositivos de radiação forte, como cristais, osciladores de cristal, relés e fontes de alimentação comutadas, a pelo menos 1000 mils de distância dos conectores de interface da placa. Desta forma, a interferência pode ser irradiada diretamente ou a corrente pode ser acoplada ao cabo de saída para irradiar para fora.

Regras de fiação de PCB

Além da seleção de componentes e design de circuito, uma boa fiação da placa de circuito impresso (PCB) também é um fator muito importante na compatibilidade eletromagnética. Uma vez que o PCB é um componente inerente do sistema, o aprimoramento da compatibilidade eletromagnética na fiação do PCB não trará custos adicionais para a conclusão final do produto. Qualquer pessoa deve se lembrar que um layout de PCB ruim pode causar mais problemas de compatibilidade eletromagnética, ao invés de eliminá-los. Em muitos casos, mesmo a adição de filtros e componentes não pode resolver esses problemas. No final, toda a placa teve que ser reconectada. Portanto, é a maneira mais econômica de desenvolver bons hábitos de fiação de PCB no início. A seguir apresentará algumas regras gerais de fiação de PCB e as estratégias de projeto de linhas de energia, linhas de aterramento e linhas de sinal. Finalmente, de acordo com essas regras, são propostas medidas de melhoria para o circuito da placa de circuito impresso típico do ar condicionado. 1. Separação da fiação A função da separação da fiação é minimizar a interferência e o acoplamento de ruído entre circuitos adjacentes na mesma camada do PCB. A especificação 3W afirma que todos os sinais (relógio, vídeo, áudio, reset, etc.) devem ser isolados linha a linha, borda a borda, conforme mostrado na Figura 10. Para reduzir ainda mais o acoplamento magnético, o aterramento de referência é colocado próximo ao sinal principal para isolar o ruído de acoplamento gerado por outras linhas de sinal.

2. Configuração da linha de proteção e shunt A linha de shunt e proteção é um método muito eficaz para isolar e proteger os sinais principais, como os sinais do relógio do sistema em um ambiente barulhento. Na Figura 21, o circuito paralelo ou de proteção no PCB é colocado ao longo do circuito do sinal de chave. O circuito de proteção não apenas isola o fluxo magnético de acoplamento gerado por outras linhas de sinal, mas também isola os sinais principais do acoplamento com outras linhas de sinal. A diferença entre a linha de shunt e a linha de proteção é que a linha de shunt não precisa ser terminada (conectada ao terra), mas ambas as extremidades da linha de proteção devem ser conectadas ao terra. A fim de reduzir ainda mais o acoplamento, o circuito de proteção no PCB multicamadas pode ser adicionado com um caminho para o terra a cada dois segmentos.

3. O design da linha de alimentação é baseado no tamanho da corrente da placa de circuito impresso e a largura da linha de alimentação é a mais espessa possível para reduzir a resistência do circuito. Ao mesmo tempo, faça com que a direção da linha de alimentação e da linha de aterramento seja consistente com a direção da transmissão de dados, o que ajuda a aumentar a capacidade anti-ruído. Em um painel simples ou duplo, se a linha de alimentação for muito longa, um capacitor de desacoplamento deve ser adicionado ao solo a cada 3000 mil, e o valor do capacitor é 10uF + 1000pF.

Projeto do fio terra

Os princípios do projeto do fio terra são:

(1) O aterramento digital é separado do aterramento analógico. Se houver circuitos lógicos e circuitos lineares na placa de circuito, eles devem ser separados o máximo possível. O aterramento do circuito de baixa frequência deve ser aterrado em paralelo em um único ponto, tanto quanto possível. Quando a fiação real é difícil, ela pode ser parcialmente conectada em série e então aterrada em paralelo. O circuito de alta frequência deve ser aterrado em vários pontos em série, o fio terra deve ser curto e alugado e a folha de aterramento de grande área semelhante a uma grade deve ser usada ao redor do componente de alta frequência tanto quanto possível.

(2) O fio de aterramento deve ser o mais grosso possível. Se o fio terra usar uma linha muito estreita, o potencial de terra muda com a mudança da corrente, o que reduz o desempenho anti-ruído. Portanto, o fio terra deve ser engrossado para que possa passar três vezes a corrente permitida na placa impressa. Se possível, o fio de aterramento deve ter 2 ~ 3 mm ou mais.

(3) O fio terra forma um circuito fechado. Para placas impressas compostas apenas por circuitos digitais, a maioria de seus circuitos de aterramento são dispostos em loops para melhorar a resistência ao ruído.

Projeto da linha de sinal

Para linhas de sinal de chave, se a placa tiver uma camada de fiação de sinal interna, as linhas de sinal de chave, como relógios, devem ser colocadas na camada interna e a prioridade é dada à camada de fiação preferida. Além disso, as linhas de sinal chave não devem ser roteadas pela área de partição, incluindo lacunas de plano de referência causadas por vias e pads, caso contrário, isso levará a um aumento na área do loop de sinal. E a linha de sinal principal deve estar a mais de 3H da borda do plano de referência (H é a altura da linha do plano de referência) para suprimir o efeito de radiação da borda. Para linhas de relógio, linhas de ônibus, linhas de radiofrequência e outras linhas de sinal de radiação forte e linhas de sinal de redefinição, linhas de sinal de seleção de chip, sinais de controle do sistema e outras linhas de sinal sensíveis, mantenha-os longe da interface e das linhas de sinal de saída. Isso evita que a interferência na linha de sinal de irradiação forte acople à linha de sinal de saída e irradie para fora; e também evita a interferência externa trazida pela linha de sinal de saída da interface do acoplamento à linha de sinal sensível, causando operação incorreta do sistema. As linhas de sinal diferencial devem estar na mesma camada, comprimento igual e correr em paralelo, mantendo a impedância consistente, e não deve haver nenhuma outra fiação entre as linhas diferenciais. Como a impedância de modo comum do par de linhas diferenciais é garantida para ser igual, sua capacidade anti-interferência pode ser melhorada. De acordo com as regras de fiação acima, o circuito da placa de circuito impresso típico do ar condicionado é melhorado e otimizado.