site logo

Анализ технологии проектирования печатных плат на основе EMC

Помимо выбора комплектующих и схемотехники, хорошая печатная плата (PCB) Дизайн также является очень важным фактором электромагнитной совместимости. Ключевым моментом при проектировании ЭМС печатной платы является максимальное уменьшение площади оплавления и обеспечение движения пути оплавления в направлении конструкции. Наиболее частые проблемы с обратным током возникают из-за трещин в опорной плоскости, изменения слоя опорной плоскости и прохождения сигнала через разъем. Конденсаторы-перемычки или развязывающие конденсаторы могут решить некоторые проблемы, но необходимо учитывать общее сопротивление конденсаторов, переходных отверстий, контактных площадок и проводки. Эта лекция представит технологию проектирования печатных плат EMC с трех аспектов: стратегия размещения печатных плат, навыки компоновки и правила электромонтажа.

ipcb

Стратегия наслоения печатных плат

Толщина, технологический процесс и количество слоев в конструкции печатной платы не являются ключом к решению проблемы. Хорошее многослойное стекирование должно гарантировать шунтирование и развязку силовой шины и минимизировать переходное напряжение на силовом слое или слое заземления. Ключ к экранированию электромагнитного поля сигнала и источника питания. С точки зрения трассировки сигналов, хорошей стратегией наложения слоев должно быть размещение всех трасс сигнала на одном или нескольких слоях, и эти слои должны находиться рядом с уровнем мощности или уровнем земли. Для источника питания хорошая стратегия разделения на слои должна заключаться в том, чтобы слой питания находился рядом с слоем земли, а расстояние между слоем питания и слоем земли было как можно меньше. Это то, что мы называем стратегией «расслоения». Ниже мы конкретно поговорим об отличной стратегии расслоения печатных плат. 1. Плоскость проекции слоя разводки должна находиться в области его слоя плоскости оплавления. Если слой разводки не находится в области проекции слоя плоскости оплавления, сигнальные линии будут выходить за пределы области проецирования во время разводки, что вызовет проблему «краевого излучения», а также приведет к увеличению площади сигнального контура. , что приводит к увеличению излучения в дифференциальной моде. 2. Старайтесь избегать установки смежных слоев разводки. Поскольку параллельные сигнальные дорожки на соседних слоях разводки могут вызвать перекрестные помехи, если невозможно избежать соседних слоев разводки, расстояние между двумя слоями разводки должно быть соответствующим образом увеличено, а расстояние между слоем разводки и его сигнальной цепью должно быть увеличено. быть уменьшенным. 3. Соседние плоские слои не должны перекрывать их плоскости проекции. Потому что, когда выступы перекрываются, емкость связи между слоями вызовет шум между слоями, чтобы соединиться друг с другом.

Многослойный дизайн платы

Когда тактовая частота превышает 5 МГц или время нарастания сигнала меньше 5 нс, для правильного управления площадью сигнального контура обычно требуется многослойная конструкция платы. При разработке многослойных плат следует обратить внимание на следующие принципы: 1. Ключевой слой разводки (слой, на котором линия синхронизации, линия шины, линия интерфейса сигнала, линия радиочастоты, линия сигнала сброса, линия сигнала выбора микросхемы и различные сигналы управления. линии) должны быть смежными со всей заземляющей пластиной, предпочтительно между двумя заземляющими пластинами, как показано на рисунке 1. Ключевые сигнальные линии обычно представляют собой сильное излучение или чрезвычайно чувствительные сигнальные линии. Электропроводка рядом с заземляющим слоем может уменьшить площадь сигнального контура, снизить интенсивность излучения или улучшить помехоустойчивость.

Рисунок 1 Ключевой слой разводки находится между двумя заземляющими поверхностями.

2. Плоскость питания должна быть втянута относительно прилегающей к ней заземляющей панели (рекомендуемое значение 5H ~ 20H). Втягивание силовой панели относительно ее обратной заземляющей плоскости может эффективно подавить проблему «краевого излучения».

Кроме того, основная рабочая плоскость питания платы (наиболее широко используемая плоскость питания) должна быть близко к плоскости заземления, чтобы эффективно уменьшить площадь контура тока источника питания, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 Плоскость питания должна быть близко к плоскости заземления.

3. Отсутствует ли сигнальная линия ≥50 МГц на ВЕРХНЕМ и НИЖНЕМ слоях платы. Если это так, лучше всего пропускать высокочастотный сигнал между двумя плоскими слоями, чтобы подавить его излучение в пространство.

Однослойная плата и двухслойная конструкция платы

При проектировании однослойных и двухслойных плат следует обратить внимание на проектирование ключевых сигнальных линий и линий электропередач. Рядом с цепью питания и параллельно ей должен быть заземляющий провод, чтобы уменьшить площадь токовой петли питания. «Направляющая линия заземления» должна быть проложена по обе стороны от ключевой сигнальной линии однослойной платы, как показано на рисунке 4. Плоскость проекции ключевой сигнальной линии двухслойной платы должна иметь большую площадь заземления. или тем же методом, что и однослойная плата, разработайте «Направляющую линию заземления», как показано на рисунке 5. «Защитный заземляющий провод» с обеих сторон линии ключевого сигнала может уменьшить площадь сигнального контура, с одной стороны, а также предотвратить перекрестные помехи между сигнальной линией и другими сигнальными линиями.

В общем, наслоение печатной платы может быть спроектировано в соответствии со следующей таблицей.

Навыки компоновки печатных плат

При разработке компоновки печатной платы полностью соблюдайте принцип построения прямой линии вдоль направления потока сигнала и старайтесь избегать зацикливания назад и вперед, как показано на рисунке 6. Это может избежать прямой связи сигналов и повлиять на качество сигнала. Кроме того, чтобы предотвратить взаимные помехи и связь между цепями и электронными компонентами, размещение цепей и компоновка компонентов должны соответствовать следующим принципам:

1. Если на плате разработан интерфейс «чистого заземления», компоненты фильтрации и изоляции должны быть размещены на изоляционной полосе между «чистым заземлением» и рабочим заземлением. Это может предотвратить соединение фильтрующих или изолирующих устройств друг с другом через плоский слой, что ослабляет эффект. Кроме того, на «чистой земле», кроме фильтрующих и защитных устройств, нельзя размещать никакие другие устройства. 2. Когда несколько схем модулей размещаются на одной печатной плате, цифровые схемы и аналоговые схемы, а также высокоскоростные и низкоскоростные схемы должны быть расположены отдельно, чтобы избежать взаимных помех между цифровыми схемами, аналоговыми схемами, высокоскоростными схемами и низкоскоростные цепи. Кроме того, когда на печатной плате одновременно присутствуют высокоскоростные, средние и низкоскоростные цепи, чтобы предотвратить распространение высокочастотного шума схемы наружу через интерфейс.

3. Схема фильтра порта ввода питания печатной платы должна быть размещена рядом с интерфейсом, чтобы предотвратить повторное соединение схемы, которая была отфильтрована.

Рисунок 8 Схема фильтра порта ввода питания должна быть размещена рядом с интерфейсом.

4. Компоненты фильтрации, защиты и изоляции схемы интерфейса размещены рядом с интерфейсом, как показано на рисунке 9, что позволяет эффективно обеспечивать эффекты защиты, фильтрации и изоляции. Если на интерфейсе есть и фильтр, и схема защиты, следует придерживаться принципа сначала защиты, а затем фильтрации. Поскольку схема защиты используется для подавления внешнего перенапряжения и перегрузки по току, если схема защиты размещена после схемы фильтра, схема фильтра будет повреждена из-за перенапряжения и перегрузки по току. Кроме того, поскольку входные и выходные линии схемы будут ослаблять эффект фильтрации, изоляции или защиты, когда они соединены друг с другом, убедитесь, что входные и выходные линии схемы фильтра (фильтра), цепи изоляции и защиты не работают. соединяются друг с другом во время макета.

5. Чувствительные цепи или устройства (такие как цепи сброса и т. Д.) Должны находиться на расстоянии не менее 1000 мил от каждого края платы, особенно края интерфейса платы.

6. Накопители энергии и конденсаторы высокочастотного фильтра следует размещать рядом с цепями блока или устройствами с большими изменениями тока (такими как входные и выходные клеммы силового модуля, вентиляторы и реле), чтобы уменьшить площадь контура блока питания. большая токовая петля.

7. Компоненты фильтра должны быть размещены рядом, чтобы предотвратить повторные помехи в цепи фильтрации.

8. Держите устройства с сильным излучением, такие как кристаллы, кварцевые генераторы, реле и импульсные источники питания, на расстоянии не менее 1000 мил от интерфейсных разъемов платы. Таким образом, помехи могут излучаться напрямую, или ток может подаваться на отходящий кабель для излучения наружу.

Правила разводки печатных плат

Помимо выбора компонентов и схемотехники, хорошая разводка печатных плат (PCB) также является очень важным фактором электромагнитной совместимости. Поскольку печатная плата является неотъемлемым компонентом системы, повышение электромагнитной совместимости проводки на печатной плате не повлечет за собой дополнительных затрат на окончательную доработку продукта. Любой должен помнить, что плохая компоновка печатной платы может вызвать больше проблем с электромагнитной совместимостью, чем устранить их. Во многих случаях даже добавление фильтров и компонентов не может решить эти проблемы. В конце концов пришлось переделать всю плату. Следовательно, это наиболее рентабельный способ выработать хорошие навыки подключения к печатной плате с самого начала. Далее будут представлены некоторые общие правила разводки печатных плат и стратегии проектирования линий электропередач, линий заземления и сигнальных линий. Наконец, согласно этим правилам, предлагаются меры по улучшению типовой печатной платы кондиционера. 1. Разделение проводки Функция разделения проводки состоит в том, чтобы минимизировать перекрестные помехи и шумовую связь между соседними цепями в одном слое печатной платы. Спецификация 3W гласит, что все сигналы (часы, видео, аудио, сброс и т. Д.) Должны быть изолированы от линии к линии, от края до края, как показано на рисунке 10. Для дальнейшего уменьшения магнитной связи опорное заземление расположен рядом с ключевым сигналом, чтобы изолировать шум связи, создаваемый другими сигнальными линиями.

2. Установка защиты и шунтирующей линии Шунтирующая и защитная линия – очень эффективный метод изоляции и защиты ключевых сигналов, таких как системные тактовые сигналы, в шумной среде. На рисунке 21 параллельная или защитная схема на печатной плате проложена по цепи ключевого сигнала. Схема защиты не только изолирует магнитный поток связи, генерируемый другими сигнальными линиями, но также изолирует ключевые сигналы от связи с другими сигнальными линиями. Разница между шунтирующей линией и линией защиты заключается в том, что шунтирующая линия не должна быть оконечной (соединена с землей), но оба конца линии защиты должны быть соединены с землей. Чтобы еще больше уменьшить связь, схему защиты в многослойной печатной плате можно добавить с выходом на землю через каждый второй сегмент.

3. Конструкция линии питания основана на величине тока печатной платы, и ширина линии питания должна быть как можно большей, чтобы уменьшить сопротивление контура. В то же время сделайте направление линии электропередачи и линии заземления согласованным с направлением передачи данных, что помогает улучшить противошумовые характеристики. В одинарной или двойной панели, если линия питания очень длинная, разделительный конденсатор следует добавлять к земле каждые 3000 мил, а емкость конденсатора составляет 10 мкФ + 1000 пФ.

Конструкция заземляющего провода

Принципы построения заземляющего провода:

(1) Цифровая земля отделена от аналоговой земли. Если на печатной плате есть как логические схемы, так и линейные схемы, они должны быть максимально разделены. Заземление низкочастотной цепи должно быть заземлено параллельно в одной точке, насколько это возможно. Когда фактическая проводка затруднена, ее можно частично подключить последовательно, а затем заземлить параллельно. Высокочастотная цепь должна быть заземлена в нескольких точках последовательно, заземляющий провод должен быть коротким и арендованным, а фольга заземления большой площади должна использоваться вокруг высокочастотного компонента в максимально возможной степени.

(2) Заземляющий провод должен быть как можно более толстым. Если заземляющий провод использует очень плотную линию, потенциал земли изменяется с изменением тока, что снижает шумовые характеристики. Поэтому заземляющий провод должен быть утолщен, чтобы он мог пропускать в три раза ток, допустимый на печатной плате. Если возможно, заземляющий провод должен иметь длину 2 ~ 3 мм или более.

(3) Заземляющий провод образует замкнутый контур. Для печатных плат, состоящих только из цифровых схем, большинство схем заземления скомпонованы в виде контуров для повышения помехоустойчивости.

Дизайн сигнальной линии

Для линий ключевого сигнала, если на плате есть внутренний слой разводки сигналов, линии сигналов, такие как часы, должны быть проложены на внутреннем слое, и приоритет отдается предпочтительному слою разводки. Кроме того, ключевые сигнальные линии не должны проходить через область перегородки, включая зазоры опорной плоскости, вызванные переходными отверстиями и контактными площадками, в противном случае это приведет к увеличению площади сигнального контура. И линия ключевого сигнала должна находиться на расстоянии более 3H от края плоскости отсчета (H – высота линии от плоскости отсчета), чтобы подавить эффект краевого излучения. Для линий синхронизации, шин, радиочастотных линий и других линий сигнала сильного излучения и линий сигнала сброса, линий сигнала выбора микросхемы, сигналов управления системой и других чувствительных сигнальных линий держите их подальше от интерфейса и исходящих сигнальных линий. Это предотвращает попадание помех на линии сильного излучающего сигнала на исходящую сигнальную линию и их распространение наружу; а также предотвращает внешние помехи, создаваемые исходящей сигнальной линией интерфейса из-за связи с чувствительной сигнальной линией, вызывая неправильную работу системы. Линии дифференциального сигнала должны быть на одном слое, одинаковой длины и проходить параллельно, сохраняя постоянный импеданс, и не должно быть других проводов между дифференциальными линиями. Поскольку синфазный импеданс пары дифференциальных линий гарантирован равным, ее противоинтерференционная способность может быть улучшена. В соответствии с приведенными выше правилами подключения типовая печатная плата кондиционера улучшается и оптимизируется.