นอกจากการเลือกส่วนประกอบและการออกแบบวงจรที่ดีแล้ว คณะกรรมการวงจรพิมพ์ การออกแบบ (PCB) ยังเป็นปัจจัยที่สำคัญมากในความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า หัวใจสำคัญของการออกแบบ PCB EMC คือการลดพื้นที่รีโฟลว์ให้มากที่สุดและปล่อยให้เส้นทางรีโฟลว์ไหลไปในทิศทางของการออกแบบ ปัญหากระแสย้อนกลับที่พบบ่อยที่สุดมาจากรอยแตกในระนาบอ้างอิง การเปลี่ยนเลเยอร์ระนาบอ้างอิง และสัญญาณที่ไหลผ่านขั้วต่อ ตัวเก็บประจุแบบจัมเปอร์หรือตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนอาจแก้ปัญหาบางอย่างได้ แต่จะต้องพิจารณาอิมพีแดนซ์โดยรวมของตัวเก็บประจุ จุดแวะ แผ่นอิเล็กโทรด และสายไฟด้วย การบรรยายนี้จะแนะนำเทคโนโลยีการออกแบบ PCB ของ EMC จากสามด้าน: กลยุทธ์การวางเลเยอร์ PCB ทักษะการจัดวางและกฎการเดินสาย

กลยุทธ์การฝังรากลึก PCB

ความหนา ผ่านกระบวนการ และจำนวนชั้นในการออกแบบแผงวงจรไม่ใช่กุญแจสำคัญในการแก้ปัญหา การซ้อนชั้นที่ดีคือการทำให้แน่ใจว่ามีการบายพาสและการแยกตัวของพาวเวอร์บัส และลดแรงดันไฟชั่วขณะบนชั้นพลังงานหรือชั้นกราวด์ กุญแจสำคัญในการป้องกันสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของสัญญาณและแหล่งจ่ายไฟ จากมุมมองของการติดตามสัญญาณ กลยุทธ์การแบ่งชั้นที่ดีควรวางร่องรอยสัญญาณทั้งหมดบนชั้นเดียวหรือหลายชั้น และชั้นเหล่านี้อยู่ถัดจากชั้นพลังงานหรือชั้นพื้นดิน สำหรับแหล่งจ่ายไฟ กลยุทธ์การแบ่งชั้นที่ดีควรเป็นชั้นพลังงานที่อยู่ติดกับชั้นพื้นดิน และระยะห่างระหว่างชั้นพลังงานและชั้นพื้นดินมีขนาดเล็กที่สุด นี่คือสิ่งที่เราเรียกว่ากลยุทธ์ “การแบ่งชั้น” ด้านล่างนี้เราจะพูดถึงกลยุทธ์การวางเลเยอร์ PCB ที่ยอดเยี่ยมโดยเฉพาะ 1. ระนาบการฉายภาพของชั้นสายไฟควรอยู่ในพื้นที่เลเยอร์ระนาบการรีโฟลว์ หากชั้นสายไฟไม่อยู่ในพื้นที่ฉายภาพของชั้นระนาบรีโฟลว์ จะมีสายสัญญาณอยู่นอกพื้นที่ฉายภาพระหว่างการเดินสาย ซึ่งจะทำให้เกิดปัญหา “การแผ่รังสีขอบ” และยังจะทำให้พื้นที่วงสัญญาณเพิ่มขึ้นด้วย ส่งผลให้มีการแผ่รังสีในโหมดดิฟเฟอเรนเชียลเพิ่มขึ้น 2. พยายามหลีกเลี่ยงการตั้งชั้นสายไฟที่อยู่ติดกัน เนื่องจากการติดตามสัญญาณแบบขนานบนชั้นสายไฟที่อยู่ติดกันอาจทำให้เกิดสัญญาณครอสทอล์คได้ หากไม่สามารถหลีกเลี่ยงชั้นสายไฟที่อยู่ติดกันได้ ระยะห่างระหว่างชั้นระหว่างชั้นสายไฟทั้งสองควรเพิ่มขึ้นอย่างเหมาะสม และระยะห่างระหว่างชั้นระหว่างชั้นสายไฟกับวงจรสัญญาณควรเพิ่มขึ้น จะลดลง 3. ชั้นระนาบที่อยู่ติดกันควรหลีกเลี่ยงการทับซ้อนกันของระนาบการฉายภาพ เพราะเมื่อการฉายภาพเหลื่อมกัน ความจุของคัปปลิ้งระหว่างชั้นจะทำให้เกิดสัญญาณรบกวนระหว่างชั้นที่จะจับคู่กัน

การออกแบบกระดานหลายชั้น

เมื่อความถี่สัญญาณนาฬิกาเกิน 5MHz หรือเวลาเพิ่มของสัญญาณน้อยกว่า 5ns เพื่อควบคุมพื้นที่ลูปสัญญาณให้ดี โดยทั่วไปจำเป็นต้องมีการออกแบบบอร์ดหลายชั้น หลักการต่อไปนี้ควรให้ความสนใจเมื่อออกแบบแผงหลายชั้น: 1. ชั้นการเดินสายหลัก (ชั้นที่สายนาฬิกา, สายบัส, สายสัญญาณอินเทอร์เฟซ, สายความถี่วิทยุ, สายสัญญาณรีเซ็ต, สายสัญญาณเลือกชิป และสัญญาณควบคุมต่างๆ เส้นอยู่) ควรอยู่ติดกับระนาบกราวด์ที่สมบูรณ์ โดยควรอยู่ระหว่างระนาบกราวด์สองระนาบ เช่น แสดงในรูปที่ 1 โดยทั่วไปแล้ว เส้นสัญญาณหลักคือการแผ่รังสีที่แรงหรือสายสัญญาณที่มีความละเอียดอ่อนอย่างยิ่ง การเดินสายไฟใกล้กับระนาบพื้นสามารถลดพื้นที่ของลูปสัญญาณ ลดความเข้มของรังสี หรือปรับปรุงความสามารถในการป้องกันการรบกวน

รูปที่ 1 ชั้นการเดินสายหลักอยู่ระหว่างระนาบกราวด์สองระนาบ

2. ระนาบกำลังควรจะหดกลับสัมพันธ์กับระนาบพื้นที่อยู่ติดกัน (ค่าที่แนะนำ 5H～20H) การหดตัวของระนาบกำลังที่สัมพันธ์กับระนาบกราวด์กลับสามารถระงับปัญหา “การแผ่รังสีขอบ” ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

นอกจากนี้ระนาบกำลังงานหลักของบอร์ด (ระนาบกำลังที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย) ควรอยู่ใกล้กับระนาบพื้นเพื่อลดพื้นที่ลูปของกระแสไฟอย่างมีประสิทธิภาพดังแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 เครื่องบินกำลังควรอยู่ใกล้กับระนาบพื้น

3. ไม่ว่าจะไม่มีสายสัญญาณ ≥50MHz บนชั้น TOP และ BOTTOM ของบอร์ดหรือไม่ ถ้าเป็นเช่นนั้น เป็นการดีที่สุดที่จะเดินสัญญาณความถี่สูงระหว่างชั้นระนาบสองชั้นเพื่อยับยั้งการแผ่รังสีของมันสู่อวกาศ

การออกแบบกระดานชั้นเดียวและกระดานสองชั้น

สำหรับการออกแบบแผงชั้นเดียวและสองชั้น ควรคำนึงถึงการออกแบบสายสัญญาณหลักและสายไฟ จะต้องมีสายกราวด์อยู่ติดกันและขนานกับกระแสไฟเพื่อลดพื้นที่ของวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ ควรวาง “Guide Ground Line” ไว้ทั้งสองด้านของสายสัญญาณหลักของบอร์ดแบบชั้นเดียว ดังแสดงในรูปที่ 4 ระนาบการฉายเส้นสัญญาณหลักของกระดานสองชั้นควรมีพื้นที่กราวด์ขนาดใหญ่ หรือวิธีเดียวกับแผ่นกระดานชั้นเดียวออกแบบ “Guide Ground Line” ดังแสดงในรูปที่ 5 “สายดินป้องกัน” ทั้งสองด้านของสายสัญญาณหลักสามารถลดพื้นที่ลูปสัญญาณในมือข้างหนึ่งได้ และยังป้องกันสัญญาณรบกวนระหว่างสายสัญญาณและสายสัญญาณอื่นๆ

โดยทั่วไป การแบ่งชั้นของบอร์ด PCB สามารถออกแบบได้ตามตารางต่อไปนี้

ทักษะการจัดวาง PCB

เมื่อออกแบบเลย์เอาต์ PCB ให้ปฏิบัติตามหลักการออกแบบโดยการวางเป็นเส้นตรงตามทิศทางการไหลของสัญญาณ และพยายามหลีกเลี่ยงการวนซ้ำไปมา ดังแสดงในรูปที่ 6 ซึ่งจะช่วยหลีกเลี่ยงการเชื่อมต่อสัญญาณโดยตรงและส่งผลต่อคุณภาพสัญญาณ นอกจากนี้ เพื่อป้องกันการรบกวนและการประกบกันระหว่างวงจรและส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ การจัดวางวงจรและเลย์เอาต์ของส่วนประกอบควรปฏิบัติตามหลักการดังต่อไปนี้:

1. หากอินเทอร์เฟซ “พื้นสะอาด” ได้รับการออกแบบบนบอร์ด ควรวางส่วนประกอบการกรองและการแยกไว้บนแถบแยกระหว่าง “พื้นสะอาด” กับพื้นการทำงาน สิ่งนี้สามารถป้องกันอุปกรณ์กรองหรือแยกจากการมีเพศสัมพันธ์ผ่านชั้นระนาบ ซึ่งทำให้เอฟเฟกต์อ่อนลง นอกจากนี้บน “พื้นดินที่สะอาด” นอกเหนือจากอุปกรณ์กรองและป้องกันแล้วไม่สามารถวางอุปกรณ์อื่นได้ 2. เมื่อวางวงจรหลายโมดูลบน PCB เดียวกัน วงจรดิจิตอลและวงจรแอนะล็อก และควรจัดวางวงจรความเร็วสูงและความเร็วต่ำแยกกัน เพื่อหลีกเลี่ยงการแทรกแซงระหว่างวงจรดิจิตอล วงจรแอนะล็อก วงจรความเร็วสูง และ วงจรความเร็วต่ำ นอกจากนี้ เมื่อมีวงจรความเร็วสูง ปานกลาง และความเร็วต่ำบนแผงวงจรพร้อมกัน เพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนวงจรความถี่สูงไม่ให้แผ่ออกไปด้านนอกผ่านอินเทอร์เฟซ

3. ควรวางวงจรตัวกรองของพอร์ตอินพุตกำลังของแผงวงจรไว้ใกล้กับอินเทอร์เฟซเพื่อป้องกันไม่ให้วงจรที่ถูกกรองเชื่อมต่ออีกครั้ง

รูปที่ 8 ควรวางวงจรกรองของพอร์ตอินพุตพลังงานไว้ใกล้กับอินเทอร์เฟซ

4. ส่วนประกอบการกรอง การป้องกัน และการแยกของวงจรอินเทอร์เฟซอยู่ใกล้กับอินเทอร์เฟซ ดังแสดงในรูปที่ 9 ซึ่งสามารถบรรลุผลของการป้องกัน การกรอง และการแยกได้อย่างมีประสิทธิภาพ หากมีทั้งตัวกรองและวงจรป้องกันที่อินเทอร์เฟซ หลักการของการป้องกันครั้งแรกแล้วกรองควรปฏิบัติตาม เนื่องจากวงจรป้องกันใช้สำหรับแรงดันไฟเกินภายนอกและการปราบปรามกระแสไฟเกิน หากวางวงจรป้องกันไว้หลังวงจรกรอง วงจรกรองจะเสียหายจากแรงดันไฟเกินและกระแสไฟเกิน นอกจากนี้ เนื่องจากสายอินพุตและเอาต์พุตของวงจรจะทำให้เอฟเฟกต์การกรอง การแยก หรือการป้องกันอ่อนลงเมื่อเชื่อมต่อเข้าด้วยกัน ตรวจสอบให้แน่ใจว่าสายอินพุตและเอาต์พุตของวงจรกรอง (ตัวกรอง) วงจรแยกและป้องกันไม่ทำงาน จับคู่กันระหว่างการจัดวาง

5. วงจรหรืออุปกรณ์ที่มีความละเอียดอ่อน (เช่น วงจรรีเซ็ต ฯลฯ) ควรอยู่ห่างจากขอบแต่ละด้านของบอร์ดอย่างน้อย 1000 ไมล์ โดยเฉพาะขอบของอินเทอร์เฟซของบอร์ด

6. ควรวางตัวเก็บประจุพลังงานและตัวเก็บประจุตัวกรองความถี่สูงไว้ใกล้กับวงจรยูนิตหรืออุปกรณ์ที่มีการเปลี่ยนแปลงกระแสมาก (เช่น ขั้วอินพุตและเอาต์พุตของโมดูลพลังงาน พัดลม และรีเลย์) เพื่อลดพื้นที่วนรอบของ วงกระแสขนาดใหญ่

7. ส่วนประกอบตัวกรองต้องวางเคียงข้างกันเพื่อป้องกันไม่ให้วงจรกรองถูกรบกวนอีกครั้ง

8. เก็บอุปกรณ์การแผ่รังสีที่แรง เช่น คริสตัล คริสตัลออสซิลเลเตอร์ รีเลย์ และแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งให้ห่างจากคอนเน็กเตอร์อินเทอร์เฟซของบอร์ดอย่างน้อย 1000 ไมล์ ด้วยวิธีนี้ สัญญาณรบกวนสามารถแผ่ออกมาได้โดยตรงหรือสามารถต่อกระแสเข้ากับสายเคเบิลขาออกเพื่อแผ่ออกไปด้านนอกได้

กฎการเดินสาย PCB

นอกจากการเลือกส่วนประกอบและการออกแบบวงจรแล้ว การเดินสายแผงวงจรพิมพ์ที่ดี (PCB) ยังเป็นปัจจัยที่สำคัญมากในความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า เนื่องจาก PCB เป็นส่วนประกอบโดยธรรมชาติของระบบ การเพิ่มความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าในการเดินสาย PCB จะไม่ทำให้เกิดค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมในการทำให้ผลิตภัณฑ์เสร็จสมบูรณ์ในขั้นสุดท้าย ทุกคนควรจำไว้ว่าเลย์เอาต์ PCB ที่ไม่ดีอาจทำให้เกิดปัญหาความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้ามากกว่าที่จะกำจัด ในหลายกรณี แม้แต่การเพิ่มตัวกรองและส่วนประกอบก็ไม่สามารถแก้ปัญหาเหล่านี้ได้ สุดท้ายต้องเดินสายใหม่ทั้งกระดาน ดังนั้นจึงเป็นวิธีที่คุ้มค่าที่สุดในการพัฒนานิสัยการเดินสาย PCB ที่ดีตั้งแต่เริ่มต้น ต่อไปนี้จะแนะนำกฎทั่วไปบางประการของการเดินสาย PCB และกลยุทธ์การออกแบบสายไฟ สายกราวด์ และสายสัญญาณ สุดท้าย ตามกฎเหล่านี้ ได้มีการเสนอมาตรการปรับปรุงสำหรับแผงวงจรพิมพ์ทั่วไปของเครื่องปรับอากาศ 1. การแยกสายไฟ หน้าที่ของการแยกสายไฟคือการลดครอสทอล์คและคัปปลิ้งสัญญาณรบกวนระหว่างวงจรที่อยู่ติดกันในชั้นเดียวกันของ PCB ข้อกำหนด 3W ระบุว่าสัญญาณทั้งหมด (นาฬิกา วิดีโอ เสียง รีเซ็ต ฯลฯ) ต้องถูกแยกออกจากบรรทัดหนึ่งไปอีกบรรทัด จากขอบหนึ่งไปอีกขอบหนึ่ง ดังแสดงในรูปที่ 10 เพื่อลดการมีเพศสัมพันธ์ทางแม่เหล็ก กราวด์อ้างอิงคือ วางไว้ใกล้กับสัญญาณกุญแจเพื่อแยกสัญญาณรบกวนที่เกิดจากสายสัญญาณอื่นๆ

2. การตั้งค่าสายป้องกันและสายแบ่ง สายป้องกันและสายป้องกันเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากในการแยกและป้องกันสัญญาณหลัก เช่น สัญญาณนาฬิกาของระบบในสภาพแวดล้อมที่มีเสียงดัง ในรูปที่ 21 วงจรขนานหรือวงจรป้องกันใน PCB ถูกวางตามวงจรของสัญญาณหลัก วงจรป้องกันไม่เพียงแต่แยกฟลักซ์แม่เหล็กคัปปลิ้งที่สร้างโดยสายสัญญาณอื่นๆ แต่ยังแยกสัญญาณหลักจากการคัปปลิ้งกับสายสัญญาณอื่นๆ ความแตกต่างระหว่างเส้นแบ่งและสายป้องกันคือไม่ต้องสิ้นสุดเส้นแบ่ง (เชื่อมต่อกับกราวด์) แต่ปลายทั้งสองของสายป้องกันต้องเชื่อมต่อกับพื้น เพื่อลดการมีเพศสัมพันธ์ สามารถเพิ่มวงจรป้องกันใน PCB แบบหลายชั้นด้วยเส้นทางไปยังพื้นทุกส่วน

3. การออกแบบสายไฟขึ้นอยู่กับขนาดของกระแสไฟของแผงวงจรพิมพ์ และความกว้างของสายไฟจะหนาที่สุดเพื่อลดความต้านทานของวงจร ในเวลาเดียวกัน ทำให้ทิศทางของสายไฟและสายดินสอดคล้องกับทิศทางของการส่งข้อมูล ซึ่งช่วยเพิ่มความสามารถในการป้องกันเสียงรบกวน ในแผงเดี่ยวหรือคู่ หากสายไฟยาวมาก ควรเพิ่มตัวเก็บประจุแยกส่วนลงกับพื้นทุกๆ 3000 mil และค่าของตัวเก็บประจุคือ 10uF+1000pF

การออกแบบสายดิน

หลักการออกแบบสายดินคือ:

(1) กราวด์ดิจิทัลแยกออกจากกราวด์แอนะล็อก ถ้ามีทั้งวงจรลอจิกและวงจรเชิงเส้นตรงบนแผงวงจรก็ควรแยกให้มากที่สุด กราวด์ของวงจรความถี่ต่ำควรต่อแบบขนานที่จุดเดียวให้มากที่สุด เมื่อการเดินสายจริงเป็นเรื่องยาก ก็สามารถเชื่อมต่อบางส่วนเป็นอนุกรมแล้วต่อสายดินแบบขนานได้ วงจรความถี่สูงควรต่อกราวด์ที่จุดหลายจุดในอนุกรม สายกราวด์ควรสั้นและเช่า และควรใช้ฟอยด์กราวด์ที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่เหมือนกริดรอบๆ ส่วนประกอบความถี่สูงให้มากที่สุด

(2) สายดินควรมีความหนามากที่สุด หากสายกราวด์ใช้เส้นที่แคบมาก ศักย์ไฟฟ้าของกราวด์จะเปลี่ยนไปตามการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟ ซึ่งจะทำให้ประสิทธิภาพการป้องกันเสียงรบกวนลดลง ดังนั้นสายกราวด์ควรหนาเพื่อให้สามารถผ่านกระแสไฟที่อนุญาตได้สามเท่าบนบอร์ดที่พิมพ์ ถ้าเป็นไปได้ สายดินควรมีขนาด 2 ~ 3 มม. ขึ้นไป

(3) สายกราวด์เป็นวงปิด สำหรับแผ่นพิมพ์ที่ประกอบด้วยวงจรดิจิตอลเท่านั้น วงจรกราวด์ส่วนใหญ่จะถูกจัดเรียงเป็นลูปเพื่อปรับปรุงการต้านทานสัญญาณรบกวน

การออกแบบสายสัญญาณ

สำหรับสายสัญญาณหลัก หากบอร์ดมีชั้นสายสัญญาณภายใน ควรวางสายสัญญาณหลัก เช่น นาฬิกาไว้ที่ชั้นใน และจัดลำดับความสำคัญให้กับชั้นการเดินสายที่ต้องการ นอกจากนี้ จะต้องไม่กำหนดเส้นทางสายสัญญาณหลักข้ามพื้นที่พาร์ติชั่น รวมถึงช่องว่างระนาบอ้างอิงที่เกิดจากจุดแวะและแพด มิฉะนั้นจะทำให้พื้นที่ลูปสัญญาณเพิ่มขึ้น และสายสัญญาณหลักควรอยู่ห่างจากขอบระนาบอ้างอิงมากกว่า 3H (H คือความสูงของเส้นจากระนาบอ้างอิง) เพื่อระงับเอฟเฟกต์การแผ่รังสีขอบ สำหรับสายนาฬิกา สายรถประจำทาง สายความถี่วิทยุ และสายสัญญาณการแผ่รังสีที่แรงอื่นๆ และสายสัญญาณรีเซ็ต สายสัญญาณการเลือกชิป สัญญาณควบคุมระบบ และสายสัญญาณที่มีความละเอียดอ่อนอื่นๆ ให้อยู่ห่างจากอินเทอร์เฟซและสายสัญญาณขาออก สิ่งนี้จะช่วยป้องกันสัญญาณรบกวนบนสายสัญญาณที่แผ่รังสีแรงสูงจากการคัปปลิ้งกับสายสัญญาณขาออกและแผ่ออกไปด้านนอก และยังหลีกเลี่ยงการรบกวนจากภายนอกโดยสายสัญญาณขาออกของอินเทอร์เฟซจากการมีเพศสัมพันธ์กับสายสัญญาณที่มีความละเอียดอ่อน ทำให้ระบบทำงานผิดพลาด สายสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลควรอยู่บนชั้นเดียวกัน ความยาวเท่ากัน และวิ่งขนานกัน ทำให้อิมพีแดนซ์คงที่ และไม่ควรมีการเดินสายอื่นๆ ระหว่างเส้นดิฟเฟอเรนเชียล เนื่องจากอิมพีแดนซ์โหมดทั่วไปของคู่สายดิฟเฟอเรนเชียลจะเท่ากัน ความสามารถในการป้องกันการแทรกแซงจึงสามารถปรับปรุงได้ ตามกฎการเดินสายข้างต้น วงจรแผงวงจรพิมพ์ทั่วไปของเครื่องปรับอากาศได้รับการปรับปรุงและเพิ่มประสิทธิภาพ