Ngoài việc lựa chọn linh kiện và thiết kế mạch, tốt bảng mạch in (PCB) thiết kế cũng là một yếu tố rất quan trọng trong khả năng tương thích điện từ. Chìa khóa của thiết kế PCB EMC là giảm khu vực chỉnh lưu càng nhiều càng tốt và để đường dẫn chỉnh lưu dòng chảy theo hướng của thiết kế. Các vấn đề về dòng điện trở lại phổ biến nhất đến từ các vết nứt trên mặt phẳng tham chiếu, thay đổi lớp mặt phẳng tham chiếu và tín hiệu chạy qua đầu nối. Tụ nhảy hoặc tụ tách có thể giải quyết một số vấn đề, nhưng phải xem xét trở kháng tổng thể của tụ, vias, miếng đệm và hệ thống dây dẫn. Bài giảng này sẽ giới thiệu công nghệ thiết kế PCB của EMC từ ba khía cạnh: chiến lược phân lớp PCB, kỹ năng bố trí và quy tắc đi dây.

Chiến lược phân lớp PCB

Độ dày, quá trình xử lý và số lớp trong thiết kế bảng mạch không phải là chìa khóa để giải quyết vấn đề. Việc xếp chồng nhiều lớp tốt là đảm bảo bỏ qua và tách rời của thanh cái nguồn và giảm thiểu điện áp quá độ trên lớp nguồn hoặc lớp đất. Chìa khóa để che chắn trường điện từ của tín hiệu và nguồn điện. Từ quan điểm của dấu vết tín hiệu, một chiến lược phân lớp tốt nên đặt tất cả các dấu vết tín hiệu trên một hoặc một số lớp và các lớp này nằm bên cạnh lớp nguồn hoặc lớp đất. Đối với nguồn điện, một chiến lược phân lớp tốt phải là lớp nguồn tiếp giáp với lớp đất và khoảng cách giữa lớp nguồn và lớp đất càng nhỏ càng tốt. Đây là những gì chúng tôi gọi là chiến lược “phân lớp”. Dưới đây chúng tôi sẽ nói cụ thể về chiến lược phân lớp PCB tuyệt vời. 1. Mặt phẳng chiếu của lớp dây phải nằm trong khu vực lớp mặt phẳng tái tạo của nó. Nếu lớp dây không nằm trong vùng chiếu của lớp mặt phẳng chỉnh lại, sẽ có các đường tín hiệu bên ngoài vùng chiếu trong quá trình đấu dây, điều này sẽ gây ra vấn đề “bức xạ cạnh” và cũng sẽ làm tăng diện tích vòng lặp tín hiệu. , dẫn đến bức xạ chế độ vi sai tăng lên. 2. Cố gắng tránh thiết lập các lớp dây liền kề. Bởi vì các dấu vết tín hiệu song song trên các lớp dây liền kề có thể gây ra nhiễu xuyên âm tín hiệu, nếu không thể tránh các lớp dây liền kề, nên tăng khoảng cách lớp giữa hai lớp dây một cách thích hợp và khoảng cách lớp giữa lớp dây và mạch tín hiệu của nó nên được giảm. 3. Các lớp mặt phẳng liền kề nên tránh chồng chéo các mặt phẳng chiếu của chúng. Bởi vì khi các hình chiếu chồng lên nhau, điện dung ghép nối giữa các lớp sẽ gây ra nhiễu giữa các lớp ghép nối với nhau.

Thiết kế bảng nhiều lớp

Khi tần số xung nhịp vượt quá 5MHz hoặc thời gian tăng tín hiệu nhỏ hơn 5ns, để kiểm soát tốt khu vực vòng lặp tín hiệu, thường phải thiết kế bo mạch nhiều lớp. Các nguyên tắc sau đây cần được chú ý khi thiết kế bảng đa lớp: 1. Lớp dây chính (lớp mà đường đồng hồ, đường cái, đường tín hiệu giao diện, đường tần số vô tuyến, đường tín hiệu đặt lại, đường tín hiệu chọn chip và các tín hiệu điều khiển khác nhau các đường nằm) phải tiếp giáp với mặt phẳng hoàn chỉnh, tốt nhất là nằm giữa hai mặt phẳng, chẳng hạn như Hình 1. Các đường tín hiệu chính thường là các đường tín hiệu bức xạ mạnh hoặc cực kỳ nhạy cảm. Đi dây gần mặt đất có thể làm giảm diện tích của vòng tín hiệu, giảm cường độ bức xạ hoặc nâng cao khả năng chống nhiễu.

Hình 1 Lớp dây chính nằm giữa hai mặt phẳng đất

2. Mặt phẳng nguồn phải được rút lại so với mặt phẳng đất liền kề của nó (giá trị khuyến nghị 5H ～ 20H). Sự thu lại của mặt phẳng công suất so với mặt phẳng quay trở lại của nó có thể ngăn chặn hiệu quả vấn đề “bức xạ biên”.

Ngoài ra, mặt phẳng nguồn làm việc chính của bo mạch (mặt phẳng nguồn được sử dụng rộng rãi nhất) phải gần với mặt đất của nó để giảm diện tích vòng lặp của dòng điện một cách hiệu quả, như thể hiện trong Hình 3.

Hình 3 Mặt phẳng công suất phải gần với mặt đất của nó

3. Cho dù không có đường tín hiệu ≥50MHz trên các lớp TOP và BOTTOM của bảng. Nếu vậy, tốt nhất là đi tín hiệu tần số cao giữa hai lớp mặt phẳng để triệt tiêu bức xạ của nó ra không gian.

Bảng một lớp và thiết kế bảng hai lớp

Đối với việc thiết kế bo mạch một lớp và hai lớp, việc thiết kế các đường tín hiệu chính và đường dây điện cần được chú ý. Phải có dây nối đất bên cạnh và song song với đường nguồn để giảm diện tích của vòng dây nguồn. “Đường đất dẫn hướng” nên được đặt ở cả hai bên của đường tín hiệu chính của bảng một lớp, như thể hiện trong Hình 4. Mặt phẳng chiếu đường tín hiệu chính của bảng hai lớp phải có diện tích mặt đất lớn , hoặc phương pháp tương tự như bảng một lớp, thiết kế “Đường nối đất dẫn hướng”, như thể hiện trong Hình 5. “Dây nối đất bảo vệ” ở cả hai bên của đường tín hiệu chính một mặt có thể giảm diện tích vòng lặp tín hiệu, và cũng ngăn chặn nhiễu xuyên âm giữa đường tín hiệu và các đường tín hiệu khác.

Nói chung, phân lớp của bảng mạch PCB có thể được thiết kế theo bảng sau.

Kỹ năng bố trí PCB

Khi thiết kế bố trí PCB, hãy tuân thủ đầy đủ nguyên tắc thiết kế là đặt thành một đường thẳng dọc theo hướng dòng tín hiệu, và cố gắng tránh lặp đi lặp lại, như trong Hình 6. Điều này có thể tránh việc ghép tín hiệu trực tiếp và ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu. Ngoài ra, để ngăn chặn sự can thiệp và ghép nối lẫn nhau giữa các mạch và linh kiện điện tử, việc đặt mạch và bố trí các linh kiện cần tuân theo các nguyên tắc sau:

1. Nếu giao diện “mặt đất sạch” được thiết kế trên bo mạch, các bộ phận lọc và cách ly phải được đặt trên dải cách ly giữa “mặt đất sạch” và mặt đất làm việc. Điều này có thể ngăn không cho các thiết bị lọc hoặc cách ly ghép nối với nhau qua lớp phẳng, làm suy yếu hiệu ứng. Ngoài ra, trên “mặt đất sạch”, ngoài các thiết bị lọc và bảo vệ, không được đặt các thiết bị khác. 2. Khi nhiều mạch mô-đun được đặt trên cùng một PCB, các mạch kỹ thuật số và mạch tương tự, và các mạch tốc độ cao và tốc độ thấp nên được bố trí riêng biệt để tránh nhiễu lẫn nhau giữa các mạch kỹ thuật số, mạch tương tự, mạch tốc độ cao và mạch tốc độ thấp. Ngoài ra, khi các mạch tốc độ cao, trung bình và tốc độ thấp tồn tại đồng thời trên bảng mạch, để ngăn nhiễu mạch tần số cao phát ra bên ngoài qua giao diện.

3. Mạch lọc của cổng đầu vào nguồn của bảng mạch nên được đặt gần với giao diện để tránh mạch đã được lọc không được ghép lại.

Hình 8 Mạch lọc của cổng đầu vào nguồn nên được đặt gần với giao diện

4. Các thành phần lọc, bảo vệ và cách ly của mạch giao diện được đặt gần với giao diện, như trong Hình 9, có thể đạt được hiệu quả các tác dụng của bảo vệ, lọc và cách ly. Nếu có cả bộ lọc và mạch bảo vệ ở giao diện thì phải tuân theo nguyên tắc bảo vệ trước rồi mới lọc. Vì mạch bảo vệ dùng để triệt tiêu quá áp và quá dòng ngoài nên nếu đặt mạch bảo vệ sau mạch lọc thì mạch lọc sẽ bị hỏng do quá áp và quá dòng. Ngoài ra, do các đường vào và ra của mạch sẽ làm suy yếu tác dụng lọc, cách ly hoặc bảo vệ khi chúng được ghép với nhau, nên đảm bảo rằng các đường vào và ra của mạch lọc (lọc), mạch cách ly và bảo vệ không cặp đôi với nhau trong quá trình bố trí.

5. Các mạch hoặc thiết bị nhạy cảm (chẳng hạn như mạch đặt lại, v.v.) phải cách xa mỗi cạnh của bảng ít nhất 1000 mil, đặc biệt là cạnh của giao diện bảng.

6. Bộ lưu trữ năng lượng và tụ lọc tần số cao nên được đặt gần các mạch đơn vị hoặc thiết bị có dòng điện thay đổi lớn (chẳng hạn như đầu vào và đầu ra của mô-đun nguồn, quạt và rơ le) để giảm diện tích vòng lặp của vòng dòng lớn.

7. Các thành phần bộ lọc phải được đặt cạnh nhau để ngăn chặn mạch đã lọc bị nhiễu trở lại.

8. Đặt các thiết bị bức xạ mạnh như tinh thể, bộ dao động tinh thể, rơ le và nguồn điện chuyển mạch cách xa các đầu nối giao diện bảng ít nhất 1000 mils. Bằng cách này, nhiễu có thể được bức xạ trực tiếp hoặc dòng điện có thể được ghép nối với cáp đi để bức xạ ra bên ngoài.

Quy tắc đi dây PCB

Ngoài việc lựa chọn linh kiện và thiết kế mạch, hệ thống dây dẫn của bảng mạch in (PCB) tốt cũng là một yếu tố rất quan trọng trong khả năng tương thích điện từ. Vì PCB là một thành phần vốn có của hệ thống, việc tăng cường khả năng tương thích điện từ trong hệ thống dây điện PCB sẽ không mang lại chi phí bổ sung cho quá trình hoàn thiện cuối cùng của sản phẩm. Bất cứ ai cũng nên nhớ rằng bố trí PCB kém có thể gây ra nhiều vấn đề tương thích điện từ hơn, thay vì loại bỏ chúng. Trong nhiều trường hợp, ngay cả việc bổ sung các bộ lọc và các thành phần cũng không thể giải quyết được những vấn đề này. Cuối cùng, toàn bộ bảng phải được cuộn lại. Do đó, đây là cách tiết kiệm chi phí nhất để phát triển thói quen đi dây PCB tốt ngay từ đầu. Sau đây sẽ giới thiệu một số quy tắc chung của hệ thống dây điện PCB và các chiến lược thiết kế đường dây điện, đường đất và đường tín hiệu. Cuối cùng, theo các quy tắc này, các biện pháp cải tiến được đề xuất cho mạch bảng mạch in điển hình của máy điều hòa không khí. 1. Tách dây Chức năng của việc tách dây là để giảm thiểu nhiễu xuyên âm và ghép nhiễu giữa các mạch liền kề trong cùng một lớp của PCB. Đặc điểm kỹ thuật 3W quy định rằng tất cả các tín hiệu (đồng hồ, video, âm thanh, thiết lập lại, v.v.) phải được cách ly khỏi dòng này sang dòng khác, từ cạnh này sang cạnh khác, như thể hiện trong Hình 10. Để giảm thêm sự ghép nối từ, đất tham chiếu là đặt gần tín hiệu chính để cách ly nhiễu ghép do các đường tín hiệu khác tạo ra.

2. Bảo vệ và thiết lập dòng shunt Shunt và dòng bảo vệ là một phương pháp rất hiệu quả để cách ly và bảo vệ các tín hiệu chính, chẳng hạn như tín hiệu đồng hồ hệ thống trong môi trường ồn ào. Trong Hình 21, mạch song song hoặc mạch bảo vệ trong PCB được đặt dọc theo mạch của tín hiệu chính. Mạch bảo vệ không chỉ cô lập từ thông ghép do các đường tín hiệu khác tạo ra, mà còn cách ly các tín hiệu chính ghép với các đường tín hiệu khác. Sự khác biệt giữa dòng shunt và dòng bảo vệ là dòng shunt không phải được kết cuối (nối đất), nhưng cả hai đầu của dòng bảo vệ phải được nối với đất. Để giảm bớt sự ghép nối, mạch bảo vệ trong PCB đa lớp có thể được thêm vào với một đường dẫn xuống đất ở mọi phân đoạn khác.

3. Thiết kế đường dây điện dựa trên kích thước của dòng điện bảng mạch in, và chiều rộng của đường dây điện càng dày càng tốt để giảm điện trở mạch vòng. Đồng thời, làm cho hướng của đường dây điện và đường dây nối đất phù hợp với hướng truyền dữ liệu, giúp tăng cường khả năng chống nhiễu. Trong một bảng điều khiển đơn hoặc đôi, nếu đường dây điện rất dài, một tụ điện tách rời nên được thêm vào đất cứ sau mỗi 3000 triệu, và giá trị của tụ điện là 10uF + 1000pF.

Thiết kế dây nối đất

Các nguyên tắc của thiết kế dây nối đất là:

(1) Mặt đất kỹ thuật số được tách ra khỏi mặt đất tương tự. Nếu có cả mạch logic và mạch tuyến tính trên bảng mạch, chúng nên được tách biệt càng nhiều càng tốt. Nối đất của mạch tần số thấp nên được nối đất song song tại một điểm càng tốt. Khi thực tế khó đấu dây, có thể mắc nối tiếp từng phần rồi nối đất song song. Mạch tần số cao nên được nối đất tại nhiều điểm nối tiếp, dây nối đất nên ngắn và được cho thuê, và nên sử dụng lá nối đất có diện tích lớn giống như lưới điện xung quanh thành phần tần số cao càng nhiều càng tốt.

(2) Dây nối đất phải càng dày càng tốt. Nếu dây nối đất sử dụng một đường dây quá chặt chẽ, điện thế nối đất thay đổi theo sự thay đổi của dòng điện, điều này làm giảm hiệu suất chống nhiễu. Do đó, dây nối đất nên được làm dày để nó có thể vượt qua ba lần dòng điện cho phép trên bảng in. Nếu có thể, dây nối đất nên dài từ 2 ~ 3mm trở lên.

(3) Dây nối đất tạo thành một vòng kín. Đối với các bảng mạch in chỉ được cấu tạo từ các mạch kỹ thuật số, hầu hết các mạch nối đất của chúng được sắp xếp theo các vòng để cải thiện khả năng chống ồn.

Thiết kế đường tín hiệu

Đối với các đường tín hiệu chính, nếu bo mạch có lớp dây tín hiệu bên trong thì các đường tín hiệu chính như đồng hồ nên đặt ở lớp trong, ưu tiên cho lớp dây ưu tiên. Ngoài ra, các đường tín hiệu chính không được định tuyến qua khu vực phân vùng, bao gồm các khoảng trống mặt phẳng tham chiếu do vias và miếng đệm gây ra, nếu không sẽ dẫn đến tăng diện tích của vòng tín hiệu. Và đường tín hiệu chính nên cách mép của mặt phẳng chuẩn hơn 3H (H là độ cao của vạch từ mặt phẳng chuẩn) để triệt tiêu hiệu ứng bức xạ mép. Đối với các đường đồng hồ, đường cái, đường tần số vô tuyến và các đường tín hiệu bức xạ mạnh khác và các đường tín hiệu thiết lập lại, các đường tín hiệu chọn chip, tín hiệu điều khiển hệ thống và các đường tín hiệu nhạy cảm khác, giữ chúng cách xa giao diện và các đường tín hiệu đi. Điều này ngăn cản nhiễu trên đường tín hiệu bức xạ mạnh ghép với đường tín hiệu đi và bức xạ ra bên ngoài; và cũng tránh nhiễu bên ngoài do đường tín hiệu đầu ra của giao diện từ khớp nối với đường tín hiệu nhạy cảm, gây ra hoạt động sai hệ thống. Các đường tín hiệu vi sai phải ở trên cùng một lớp, độ dài bằng nhau và chạy song song, giữ cho trở kháng nhất quán và không được có dây nối nào khác giữa các đường dây vi sai. Do trở kháng phương thức chung của cặp đường dây vi sai được đảm bảo bằng nhau nên khả năng chống nhiễu của nó có thể được cải thiện. Theo quy tắc đấu dây trên, bản mạch in điển hình của máy điều hòa không khí được cải tiến và tối ưu hóa.