Influencia del diseño de PCB del rendimiento EMC del producto electrónico

Tierra en PCB

• Influencia de la interferencia del código común en la señal interna de la PCB

Las líneas impresas internas de la placa de circuito impreso (PCB) presentan parámetros parásitos relativos a la placa de tierra de referencia y cuando las señales de función se transmiten dentro de la PCB, el mismo nodo equipotencial en la misma red en el circuito ya no es equipotencial. La corriente i dentro de la PCB comienza desde el extremo de la fuente, pasa una serie de portadores y regresa a la fuente de la señal, formando una señal. Además, i tiende a fluir a lo largo del camino con baja impedancia, por lo que normalmente se mantiene inalterable con la estabilidad de la impedancia.

La Figura 1 indica el proceso cuando la interferencia de modo común se transforma en interferencia de modo diferencial dentro de la PCB. yo_d se refiere a la corriente de modo diferencial dentro del flujo de PCB mientras i_com se refiere a la corriente de modo común que comienza desde el exterior de la PCB y fluye hacia la PCB a través de la placa de conexión a tierra de referencia o comienza desde el interior de la PCB y regresa al interior de la PCB a través de la placa de conexión a tierra de referencia. i_com de alta frecuencia tiene dos caminos:el primero es del punto A al punto B dentro de la PCB a partir de GND; el segundo es del punto A al punto B a partir del puerto S₁ a la PCB interior por capacitancia C. Impedancia de tierra Z_AB conduce a la generación de Δu_AB , por lo que cuando la señal normal pasa a IC₂ , se producirá una deformación de la señal y la interferencia de modo común se transformará en interferencia de modo diferencial, lo que producirá influencia a la señal normal en base a la fórmula que es u₂ =u₁ -Δu_AB .

Por lo tanto, tan pronto como i_com ingresa al interior de la PCB a través del puerto de E/S o radiación espacial, la capacitancia del filtro de modo diferencial en las líneas de señal de la PCB solo puede presionar la derivación de interferencia a GND. El requisito previo de este resultado es que GND se considera de baja impedancia para el reflujo de señal y la corriente siempre fluye hacia la dirección de baja impedancia.

• Clave de Implementación de Diseño EMC:Impedancia de Tierra en PCB

La razón de la generación de EMC por señales de alta frecuencia radica en que el nivel de referencia de la señal GND no logra mantener su característica de baja impedancia. Con el aumento de la impedancia Z_GND del nivel de referencia, la calidad de la transmisión de la señal también disminuye. Para resolver el problema de la interferencia de alta frecuencia, se utilizan métodos comunes en el diseño de EMC, como filtro, tierra y blindaje que están estrechamente conectados a "tierra".

El filtro se puede considerar como un condensador a tierra, con dos estructuras, una de las cuales es hacer que el condensador X esté conectado a la tierra de referencia de la señal y la otra es hacer que la señal esté conectada a la carcasa metálica mediante un condensador Y o una conexión a tierra diferente dentro de la PCB. El escudo puede considerarse como el resultado de la expansión de la tierra de PCB al espacio. El propósito del filtro o escudo es hacer que la interferencia de modo común de alta frecuencia pase el bypass con baja impedancia para evitar que fluya hacia la señal de operación normal. Del mismo modo, todos estos métodos no funcionarán a menos que la tierra tenga baja impedancia.

La figura 2 indica el efecto de la impedancia de tierra en el filtro del circuito. yo_com fluye de acuerdo con la secuencia de IC₁ →CI₂ →CI₁ y cuando fluye al punto P, i_com fluirá a los circuitos derivados de IC₁ y C₁ a través del cual fluye del punto A al B. Si la impedancia entre el punto A y B, es Z_AB , es mucho menor que la impedancia entre el punto P y IC₁ . En este momento, i_com fluye del punto P al A, IC₁ El filtro se puede realizar. Cuando _com fluye hacia el punto B, se producirán circuitos derivados que son B→C y B→Q. Si el diseño de PCB no está bien controlado, la impedancia entre el punto B y C, es Z_BC , Z_BC>>Z_C2 +Z_Q . Z_Q se refiere a la impedancia entre el punto Q e IC₂ . yo_com fluye hacia atrás a IC₂ puerto de entrada a través de C₂ cuando la capacitancia que originalmente se usó únicamente para IC₂ juega un papel en la interferencia de invasión de señal.

Para hacer un nivel de referencia con baja impedancia, generalmente se diseña para que sea una superficie. En términos generales, un conductor cuya relación longitud-anchura es inferior a 5 puede considerarse de baja impedancia en el campo de la ingeniería. La impedancia de las líneas impresas no está determinada por su grado de longitud o espesor. En los principios tradicionales de diseño de PCB, se recomienda encarecidamente la conexión a tierra de un solo punto de circuito analógico, por lo que el principio de diseño de PCB de conexión a tierra de puntos múltiples de circuito digital y conexión a tierra mixta de circuito de módulo digital ya no son viables para tratar los problemas de EMC.

Dado que se debe garantizar que todos los reflujos de todas las señales presenten una tierra integrada con baja impedancia, las placas de 4 capas o multicapa con plano de tierra integrado son capaces de cumplir con el requisito, mientras que las placas individuales de bajo costo no lo son. Cuando se debe usar una placa de doble capa debido a la limitación del costo, se debe diseñar un plano de tierra relativamente integrado para las señales dentro de la PCB. En la aplicación práctica, la impedancia de tierra de la PCB está influenciada tanto por su forma como por los orificios, grietas y ranuras del cable de señal. Las Figuras 3a y 3b muestran respectivamente un diseño de plano de tierra de baja impedancia malo y excelente.

En esta figura, todos los componentes están en la parte frontal de la PCB mientras que el plano de tierra está en la parte posterior. Los chips están conectados a través de líneas impresas ab en la parte frontal y cd son líneas impresas en la parte posterior. Bajo la presión de la interferencia de modo común de alta frecuencia del exterior, la ranura formada por cd conducirá al aumento de Z_GND de reflujo de líneas impresas. Z_TIERRA fluctúa en el proceso de transmisión de la señal, lo que conduce a una baja calidad de la señal. Por lo tanto, las capas de líneas impresas entre cd se pueden intercambiar una y otra vez a través de agujeros en el proceso de diseño de PCB para que Z_GND será disminuido. Además, dos IC_S con señales sensibles se pueden organizar juntas para hacer que GND se convierta en un plano de tierra relativamente integrado localmente para garantizar que la señal no se interfiera en el proceso de transmisión de la señal. Preste atención a que los orificios pasantes no se pueden colocar con mucha densidad, de lo contrario, también se producirán grietas en el plano de tierra, lo que conducirá a la escalada de Z_GND .

Diseño de apilamiento de PCB

El diseño EMC es mejor para PCB de 4 capas. Desde la perspectiva de EMS, la carcasa metálica o el blindaje de carcasa metálica de los circuitos localmente sensibles son capaces de resolver problemas de interferencia. Desde la perspectiva de EMI, a veces las placas de 4 capas no cumplen con el requisito de limitación de emisión de radiación y se debe aumentar el número de capas, ya que las placas multicapa pueden generar señales con un alto d_u /d_t y d_i /d_t garantizar un área de bucle de señal más pequeña en el proceso de transmisión, proporcionando flujo de retorno con baja impedancia para señales de alta velocidad.

El principio básico del diseño de apilamiento de PCB es disponer la capa de señal de alta velocidad y el plano de potencia junto al plano de tierra. La figura 4 muestra el diseño de apilamiento de tableros de 4 y 6 capas. S₁ en la Figura 4a se refiere a la capa de señal de alta velocidad, mientras que las Figuras 4b, 4c y 4d son tres diseños de PCB ordinarios de 6 capas.

Entre los 3 diseños de PCB de 6 capas, el diseño b es el peor y S₂ La capa debe ser una capa de señal de alta velocidad. S₂ la capa en el diseño c y d es una capa de señal de alta velocidad. El diseño c es el mejor porque cada capa de señal está muy cerca del plano de tierra para garantizar la ruta de retorno de señal más corta y S₂ y las capas P están protegidas por GND₁ y GND₂ . En comparación con el diseño c, S₃ en el diseño d está lejos de la capa GND y P solo puede alcanzar el efecto de un solo lado en lugar del efecto de doble lado causado por el diseño c.

Antena equivalente en PCB

La función fundamental de la antena es radiar y recibir ondas de radio inalámbricas. En el proceso de radiación, la corriente de alta frecuencia se puede transformar en ondas electromagnéticas; en el proceso de recepción, la onda electromagnética se transforma en corriente de alta frecuencia. La radiación en el campo EMC se refiere principalmente a la radiación de campo lejano. La formación de la antena depende de dos condiciones básicas:fuente de señal de RF y cierta longitud de conductores conectados a la fuente de señal de RF. En el campo de la ingeniería, se cree que el efecto de antena surgirá cuando la longitud del conductor de acuerdo con la fórmula sea l=λ/20. Cuando l=(λ/4)n, el efecto de antena es mayor con n como número natural.

Cuando la señal se transmite dentro de la PCB, el bucle interno tiene el mismo efecto que la antena de bucle. Cuanto mayor sea el área del bucle, mayor será el efecto de antena. El control estricto del bucle de PCB puede detener eficazmente la interferencia de modo diferencial, lo que es factible en la práctica. Sin embargo, el aumento de la longitud de las líneas impresas provocará un efecto de antena de varilla obvio, por lo que la longitud de las señales de interconexión debe reducirse tanto como sea posible en el proceso de diseño de PCB.

Cuando Z_GND relativamente alto se lleva a cabo en la ruta de reflujo de las señales de alto du/dt transmitidas dentro de la PCB, fuente de controlador de modo común u_com se llevará a cabo con i_com fluyendo más allá de Z_GND , junto con líneas impresas conectadas o establos de E/S, que pueden irradiar hacia el exterior.

Si los PCB tienen un tamaño relativamente pequeño, las líneas impresas internas no pueden alcanzar el requisito de radiación de la antena debido a la limitación de longitud. Bajo esta condición, el cable de E/S se puede considerar como la expansión de las líneas impresas, se puede cumplir con el requisito de radiación. Incluso si no existe una conexión directa a E/S estable, el acoplamiento de diafonía debe detenerse entre los cables de E/S.

Crosstalk dentro de PCB y sus remedios

• Acoplamiento entre líneas impresas en PCB y tierra de referencia

Dado que EMC analiza principalmente señales de modo común de alta frecuencia, los parámetros de distribución no se pueden evitar dentro y fuera de la PCB. El acoplamiento capacitivo se produce entre la placa de circuito impreso y la tierra de referencia, cuya capacitancia distribuida está compuesta por la capacitancia de placa y la capacitancia natural en el espacio más pequeño. La capacitancia de la placa es directamente proporcional al tamaño de la PCB e indirectamente proporcional a la distancia entre la PCB y la tierra. La capacitancia natural dentro del espacio más pequeño es directamente proporcional al diámetro equivalente de las líneas impresas dentro de la PCB. Por lo tanto, no importa dónde se coloque la PCB, incluso lejos de la tierra en el infinito, siempre existe una capacitancia distribuida entre las líneas impresas internas y la tierra. En una PCB, la capacitancia distribuida de un plano GND relativamente integrado a la placa de tierra de referencia es de aproximadamente 10pF y la capacitancia distribuida de las líneas impresas internas a la placa de tierra de referencia está aproximadamente en el rango de 0.001pF a 0.1pF o menos. La capacitancia distribuida de las líneas impresas en el centro de la PCB es mucho menor que la de las líneas impresas en el borde de la PCB.

• Acoplamiento dentro de PCB

una. Teoría del acoplamiento en el interior de la PCB y su influencia en la señal

El acoplamiento dentro de la PCB consta de un acoplamiento capacitivo y un acoplamiento inductivo cuya teoría se muestra en la Figura 5.

En esta figura, tanto AB como CD son líneas impresas paralelas con un pequeño espacio entre dos líneas. Z₀ se refiere a la portadora de la línea de señal 1 mientras que Z₁ y Z₂ consulte respectivamente los portadores de la línea de señal 2. En la Figura 5a, cuando el voltaje máximo de la señal en la línea impresa AB es u, el tiempo de aumento de la señal es Δt y la frecuencia angular es ω, el voltaje de Z₂ será u_v =[Z₁ Z₂ /(Z₁ +Z₂ )]cΔu/Δt. Aunque _c tiene un valor muy bajo, el valor de Δu/dt puede ser muy alto y su producto no se puede evitar. En la Figura 5b, cuando la corriente pico de la señal en AB es I_c , el tiempo de subida de la señal es Δt y la frecuencia angular es ω, la inductancia mutua m entre 2 líneas impresas pasará a través de CD en el que el voltaje inducido es u_v =mωi_c . Aunque el valor de m es tan pequeño, la frecuencia de la señal puede aumentar. Por lo tanto, su producto no se puede evitar.

Como resultado, tanto el acoplamiento capacitivo como el acoplamiento inductivo están relacionados con el parámetro c o m distribuido de dos líneas impresas. Durante el diseño de PCB, los valores de c y m se pueden reducir aumentando la distancia entre líneas paralelas. En el circuito práctico, el acoplamiento capacitivo representa la mayor parte del circuito digital y cuando el plano de la PCB no es uniforme o existen ranuras o grietas, la diafonía inductiva tendrá más influencia que la diafonía capacitiva. Sin embargo, cuando el área de la placa de circuito impreso es limitada, la diafonía no puede solucionarse simplemente aumentando la distancia entre las líneas paralelas. Para mantener los parámetros distribuidos más pequeños entre dos líneas paralelas adyacentes, el diseño del plano integrado debe organizarse en el área proyectiva y es mejor tener capas de suelo en la parte superior e inferior.

b. Influencia del cable de tierra blindado para reducir la diafonía

El grado de diafonía está determinado por muchos elementos, como la frecuencia de la señal, el tiempo de flanco ascendente de la señal, la distancia entre las líneas de señal, el puerto de activación y las características eléctricas del puerto de recepción y el número de capas de PCB. La diafonía se puede reducir configurando un plano de tierra integrado debajo de las líneas impresas y se puede agregar un cable de tierra blindado entre las señales.

En el proceso de diseño de PCB, dos aspectos pueden ser beneficiosos para detener la diafonía. En primer lugar, deben detenerse el circuito interno sensible y el circuito externo. En segundo lugar, debe detenerse la diafonía entre el circuito interno o el circuito de ruido y otras señales. En el diseño práctico de PCB, se deben realizar pruebas detalladas en la misma capa o entre diferentes capas en PCB para detectar si existe o no riesgo de diafonía.

Durante el procedimiento de diseño de PCB, algunas líneas de señal con el mismo atributo deben seguir el enrutamiento del mismo tiempo y la misma dirección con densidad. Si la limitación del espacio de la placa de circuito impreso hace que los componentes del filtro no se puedan colocar en la misma línea, tiende a surgir una diafonía entre las señales. Esta situación se indica en la Figura 6 a continuación.

C. Influencia del cable de tierra blindado en el efecto de borde

Cuando las líneas de señal altamente sensibles o las líneas de señal con alto du/dt, di/dt se colocan a lo largo del borde de la PCB, sufrirán un mayor riesgo de EMC que las que se colocan en el centro de la PCB. Es más fácil que las líneas de señal de borde reciban interferencias de alta frecuencia o radiación externa por una capacitancia parásita más grande.

Bajo la limitación del área de PCB, es extremadamente difícil diseñar PCB de acuerdo con los principios de 20H en el archivo de diseño. El "paquete" se puede utilizar para reducir la interferencia y la radiación exterior. Las líneas de paquetes no necesitan cumplir con requisitos específicos como el grosor y la forma. Por lo general, cuando una línea de señal está demasiado cerca del borde de la PCB para cubrir el cobre, se puede agregar una línea de tierra en el rango de 7 a 10 mils como protección.

d. Interferencia mutua entre circuitos digitales y analógicos

Cuando una PCB contiene un circuito digital de alta velocidad y señales analógicas de bajo nivel, la diafonía generalmente se genera en las señales analógicas por el ruido digital en un mal diseño de PCB. La interferencia mutua entre los circuitos digitales y analógicos se debe a las siguientes razones. En primer lugar, el ruido de diafonía es causado por la capacitancia parásita y la inductancia parásita. En segundo lugar, el mal desacoplamiento de la ondulación de potencia y la potencia del chip digital generará ruido de potencia. En tercer lugar, la impedancia de tierra y el lugar de tierra del sistema causan ruido. El problema del ruido debe tratarse en el orden de potencia, señal y tierra.

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