Técnicas de enrutamiento de PCB de alta velocidad para reducir la influencia de EMI

Las nuevas generaciones de tecnologías electrónicas conducen al aumento de la alta velocidad de borde de los componentes. La mejora de la velocidad de trabajo del circuito provoca requisitos cada vez más altos en el diseño de PCB. La calidad del diseño de PCB determina incluso el rendimiento de trabajo de los componentes y de todo el circuito. Especialmente considerando el costo y el área de PCB y la funcionalidad del circuito integral, las fuentes de generación de EMI (interfaz electromagnética) se vuelven cada vez más amplias con un mecanismo complicado.

Mecanismo y soluciones EMI

Los elementos principales de EMI contienen fuente de interferencia electromagnética, ruta de transmisión y objeto interferido. Con los elementos que conducen al advenimiento de EMI especificados, es necesario determinar los elementos que son fáciles de resolver y aquellos que solo pueden resolverse parcialmente en el proceso de diseño de PCB para que puedan tenerse en cuenta en el proceso de diseño, enrutamiento y puesta a tierra.

• Diseño

En términos de diseño de PCB, las áreas deben dividirse de acuerdo con diferentes funcionalidades. Las diferentes funcionalidades se distribuyen en diferentes áreas, mientras que se debe prestar especial atención a las unidades sensibles en las áreas funcionales.

En general, se deben seguir los siguientes principios para el diseño de PCB:

una. En los circuitos de alta velocidad, se deben considerar los parámetros de distribución de pines de los componentes y la capacidad distribuida de los pines de los componentes es bastante esencial, especialmente para las señales de reloj de alta velocidad. Mientras tanto, se debe tener en cuenta la inductancia distribuida, ya que posiblemente dará lugar a la oscilación de las señales, lo que provocará una falla en la función del circuito. Por lo tanto, en el proceso de diseño, la distribución debe organizarse con alta densidad con una longitud de cable reducida para el enrutamiento futuro y la influencia de EMI disminuida.

b. Si tanto los componentes analógicos como los componentes electrónicos permanecen en un circuito, deben distribuirse de forma independiente en el proceso de diseño. Dado que las señales de los componentes digitales tienen compuestos complicados con múltiples ondas armónicas, se generará una gran influencia en las señales analógicas. Por lo tanto, deben considerarse con mucho cuidado.

C. Las unidades de reloj son esenciales en los circuitos de alta velocidad. El mecanismo de trabajo de la unidad de reloj es en realidad equivalente a una fuente de ruido, lo que significa que esta unidad oscilará cuando se cumplan ciertas condiciones. Como fuente importante de interferencia de conductividad e interferencia de radiación, la unidad de reloj no debe colocarse en el borde de la placa de circuito impreso. De lo contrario, EMI se volvería tan serio. Es necesario colocar unidades de reloj en el centro de la PCB, lo que puede reducir en gran medida la EMI en los circuitos.

• Enrutamiento

En el proceso de enrutamiento de PCB, bajo la circunstancia de bajo costo, el plano de tierra se puede ampliar tanto como sea posible para disminuir la influencia de EMI. Sin embargo, en el caso de que el costo deba controlarse estrictamente, la cantidad de capas de PCB y la secuencia de apilamiento deben considerarse cuidadosamente. Además, se deben considerar los tipos de señales y el enrutamiento se debe realizar de forma independiente para señales de alta velocidad y señales de baja velocidad. Además, se deben considerar otros elementos, incluida la fuente de ruido y cómo fortalecer la inhibición del ruido, problemas de coincidencia de impedancia (las señales de alta velocidad sin una coincidencia adecuada definitivamente conducirán a la reflexión de las señales y disminuirán la confiabilidad de los circuitos) y la lista de redes. .

una. Principios básicos de enrutamiento

Los principios generales que se siguen en el enrutamiento incluyen:

1). Se deben evitar los puntos de interrupción en el enrutamiento, lo que significa que se debe evitar el ángulo recto, como se muestra en la Figura 1 a continuación.

Dado que el ángulo recto posiblemente provocará una reflexión, el punto de inflexión debe diseñarse suavemente para evitar este fenómeno. Al mismo tiempo, las señales clave no deben estar más allá de las áreas divididas, o EMI se mejorará instantáneamente. La omisión de señal más común es cruzar diferentes áreas divididas de energía.

2). En el proceso de diseño, los componentes analógicos y los componentes digitales deben dividirse entre sí, lo que significa que las rutas de los mismos deben dividirse. Simultáneamente, el ancho de los cables de tierra y los cables de alimentación debe ampliarse con la regla general de que el ancho de los cables de tierra es mayor que el de los cables de alimentación que es más grande que el de los cables de señal. Además, los principios de 3W deben tenerse en cuenta en el enrutamiento de los cables de señal, mientras que para las placas multicapa, el principio de 20H debe considerarse en las capas internas. La finalización del trabajo anterior es capaz de evitar el 70% de EMI. En términos de cables sensibles analógicos, se pueden implementar medidas como la puesta a tierra.

3). Para el enrutamiento de USB2.0 u otras líneas diferenciales de alta velocidad, se debe aplicar el enrutamiento de acoplamiento y se debe garantizar la integridad de la superficie de referencia entre los pares diferenciales. Dado que los pares diferenciales son generalmente señales de alta velocidad, el enrutamiento no debe organizarse en el borde de la PCB.

b. Bucles

Los bucles nunca se pueden evitar en el diseño de PCB. Los bucles se forman a partir de señales que fluyen hacia afuera y cada uno de los bucles desempeña un papel como antena en la funcionalidad. Para reducir la EMI en la PCB, tanto el número de bucles como la capacidad de la antena de los bucles deben reducirse. Significa que la dirección del flujo de cada señal debe tenerse en cuenta en el diseño de PCB y el área del bucle debe reducirse para señales de alta velocidad.

En los circuitos, los bucles más utilizados se encuentran en los bucles de potencia contenidos en el condensador de desacoplamiento, como se muestra en la Figura 2.

Si se coloca un capacitor de desacoplamiento como el diagrama de la izquierda en la Figura 2, se generarán bucles de corriente relativamente grandes con un fenómeno EMI obvio. Por el contrario, en el diagrama de la derecha de la Figura 2, en el que el condensador de desacoplamiento se coloca muy cerca del chip, se genera un bucle de desacoplamiento extremadamente pequeño con la función principal de reducir la EMI. Se muestran los principios que se deben seguir para reducir los bucles:

1). Solo se garantiza un camino entre dos puntos en cada línea de señal.

2). El plano de tierra debe aplicarse sin bloqueo en los bucles de señal garantizados.

C. Cables de tierra de PCB

1). Las diferencias deben aclararse entre la tierra digital, la tierra analógica y la tierra del blindaje del sistema en el sistema de puesta a tierra de PCB. Se aplican perlas magnéticas y capacitor para separar la tierra digital y la tierra analógica, y la tierra digital y la tierra de campo deben conectarse directamente.
2). Si está permitido, los cables de tierra deben ensancharse en la placa de circuito impreso.
3).Forma Circuitos cerrados por cables de tierra para fortalecer la capacidad antiinterferencias y reducir la diferencia de nivel eléctrico entre los sistemas.

• Diseño de filtros

En PCB de alta velocidad, el procesamiento de filtros se puede implementar en cables de alimentación y cables de señal. Las medidas comunes incluyen la adición de componentes de filtro magnético, filtro EMI y condensador de desacoplamiento.

una. Selección de condensador de desacoplamiento

1). En un circuito, el condensador de desacoplamiento ayuda a suavizar la potencia y fortalecer la capacidad antiinterferente. En general, el capacitor cerámico se toma como un capacitor de desacoplamiento debido a su alta estabilidad, alta precisión, pequeño volumen y baja ESR (resistencia en serie equivalente). En el diseño de circuitos, el valor de la resistencia se elige en el rango de 1 μF a 100 μF, mientras que la capacidad de resistir el voltaje debe considerarse de acuerdo con los circuitos.
2). El capacitor de desacoplamiento debe colocarse cerca de los componentes.

b. Selección de componentes magnéticos

Los componentes magnéticos se pueden clasificar en inductores y perlas magnéticas. En general, el inductor se recoge al final del terminal de alimentación mientras que las cuentas magnéticas se encuentran entre las líneas de señal. En el proceso de selección de componentes, se deben tener en cuenta los parámetros de saturación. Una vez que los componentes magnéticos alcancen la saturación, se quemarán. Además, deben tenerse en cuenta los parámetros de calidad y DCR de los componentes magnéticos.

La medida comúnmente utilizada entre las líneas de señal radica en la aplicación de perlas magnéticas en las líneas en serie para fortalecer la capacidad de EMI.

C. Selección de filtro EMI

El área con interferencia de modo común grave se encuentra en el lugar donde hay entrada de alimentación y salida de las líneas de señal. Las medidas ordinarias para evitar la interferencia de modo común incluyen la adición de un inductor de modo común, una piezorresistencia, un circuito LC y un filtro EMI específico. En circuitos de alta velocidad, se debe considerar el problema de EMI para la transmisión de alta velocidad en interfaces digitales como USB y HDMI.

• Reflexión de la señal

En la transmisión de señales, siempre se espera que la energía en el terminal de origen se transmita al terminal de carga, lo que significa que ZL debe ser igual a ZO. Si no son iguales entre sí, se reflejará parte de la energía.

Si el retraso de transmisión de las líneas es relativamente largo, las señales más fuertes se reflejarán de vuelta al terminal de origen. Luego, se debe cambiar una cantidad relativamente grande para la compensación cuando se genera el timbre, que se muestra en la Figura 5 a continuación.

Cuando se produce un timbre para las señales, EMI alcanza el pico de severidad. Para evitar este fenómeno en el diseño de PCB, siga los principios de la Tabla 1.

Tiempo de borde de la señal (ns)	Longitud de las líneas de señal (pulgadas)
5	8.6
4	6.9
3	5.1
2	3.4
1	1.7

Prueba EMI

Después del diseño del producto, a pesar de muchas medidas para evitar EMI, no se encontrarán problemas hasta la implementación de la prueba. Luego, se pueden hacer algunas modificaciones para resolver problemas.

La prueba EMI incluye método de prueba, dispositivos y posición de prueba. Los métodos de prueba deben llevarse a cabo con referencia a todos los elementos. Si los dispositivos no logran alcanzar el estándar, se puede aplicar un espectrómetro para la prueba cualitativa. Si se requiere un valor EMI específico de los dispositivos, se deben aplicar dispositivos profesionales. En cuanto a la posición de prueba, es mejor hacer la prueba en el cuarto oscuro.

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