Reglas de diseño de particiones de PCB para la mejora de EMC

EMC, abreviatura de compatibilidad electromagnética, se refiere a un estado de coexistencia en el que los dispositivos electrónicos son capaces de implementar sus propias funciones en el mismo entorno electromagnético. En pocas palabras, EMC permite que los dispositivos electrónicos funcionen de forma independiente y normalmente sin interferencias entre ellos, es decir, esos dispositivos electrónicos pueden ser compatibles entre sí en todo el sistema. Debido a que EMC se logra mediante el control de EMI (interferencia electromagnética), se desarrolla con una serie de estudios relacionados con EMI, como la introducción de EMI, investigación sobre EMI, soluciones anti-EMI y gestión de EMI.

Principios fundamentales de CEM

Para reducir la interferencia entre las señales digitales y las señales analógicas, primero debe conocer dos principios fundamentales de EMC.
Principio 1:El área del bucle del circuito debe MINIMIZARSE.
Principio 2:Solo se puede aplicar un ÚNICO plano de referencia en un sistema.

Una vez que no se sigue el Principio 1 y las señales tienen que pasar por un área de bucle grande, se generará una antena de bucle grande. Sin embargo, una vez que no se siga el Principio 2 y se disponga de dos planos de referencia, se creará una antena dipolo. Ninguno de los resultados es lo esperado.

Reglas y aplicaciones de partición de PCB de señal mixta

Se recomienda que la tierra digital y la tierra analógica en la misma placa de señal de mezcla estén separadas para lograr el aislamiento entre ellas. A pesar de la factibilidad de esta solución, ocurrirán muchos problemas latentes, que sobresalen especialmente en sistemas a gran escala. El problema crucial radica en el hecho de que el rastreo no se establece en la división entre tierra digital y tierra analógica. Con el rastreo configurado en la división, tanto la radiación electromagnética como la diafonía de la señal aumentarán drásticamente. El problema más común en el diseño de PCB radica en la aparición de EMI debido a que las líneas de señal cruzan la tierra o la energía dividida.

La Figura 1 a continuación muestra la situación presentada anteriormente.

Basado en este método de división, las líneas de señal tienen que atravesar la división entre tierra digital y tierra analógica. Entonces, ¿cómo es la ruta de retorno del circuito de señal? Suponga que dos tierras divididas están conectadas juntas en un punto y, en esta situación, el circuito de tierra generará un bucle grande. A partir de entonces, el circuito de alta frecuencia que fluye a través de un bucle grande dará lugar a la aparición de un bucle grande con alta capacitancia de tierra y generación de radiación. Si el circuito analógico de bajo nivel fluye a través del bucle grande, será fácilmente interferido por señales externas. La peor situación ocurrirá cuando la tierra dividida esté conectada con energía, se formará un bucle de circuito extremadamente grande. Además, se formará una antena dipolo cuando la tierra analógica y la tierra digital se conecten entre sí a través de un cable largo. Como resultado, los ingenieros deben conocer la ruta y el método del circuito de retorno en la optimización del diseño de PCB de señal mixta. Sin embargo, muchos ingenieros observan la ruta de flujo del circuito de señal sin pensar en la ruta específica de los circuitos. Si el plano de tierra debe dividirse y el rastreo debe organizarse a través de la división, primero se puede implementar una conexión de un solo punto entre dos tierras divididas con un puente formado para que se proporcione una ruta de retorno de corriente continua debajo de cada línea de señal con un área de bucle pequeña. formado, que se indica en la Figura 2.

La aplicación de dispositivos de aislamiento óptico o transformadores también puede conducir señales a través de la división. Cuando se trata de dispositivos de aislamiento óptico, son las señales ópticas las que se dividen. Cuando se trata de transformadores, es el campo magnético el que atraviesa la división. Otro método aplicable radica en la aplicación de señales diferenciales. La señal fluye hacia una línea mientras regresa de otra línea de señal. Bajo esta condición, no se requiere tierra como ruta de retorno.

La partición dividida se puede aplicar en las siguientes tres circunstancias:
Circunstancia 1:algunos equipos médicos requieren una corriente de fuga baja entre el circuito conectado con los pacientes y el sistema.
Circunstancia 2:la entrada de algunos equipos de control de procesos industriales puede ser conectado con dispositivos electromecánicos con alto nivel de ruido y potencia.
Circunstancia 3:el diseño de PCB sufre ciertas limitaciones.

Las potencias digitales y analógicas independientes generalmente están disponibles en PCB de señal mixta y los planos de potencia dividida pueden y deben depender. Sin embargo, las líneas de señal cercanas al entorno de los planos de potencia no atraviesan la división entre potencias y todas las líneas de señal que cruzan esta división tienen que estar en el entorno de los planos conductores con un área grande. En algunas situaciones, los problemas de división relacionados con los planos de alimentación se pueden evitar mediante el diseño de la alimentación analógica para que sean cables de conexión de PCB en lugar de solo un plano.

Método de diseño del plano de tierra y aplicaciones de PCB de señal mixta

Para analizar la interferencia que dejan las señales digitales en las señales analógicas, primero se deben comprender los atributos de la corriente de alta frecuencia. La corriente de alta frecuencia siempre depende de la ruta con impedancia mínima (inductancia más baja) y se encuentra directamente debajo de las señales. Como resultado, la ruta de retorno fluirá a través del plano del circuito ambiental sin importar que este plano sea el plano de potencia o el plano de tierra. En la operación práctica, el plano de tierra tiende a usarse con la placa de circuito dividida en una sección analógica y una sección digital. Las señales analógicas se colocan dentro de las secciones analógicas de todos los planos, mientras que las señales digitales se encuentran dentro del área del circuito digital. En esta situación, la corriente de retorno de la señal digital no fluirá hacia la tierra de las señales analógicas. Siempre que el diseño de la señal digital se realice sobre la sección analógica o el diseño de la señal analógica se realice sobre la sección digital en PCB, se generarán interferencias producidas por señales digitales en señales analógicas.

La aparición de tales problemas no se deriva de la ausencia de tierra dividida sino del diseño inadecuado de las señales digitales. Cuando se trata de diseño de PCB, la aplicación del plano de tierra, la partición por circuitos digitales y circuitos analógicos y un diseño de señal razonable generalmente ayudan a resolver problemas difíciles relacionados con el diseño y la partición. Además, se pueden evitar algunos problemas potenciales causados ​​por el suelo dividido. Como resultado, el diseño y la partición de los componentes se convierten en elementos clave que determinan la calidad del diseño de PCB. Si el diseño y la partición son lo suficientemente adecuados, la corriente en la tierra digital se limitará en la sección digital en una placa de circuito y las señales analógicas no serán interferidas. El diseño para tal situación debe inspeccionarse y verificarse cuidadosamente para garantizar que las reglas de diseño se cumplan totalmente. De lo contrario, incluso un diseño de línea de señal inadecuado posiblemente provocará la avería de una placa de circuito completa.

Cuando los pines de tierra analógicos y de tierra digital del convertidor A/D están conectados juntos, la mayoría de los fabricantes de convertidores A/D sugerirán conectar los pines ADND y DGND con la misma tierra con baja impedancia a través de cables mínimos. Esto se debe a que esos pines no están conectados dentro de la mayoría de los convertidores A/D IC y cualquier impedancia externa conectada con DGND generará más ruido digital junto con el circuito analógico dentro del IC a través de la capacitancia parásita. En consecuencia, los pines AGND y DGND del convertidor A/D deben conectarse a tierra analógica. Sin embargo, surgirá el problema de si la tierra analógica o la tierra digital deben conectarse con el terminal de tierra del capacitor de desacoplamiento de señales digitales.

Cuando se trata del sistema con un solo convertidor A/D, el problema presentado anteriormente se puede resolver fácilmente. Con tierra separada, la sección de tierra analógica y la sección de tierra digital están conectadas debajo del convertidor A/D. Cuando se usa este método, el puente entre dos terrenos debe ser tan ancho como el de IC y ninguna línea de señal debe atravesar una división.

Cuando se trata de un sistema con algunos convertidores A/D, 10 por ejemplo, ¿cómo debemos conectarnos? Si seguimos la misma solución que se presentó anteriormente, es decir, para conectar la tierra analógica y la tierra digital bajo el convertidor A/D, se producirá una conexión de múltiples puntos, por lo que el aislamiento entre la tierra analógica y la tierra digital no tendrá sentido. Si la conexión no se realiza de esta forma, no se cumplirá el requisito del fabricante. La solución óptima radica en la aplicación de un suelo uniforme que se divide en sección analógica y sección digital. Este tipo de diseño no solo cumple con los requisitos de tierra analógica y tierra digital de los fabricantes de circuitos integrados que exigen una baja impedancia entre ellos, sino que también evita problemas contra la compatibilidad electromagnética, como la antena de cuadro o la antena dipolo.

Si los ingenieros tienen dudas sobre la aplicación de tierra uniforme en el diseño de PCB, el diseño se puede implementar en función del método de división del plano de tierra. En el proceso de diseño, la placa debe ser accesible para puentear el cable con una resistencia de menos de 0,5 pulgadas o 0 ohmios para conectar la tierra dividida. Se debe prestar mucha atención a la partición y el diseño para garantizar que no se coloquen líneas de señal digital por encima de la sección analógica y viceversa. Además, ninguna línea de señal debe atravesar potencias de aislamiento divididas o divididas a tierra. Para probar las funciones de la PCB y su EMC, se deben conectar dos tierras a través de una resistencia de 0 ohmios o un cable puente y luego volver a probar las funciones de la placa y su EMC. La comparación de resultados indica que, en todos los casos, la solución de tierra uniforme es mejor que la solución de tierra dividida en términos de funciones y EMC.

El diseño de PCB de señal mixta es un proceso complicado. Una placa de circuito impreso debe dividirse en una sección analógica independiente y una sección digital, y el convertidor A/D debe colocarse entre secciones. Para separar las potencias analógicas y digitales, la división entre planos de potencia aislados no debe cruzarse y las líneas de señal que deben cruzarse deben organizarse en la capa del circuito que está entre el ambiente y el área grande. Se debe analizar dónde fluye la corriente de la ruta de retorno y cómo fluye para que se cumpla con el diseño adecuado de los componentes y las reglas de diseño correctas. En todas las capas de una placa de circuito, las señales digitales solo pueden distribuirse en secciones digitales, mientras que las señales analógicas solo pueden distribuirse en secciones analógicas.

Método de diseño del plano de tierra y aplicaciones de PCB de señal mixta

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