EMI in Ihrem Hochgeschwindigkeits-PCB-Design: Verstehen der Signalanstiegszeit

Die heutigen Kinder haben keine Ahnung, warum die elektromagnetische Signalüberkopplung zwischen benachbarten Schaltkreisen „Übersprechen“ genannt wird. Zurück in der Zeit, als Telefone noch in die Wand eingesteckt wurden und sie weder einen Touchscreen noch Internetzugang hatten, war es möglich, leise Flüstern anderer Gespräche durch die eigene Telefonleitung durchzuhören. Hochgeschwindigkeits-PCBs erleben das gleiche Problem mit Übersprechen, und es hängt mit dem Verhalten von digitalen Signalen zusammen, die auf Leiterbahnen auf der Platine übertragen werden.

Das Verständnis von Übersprechen und EMI im Allgemeinen, ob innerhalb einer PCB oder von einer externen Quelle, erfordert das Verständnis, wie das Signal in einer Leiterbahn mit einer anderen Leiterbahn interagiert. Wenn man Übersprechen in einem echten Hochgeschwindigkeitsdesign bewerten kann, ist es einfach zu bestimmen, wie das Design geändert werden sollte, um EMI und Übersprechen zu reduzieren. Es gibt einige Faustregeln, die bei mäßig schnellen Designs gut funktionieren, aber es hilft, Simulationen zu verwenden, um besser zu verstehen, wie Ihre Hochgeschwindigkeitsdesigns Übersprechen erfahren werden, bevor Sie einen Board-Spin durchführen.

Die Bedeutung des Begriffs „Hochgeschwindigkeitsdesign“ aufschlüsseln

Wir haben dies bereits an anderer Stelle in diesem Blog erwähnt, aber es verdient, hier noch einmal gesagt zu werden: Ein Hochgeschwindigkeitsdesign bedeutet nicht hohe Taktfrequenz oder hohe Datenrate. Hochgeschwindigkeitssignale haben eine schnelle Anstiegszeit, was bedeutet, dass sie schnell zwischen zwei Spannungsniveaus wechseln. Das Gleiche gilt für mehrstufige Signale, bei denen es einen sehr schnellen Übergang zwischen den verschiedenen Signalebenen gibt. Eine schnellere Signalanstiegs-/abfallzeit kann stärkere EMI-Probleme verursachen, insbesondere Übersprechen, in verschiedenen Teilen einer PCB. Dies gilt auch, wenn die Systemtaktfrequenz recht niedrig ist. Eine höhere Taktfrequenz bedeutet lediglich, dass Störungen durch EMI häufiger auftreten.

Die wichtigsten EMI-Probleme in einem Hochgeschwindigkeitsdesign umfassen:

• Übersprechen, hauptsächlich aufgrund induktiver Kopplung bei niedrigen Frequenzen und aufgrund kapazitiver Kopplung bei sehr hohen Frequenzen
• Abgestrahlte EMI, bei der EMI von digitalen Signalen über einen breiten Frequenzbereich abgestrahlt wird, der von Gleichstrom bis zu mehreren Harmonischen der Systemuhr reicht
• Störungen im Stromversorgungsnetz, was Spannungseinbrüche und Leistungsschwankungen einschließt, die Wellen im Gleichstromrippel erzeugen, gemessen zwischen den Stromschienen und der Erde
• Geführte EMI, bei der Störungen auf einer Verbindung anderswo in eine andere Komponente, Schaltung oder Verbindung geleitet werden, obwohl dies bei digitalen Komponenten weniger ein Problem darstellt

Zu beachten ist, dass die gleichen Effekte bei der Verlegung von Differentialpaaren auftreten, was zu differentieller Modus-Übersprechen und EMI führt. Diese Aspekte von EMI in Hochgeschwindigkeits-Digital-PCBs stehen alle in Beziehung zur Anstiegs-/Abfallzeit eines Signalswechsels.

EMI und Schaltgeschwindigkeit

Diese beziehen sich alle auf die Signalumschaltgeschwindigkeit auf einer PCB. Diese Aspekte der EMI werden in Hochgeschwindigkeitsdesigns herausfordernd, wegen der Bandbreite eines typischen digitalen Signals. Die Leistung in einem digitalen Signal konzentriert sich von DC bis zu sehr hohen (technisch unendlichen) Frequenzen. Insbesondere ist eine grobe Annäherung, dass 70% der Leistung von DC bis zur Kniefrequenz konzentriert ist, die ungefähr einem Drittel des Kehrwerts der Signalanstiegs-/Abfallzeit (von 10% bis 90%) entspricht.

Leistungsspektraldichte eines Beispiel-digitalen Signals.

All dies bedeutet, dass EMI intensiver ist, wenn die Anstiegszeit schneller ist. Da man sich in jeder Situation generell nicht einfach für langsamere Komponenten entscheiden kann, müssen Designer einige einfache Schritte unternehmen, um EMI in einem Hochgeschwindigkeitsdesign zu unterdrücken.

Hochfrequenz-Analogsignalgebung vs. Hochgeschwindigkeits-Digitalsignalgebung

Viele Ingenieure, die ich in der Vergangenheit unterrichtet habe, denken nicht an digitale Signale als Wellen, sondern betrachten digitale Signale als entweder ein- oder ausgeschaltet, wobei das elektrische Feld überall entlang der Verbindung existiert, die das digitale Signal trägt. Bei sehr kurzen Verbindungslängen ist dies technisch korrekt, aber das bedeutet nicht, dass kurze Verbindungen mehr oder weniger EMI (elektromagnetische Interferenz) aufweisen. Der ansteigende Signalübergang erzeugt immer noch EMI in einem Bereich von Frequenzen, anstatt bei einer einzelnen Frequenz.

Im Vergleich zu digitalen Signalen sind analoge Signale einfach. Der Hauptfaktor, um den man sich kümmern muss, ist die Signalfrequenz und die Verzögerung der Ausbreitung aufgrund der endlichen Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen. Ein Vergleich zwischen der Schwingungsperiode (d.h. dem Kehrwert der Signalfrequenz) und der Ausbreitungsverzögerung in einer gegebenen Verbindung bestimmt, ob man sich um Leitungsverhalten sorgen muss und ob die Leiterbahnabschlüsse kritisch werden.

Mögliche Lösungen: Es gibt keine Wunderlösung

Obwohl EMI bei hochgeschwindigkeitsdigitalen Signalen nicht vollständig entfernt werden kann, kann es mit einer Reihe von Methoden unterdrückt werden:

• Leiterbahnbreite: Kritische Leiterbahnen direkt über einer Massefläche zu verlegen und dabei etwas breitere Leiterbahnen zu verwenden, reduziert die Schleifeninduktivität, was die Menge an erzeugtem und empfangenem Übersprechen verringert
• Geerdetes Kupfer: Eine geerdete Leiterbahn kann zwischen Aggressor- und Opferleiterbahnen auf der Leiterplatte verlegt werden, was eine Reduzierung des Übersprechens um etwa 20 dB bewirken kann. Beachten Sie, dass diese Masseleitung der Massebezug sowohl für die Aggressor- als auch für die Opferleiterbahnen sein muss. Geerdetes Polygon-Pour kann auch verwendet werden, um den Raum zwischen Leiterbahnen und verschiedenen Schaltungsbereichen auszufüllen.
• Isolationsstrukturen: Einige einzigartige Strukturen auf der Oberflächenschicht einer Leiterplatte können bei sehr hohen Frequenzen eine Isolation bieten. Diese Strukturen können so einfach sein wie geerdete Kupferwände um kritische Schaltungsbereiche oder komplexe elektromagnetische Bandlückenstrukturen, die in modernen Smartphones verwendet werden.
• Innere Lagen: Scheuen Sie sich nicht, auf inneren Lagen zu verlegen, aber stellen Sie sicher, dass Sie Ihre Designregeln zur Impedanzkontrolle anwenden, um sicherzustellen, dass die internen Streifenleitungen die richtige Impedanz haben.

Blaue Leiterplatte mit dichten Leiterbahnen

Das Unterdrücken von EMI in Hochgeschwindigkeitsdesigns aufgrund von Übersprechen stellt eine Reihe von Herausforderungen dar. Glücklicherweise können Sie überprüfen, ob Ihre Verdrahtung kein übermäßiges Übersprechen erfahren wird, wenn Sie die branchenführenden PCB-Designwerkzeuge in Altium Designer^® verwenden. Sie erhalten Zugang zu den besten PCB-Design- und Layout-Tools, die das Routing und die Dokumentation der Platine automatisieren helfen, und Sie haben Zugang zu Werkzeugen zur Signalintegritätsanalyse, die Ihnen helfen, mit EMI-Immunität im Sinn zu entwerfen.

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