EMI von Flex-PCB-Kabeln in Mehrplatinensystemen

Flex-Printed-Circuit-Kabel sind sehr nützlich, um Platz zu sparen und faltbare Anwendungen in der Elektronik zu ermöglichen. Flex-Printed-Circuit-Kabel erlauben auch, dass einige Schaltkreise montiert werden, und durch die Integration von Versteifungen und Montagelöchern sind einzigartige Befestigungen an einem Gehäuse möglich. Obwohl flexible gedruckte Schaltungen möglicherweise teurer sind als eine Standard-Kabeloption, können sie höherwertige Anwendungen ermöglichen, die definitiv die Design- und Herstellungskosten ausgleichen.

Wie jede andere Board-zu-Board-Verbindung können auch Flex-PCBs EMI-Probleme erfahren. Dies umfasst die Abstrahlung von EMI von den Steckverbindern für Signale auf der Flex-Verbindung oder das Kabel von einer externen Quelle. Die einzigartige Konstruktion von Flex-Kabeln ermöglicht interessante Lösungen, die für viele Designs in Betracht gezogen werden sollten, einschließlich hochrobuster militärischer und luft- und raumfahrttechnischer Systeme. In diesem Artikel werde ich einige der Designfaktoren durchgehen, die EMI-Herausforderungen in flexiblen gedruckten Schaltkabeln adressieren.

Nutzung von Flex-Printed-Circuit-Kabeln führt zu EMI

Geräte, die flexible gedruckte Schaltungs-Kabel verwenden, variieren stark in ihrer Anwendung, von ultrakompakten digitalen Geräten bis hin zu hochgradig robusten Systemen für den Automobilbereich, das Militär und die Luft- und Raumfahrt. Flexible gedruckte Schaltungs-Kabel befinden sich meistens innerhalb des Gerätegehäuses und sind nicht der Außenumgebung ausgesetzt. Bei einigen Produkten, wie zum Beispiel einem modularen Produkt, ist das flexible Kabel außerhalb des Gehäuses freiliegend und weist dann unterschiedliche EMI-Immunitätseigenschaften auf.

Anstatt mit Goldfingern für einen ZIF-Steckverbinder/Randsteckverbinder abgeschlossen zu werden, könnten flexible gedruckte Schaltungen mit einem standardmäßigen Board-zu-Board-Steckverbinder abgeschlossen werden, und dieser Steckverbinderabschluss könnte ein Punkt sein, an dem EMI, wie ein ESD-Impuls, in Ihr System eindringen kann. Nachdem diese Risikofaktoren für EMI erkannt wurden, gibt es einige Designpraktiken, die angewendet werden können, um EMI in einer flexiblen gedruckten Schaltung zu unterdrücken oder zu verhindern.

Geätzte Erdung und Hatch-Dichte

Eine der größten Herausforderungen bei Flex-Leiterplatten, die für hohe Geschwindigkeiten oder hohe Leistung ausgelegt sind, besteht darin, dass sie keine durchgehenden Ebenen verwenden können. Für Flex-Kabel, die Strom führen, bedeutet dies oft mehrere Kupferschichten, die gerastert sind, da dies es dem Flex-Kabel ermöglicht, nach Bedarf geformt und gebogen zu werden, während gleichzeitig die erforderliche Stromtragfähigkeit bereitgestellt wird. Im Falle der Signalverlegung ist eine gerasterte Masseebene erforderlich, um die Impedanz der Leiterbahn zu definieren und die von den Signalleitungen abgestrahlten Emissionen zu reduzieren.

Wenn ein Flex-Kabel zu viel Übersprechen erfährt oder zu viel externe EMI aufnimmt, könnte eine engere Rasterung der Erdung erforderlich sein. Die Verkleinerung der Rasteröffnung wird die Menge an Kupfer pro Flächeneinheit erhöhen, und dies wird die Abschirmfähigkeit der Ebenenschicht erhöhen. Leider könnten die Anforderungen an die Leistung und die Bandbreitenanforderungen für Hochgeschwindigkeitssignale so hoch werden, dass ein Flex-Kabel nicht mehr nützlich ist und ein standardmäßiges Kabel benötigt wird.

Welcher Füllfaktor von Kupfer im Vergleich zur Öffnung der Schraffur sollte in einer geschrafften Ebene verwendet werden? Es ist sehr schwierig, allgemeingültige Aussagen zu treffen, da dies davon abhängt, wie die Schraffur verwendet wird. Schraffur kann als Masse für digitale Signale verwendet werden und zur Impedanzkontrolle dienen, in welchem Fall die Öffnung der geschrafften Masse kleiner sein sollte als ein bestimmischer Bruchteil der Ausbreitungsdistanz des Signals während seiner Anstiegszeit. Im Falle von Strom und Masse sollte die Schraffuröffnung nicht so groß sein, dass sie die Stromtragfähigkeit des Flexkabels signifikant reduziert. Simulationen sind oft notwendig, um die Impedanz zu charakterisieren, den Gleichstromwiderstand und die thermische Handhabung von geschrafften Ebenen.

Eine Impedanzsimulation der geschrafften Ebene zeigt die Periodizität der Schraffur, welche es ermöglichen kann, dass hochfrequente EMI von dem Flex-PCB-Kabel empfangen oder ausgesendet wird.

Strahlung von passenden Steckverbindern

Signalübergänge durch Steckverbinder können Quellen von abgestrahlten Emissionen sein, was bei Oberflächenmontage-Steckverbindern, ZIF-Steckverbindern für beschichtete Finger und Durchsteck-Pin-Steckverbindern auftreten kann. Flexkabel, die für Hochgeschwindigkeits-Digitalverbindungen verwendet werden, können definitiv Probleme mit abgestrahlten Emissionen von Steckverbindern haben, hauptsächlich aufgrund eines unzureichenden Erdanschlusses im Pinout des Steckverbinders. Flex-Verbindungen, die Strom führen, können auch aus mehreren Gründen Quellen von Emissionen sein. Einige der häufigen Gründe, warum Steckverbinder zu Emissionen führen, sind:

• Impedanzfehlanpassungen, die von sehr hochgeschwindigen Signalen gesehen werden
• Gemeinsame Modusstörungen auf Leiterbahnen, die vom Flexkabel abstrahlen
• Unzureichende Filterung, die Schaltrauschen auf ein Kabel lässt
• Fehlender Erdanschluss im Pinout des Steckverbinders
• Falsche Verwendung eines Kabelschirms bei einem geschirmten Steckverbinder
• Anschließen eines Steckverbinder-Schirms an den Systemgrund statt an den Chassis-Ringgrund

Dieser Steckverbinder für ein Flexkabel kann eine Quelle von abgestrahlten Emissionen sein, typischerweise aufgrund fehlenden Erdanschlusses oder Signalreflexionen.

Um sicherzustellen, dass eine gute Kopplung für Signale und Strom mit der Massebezugnahme gewährleistet ist, sollten einige Pins am Stecker auf beiden Seiten der Verbindungsstelle mit der Masse verbunden werden. Dies wird die Masse über die flexible Verbindung überbrücken und sicherstellen, dass Signale keine Trennungen in den Bezugslinien überqueren. Was die Abschirmung an Steckverbindern betrifft, so sind diese oft nicht der Außenumgebung ausgesetzt, und daher könnte ein Flexkabel-Design keinen Vorteil aus der Verwendung von abgeschirmten Steckverbindern innerhalb eines Gehäuses ziehen.

Filterung bei Flexkabel-Signal- und Stromleitungen

Wie auch bei Systemen aus starren PCBs und Kabeln, kann Filterung bei Eingängen und Ausgängen verwendet werden, um abgestrahlte und geleitete EMI zu adressieren. Durch die Reduzierung von geleiteten Emissionen über ein Flexkabel kann auch abgestrahlte EMI reduziert werden, sobald das Rauschen zu einer unzureichend geerdeten Verbindungsstelle propagiert. Optionen für die Filterung sind verfügbar, entweder direkt auf einem Flexkabel oder auf einem starren Abschnitt mit einem Versteifer:

• SMD-Drosseln für gemeinsame Modusstörungen
• Filtermodule höherer Ordnung
• RC- oder LC-Filter aus diskreten Komponenten
• Ferrite auf Gleichstromleitungen oder DC-Signalen

Mir gefällt besonders die Option der Filtermodule, insbesondere für die Stromversorgung am Eingang oder Ausgang eines Flexkabels. Diese Module können eine höhergradige Filterung mit steilem Abfall im Kilohertzbereich bieten, was sie sehr nützlich macht, um Störungen aus der Gleichstromversorgung zu entfernen. Ein Beispiel eines Murata aus einem Altium Designer Flyback-Wandler-Projekt wird unten gezeigt.

Murata-Filtermodul (PN: BNX026H01L), das eine höhergradige Tiefpassfilterung bietet, hauptsächlich für Gleichstromverbindungen.

Streifenleitungen mit geschlitzten Ebenen

Aufgrund der Öffnungen in geschlitzten Ebenen werden Strukturen keine extrem hohe Abschirmwirksamkeit gegen EMI haben. Wenn Signale zu anfällig sind oder ihre Flankensteilheiten so hoch sind, dass die geschlitzte Ebene Schwierigkeiten hat, das elektromagnetische Feld zu enthalten, kann die Erstellung einer Streifenleiterkonfiguration mit geschlitzten Ebenen eine Lösung sein. Platzieren Sie eine geschlitzte Ebene über und unter der Signalebene, um die Streifenleiterstruktur zu erstellen. Der beste Weg, um die Abschirmwirksamkeit zu maximieren, besteht darin, die geschlitzten Strukturen leicht zu versetzen, sodass das feste Kupfer in einer geschlitzten Ebene die Öffnungen in der anderen Ebene überlappt.

Irgendwann werden Signale mit Anstiegszeiten unter einer Nanosekunde so schnell, dass die Gitterstruktur die Signalintegrität nicht mehr aufrechterhalten kann und zu viel abgestrahlte EMI zulässt. An diesem Punkt ist ein Kabel die bessere Option. Diese Verbindungen sind in der Regel differentiell, was hilfreich ist, um Lärm zu begrenzen. Steckverbinderhersteller bieten mehrere Optionen, die eine hohe Bandbreite der differentiellen Signalübertragung mit Impedanzanpassung an den Steckverbinderoberflächen ermöglichen. Überprüfen Sie die Datenraten-Spezifikation der passenden Steckverbinder, um sicherzustellen, dass sie Ihre Anforderungen an Signalintegrität und EMC unterstützen.

Samtec AcceleRate^® Hochgeschwindigkeitskabel werden benötigt, sobald Datenraten und Kanalbandbreitenanforderungen zu groß werden.

Zum Abschluss können Flexkabel aus einer EMI-Perspektive die gleiche Leistung wie verdrahtete Kabel erbringen, solange die Signale nicht zu schnell sind. Dies erfordert auch ein angemessenes Pinout-Design, um eine konsistente Referenzleiterverbindung an allen Steckflächen und über das Flexkabel hinweg sicherzustellen. Filter können auch nützlich sein für spezifische Störquellen, Gleichstrom und einige Signale, die ebenfalls gemeinsamen Moduslärm tragen können.

Hochgeschwindigkeits-Einzelsignale mit Impedanzkontrollanforderungen sind möglicherweise nicht die beste Option für den Einsatz in Flexkabeln. Differenzialpaare können jedoch aufgrund ihrer geringeren abgestrahlten Emissionen nützlich sein, selbst wenn der Masseanschluss spärlich ist, wie im Fall eines geschlitzten Masseplanes. In diesem Fall können Differenzialpaare einen engeren Abstand erfordern, als typischerweise auf einer starren Leiterplatte verwendet würde, da dies die Impedanzvariationen über dem geschlitzten Masse reduzieren wird.

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