EMI nel tuo design PCB ad alta velocità: comprendere il tempo di salita del segnale

I ragazzi di oggi non hanno idea del perché l'accoppiamento del segnale elettromagnetico tra circuiti vicini sia chiamato "crosstalk". Quando i telefoni si collegavano al muro e non includevano uno schermo touch o l'accesso a internet, era possibile sentire sussurri deboli di altre conversazioni che filtravano nella propria linea telefonica. Le PCB ad alta velocità sperimentano lo stesso tipo di problema con il crosstalk, ed è legato al comportamento dei segnali digitali che si propagano sulle tracce nella scheda.

Comprendere il crosstalk e l'EMI in generale, sia all'interno di una PCB che da qualche fonte esterna, richiede di capire come il segnale in una traccia interagisce con un'altra traccia. Se si riesce a valutare il crosstalk in un vero design ad alta velocità, è facile determinare come il design dovrebbe cambiare per ridurre l'EMI e il crosstalk. Ci sono alcune regole generali che funzioneranno bene su design di velocità moderata, ma aiuta usare le simulazioni per capire meglio come i tuoi design ad alta velocità sperimentino il crosstalk prima di procedere con una nuova versione della scheda.

Analizzando il Termine “Design ad Alta Velocità”

Abbiamo sottolineato questo aspetto altrove su questo blog, ma merita di essere ribadito qui: un design ad alta velocità non significa alta frequenza di clock o alta velocità di trasmissione dati. I segnali ad alta velocità hanno un tempo di salita rapido, ovvero una transizione veloce tra due livelli di tensione. Lo stesso vale per i segnali multi-livello, dove c'è una transizione molto rapida tra i vari livelli di segnale. Un tempo di salita/discesa del segnale più veloce può creare problemi di EMI più gravi, in particolare diafonia, in varie parti di un PCB. Questo è vero anche se la frequenza del clock del sistema è piuttosto bassa. Una frequenza di clock più veloce significa semplicemente che eventuali disturbi dovuti all'EMI si verificheranno più spesso.

I principali problemi di EMI in un design ad alta velocità includono:

• Diafonia, principalmente a causa dell'accoppiamento induttivo a basse frequenze e dell'accoppiamento capacitivo a frequenze molto più elevate
• EMI irradiata, dove l'EMI dai segnali digitali viene irradiata su un'ampia gamma di frequenze che vanno dalla DC fino a multipli armonici del clock del sistema
• Glitch del bus di alimentazione, che include rimbalzo dell'alimentazione e rimbalzo di potenza, creando onde nella ondulazione DC misurata tra i binari di alimentazione e la terra
• EMI condotta, dove il rumore su un interconnettore è collegato altrove in un altro componente, circuito o interconnettore, anche se questo è meno problematico nei componenti digitali

Si noti che gli stessi effetti si verificano con il routing di coppie differenziali, portando a diafonia in modalità differenziale e EMI. Questi aspetti dell'EMI nelle PCB digitali ad alta velocità sono tutti correlati al tempo di salita/discesa di una transizione del segnale.

EMI e Velocità di Commutazione

Questi aspetti si riferiscono alla velocità di commutazione del segnale in un PCB. Questi aspetti dell'EMI diventano sfidanti nella progettazione ad alta velocità a causa della larghezza di banda di un tipico segnale digitale. L'energia in un segnale digitale è concentrata dal DC fino a frequenze molto alte (tecnicamente infinite). In particolare, una approssimazione grossolana indica che il 70% dell'energia è concentrato dal DC fino alla frequenza di ginocchio, che è pari a circa un terzo dell'inverso del tempo di salita/discesa del segnale (dal 10% al 90%).

Densità spettrale di potenza di un esempio di segnale digitale.

Tutto ciò significa che, quando il tempo di salita è più rapido, l'EMI è più intensa. Poiché generalmente non si può semplicemente optare per componenti più lenti in qualsiasi situazione, i progettisti devono adottare alcuni passi semplici per sopprimere l'EMI in una progettazione ad alta velocità.

Segnalazione Analogica ad Alta Frequenza vs. Segnalazione Digitale ad Alta Velocità

Molti ingegneri che ho insegnato in passato non pensano ai segnali digitali come a onde, piuttosto li considerano semplicemente accesi o spenti, dove il campo elettrico esiste ovunque lungo l'interconnessione che trasporta il segnale digitale. A lunghezze di interconnessione molto basse, tecnicamente questo è corretto, ma ciò non significa che le interconnessioni corte mostrino più o meno EMI. La transizione del segnale in crescita crea comunque EMI in una gamma di frequenze, piuttosto che a una singola frequenza.

Rispetto ai segnali digitali, i segnali analogici sono semplici. Il fattore principale di cui preoccuparsi è la frequenza del segnale e il ritardo di propagazione dovuto alla velocità finita delle onde elettromagnetiche. Un confronto tra il periodo di oscillazione (ovvero l'inverso della frequenza del segnale) e il ritardo di propagazione in una data interconnessione determina se è necessario preoccuparsi del comportamento della linea di trasmissione e se la terminazione della traccia diventa critica.

Potenziali Soluzioni: Non Esiste una Soluzione Miracolosa

Sebbene l'EMI nella segnalazione digitale ad alta velocità non possa essere completamente eliminata, può essere soppressa utilizzando una serie di metodi:

• Dimensionamento delle tracce: Il routing delle tracce critiche direttamente sopra un piano di massa e l'utilizzo di tracce leggermente più larghe riducono l'induttanza di loop, che a sua volta riduce la quantità di diafonia generata e ricevuta
• Rame collegato a terra: Una traccia collegata a terra può essere instradata tra le tracce aggressore e vittima sul PCB, il che può fornire circa 20 dB di riduzione della diafonia. Si noti che questa traccia di terra deve corrispondere al riferimento di terra sia per le tracce aggressore che per quelle vittima. Anche il riempimento poligonale collegato a terra può essere utilizzato per riempire lo spazio tra le tracce e i diversi blocchi di circuito.
• Strutture di isolamento: Alcune strutture uniche sullo strato superficiale di un PCB possono fornire isolamento a frequenze molto alte. Queste strutture possono essere semplici come muri di rame collegati a terra attorno ai blocchi di circuito critici, o complesse strutture a banda proibita elettromagnetica utilizzate negli smartphone moderni.
• Strati interni: Non esitare a instradare sugli strati interni, ma assicurati di applicare le tue regole di progettazione per il controllo dell'impedenza per garantire che le stripline interne avranno l'impedenza corretta.

PCB blu con tracce dense

Cercare di sopprimere l'EMI in un design ad alta velocità a causa del crosstalk presenta una serie di sfide. Fortunatamente, puoi verificare che il tuo routing non subirà un eccessivo crosstalk quando utilizzi i migliori strumenti di progettazione PCB del settore trovati in Altium Designer^®. Avrai accesso ai migliori strumenti di progettazione e layout PCB che aiutano ad automatizzare il routing e la documentazione della scheda, e avrai accesso agli strumenti di analisi dell'integrità del segnale che ti aiutano a progettare tenendo in mente l'immunità all'EMI.

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