EMI dai cavi PCB flessibili nei sistemi multiboard

I cavi di circuito stampato flessibili sono molto utili per risparmiare spazio e abilitare applicazioni pieghevoli nell'elettronica. I cavi di circuito stampato flessibili consentono anche di montare alcuni circuiti, e fissazioni uniche a un involucro sono possibili incorporando rinforzi e fori di montaggio. Sebbene i circuiti stampati flessibili possano costare più di un'opzione di cavo cablato standard, possono abilitare applicazioni di maggior valore che compensano sicuramente il costo di progettazione e produzione.

Come per qualsiasi altro interconnettore da scheda a scheda, i PCB flessibili possono riscontrare problemi di EMI. Ciò include l'emissione di EMI dai connettori per i segnali sull'interconnessione flessibile, o il cavo da una fonte esterna. La costruzione unica dei cavi flessibili ammette soluzioni interessanti che dovrebbero essere considerate per molti progetti, inclusi sistemi militari e aerospaziali altamente robusti. In questo articolo, esaminerò alcuni dei fattori di progettazione che affrontano le sfide EMI nei cavi di circuito stampato flessibili.

Uso dei Cavi di Circuito Stampato Flessibili che Porta a EMI

I dispositivi che utilizzano cavi di circuito stampato flessibile variano ampiamente nell'applicazione, spaziando da dispositivi digitali ultra-compatti a sistemi altamente robusti per l'automotive, militare e aerospaziale. I cavi di circuito stampato flessibile vivono più spesso all'interno del contenitore del dispositivo e non sono esposti all'ambiente esterno. In alcuni prodotti, come un prodotto modulare, il cavo flessibile è esposto all'esterno del contenitore e avrà caratteristiche di immunità EMI differenti.

Invece di essere terminati con dita d'oro per un connettore ZIF/connettore di bordo, i circuiti stampati flessibili potrebbero essere terminati con un connettore standard da scheda a scheda, e quella terminazione del connettore potrebbe essere un punto in cui l'EMI, come un impulso ESD, può entrare nel vostro sistema. Dopo aver compreso questi fattori di rischio per l'EMI, ci sono alcune pratiche di progettazione che possono essere utilizzate per sopprimere o prevenire l'EMI in un circuito stampato flessibile.

Messa a Terra Incrociata e Densità di Incrocio

Una delle principali sfide relative alle schede di circuito flessibili che supportano alte velocità o alta potenza è che non possono utilizzare piani solidi. Per i cavi flessibili che trasportano energia, ciò significa spesso avere strati di rame incisi, poiché ciò permetterà al cavo flessibile di essere modellato e piegato come necessario pur fornendo la capacità di trasporto corrente richiesta. Nel caso del routing dei segnali, è necessario un piano di massa inciso per definire l'impedenza delle tracce e ridurre le emissioni irradiate dalle linee di segnale.

Se un cavo flessibile sta sperimentando troppo diafonia o sta captando troppa EMI esterna, potrebbe essere necessario un collegamento a terra inciso più stretto. Ridurre l'apertura dell'incisione aumenterà la quantità di rame per unità di superficie, e ciò aumenterà la capacità di schermatura dello strato del piano. Sfortunatamente, i requisiti di potenza e i requisiti di larghezza di banda del canale per segnali ad alta velocità potrebbero diventare così elevati che un cavo flessibile non sarà più utile, e sarà necessario un cavo cablato standard.

Quale fattore di riempimento del rame rispetto all'apertura della trama dovrebbe essere utilizzato in un piano tratteggiato? È molto difficile fare affermazioni generalizzate poiché ciò dipende dall'uso della trama. La trama può essere utilizzata come terra per segnali digitali e per fornire controllo dell'impedenza, in tal caso l'apertura della terra tratteggiata dovrebbe essere inferiore a una certa frazione della distanza di propagazione del segnale durante il suo tempo di salita. Nel caso di alimentazione e terra, l'apertura della trama non dovrebbe essere così grande da ridurre significativamente la capacità di trasporto di corrente del cavo flessibile. Spesso sono necessarie simulazioni per caratterizzare l'impedenza, la resistenza in DC e la gestione termica dei piani tratteggiati.

Una simulazione dell'impedenza di un piano tratteggiato mostra la periodicità della trama, che può permettere all'EMI ad alta frequenza di essere ricevuta o emessa dal cavo PCB flessibile.

Radiazione dai Connettori Accoppiati

Le transizioni di segnale attraverso connettori accoppiati possono essere fonti di emissioni irradiate, che possono verificarsi in connettori montati in superficie, connettori ZIF per dita placcate e connettori a pin passanti. I cavi flessibili utilizzati per interconnessioni digitali ad alta velocità possono certamente avere problemi con emissioni irradiate dai connettori accoppiati, principalmente a causa della mancanza di terra sufficiente nel pinout del connettore. Gli interconnettori flessibili che trasportano energia possono anche essere fonti di emissioni per molteplici motivi. Alcuni dei motivi comuni per cui i connettori accoppiati portano a emissioni sono:

• Disadattamento di impedenza visto da segnali ad altissima velocità
• Rumore in modo comune sulle tracce, che irradia dal cavo flessibile
• Filtraggio insufficiente che permette al rumore di commutazione di accedere a un cavo
• Mancanza di terra nel pinout del connettore
• Uso scorretto di uno schermo del cavo su un connettore schermato
• Collegamento dello schermo di un connettore alla terra del sistema piuttosto che al terra dell'anello del telaio

Questo connettore accoppiato per un cavo flessibile può essere una fonte di emissioni irradiate, tipicamente a causa della mancanza di terra o riflessioni del segnale.

Per garantire un riferimento di terra con un buon accoppiamento per segnali e alimentazione, è consigliabile allocare alcuni pin sul connettore al terra su entrambi i lati dell'interfaccia di accoppiamento. Ciò permetterà di collegare il terra attraverso l'interconnessione flessibile e garantirà che i segnali non attraversino divisioni nei conduttori di riferimento. Per quanto riguarda lo schermaggio sui connettori, questi non sono spesso esposti all'ambiente esterno, quindi un design di cavo flessibile potrebbe non trarre vantaggio dall'uso di connettori schermati all'interno di un involucro.

Filtraggio su Linee di Segnale e Alimentazione del Cavo Flessibile

Proprio come nel caso dei sistemi di PCB rigidi e cavi, il filtraggio può essere utilizzato sugli ingressi e uscite per affrontare l'EMI irradiata e condotta. Riducendo le emissioni condotte su un cavo flessibile, l'EMI irradiata può essere ridotta una volta che il rumore si propaga a un'interfaccia di accoppiamento insufficientemente messa a terra. Sono disponibili opzioni per il filtraggio, sia direttamente su un cavo flessibile che su una sezione rigida con uno stiffener:

• Induttori SMD per il rumore in modo comune
• Moduli di filtro di ordine superiore
• Filtri RC o LC realizzati con componenti discreti
• Ferriti sulle linee di alimentazione DC o sui segnali DC

Mi piace particolarmente l'opzione dei moduli filtro, soprattutto per l'alimentazione fornita all'ingresso o all'uscita di un cavo flessibile. Questi moduli possono offrire un filtraggio di ordine superiore con una ripida attenuazione nella gamma dei kilohertz, rendendoli molto utili per rimuovere il rumore dall'alimentazione DC. Di seguito è mostrato un esempio di un Murata da un progetto di convertitore flyback di Altium Designer.

Modulo filtro Murata (PN: BNX026H01L) che fornisce un filtraggio passa-basso di ordine superiore, principalmente per interconnessioni di alimentazione DC.

Stripline con Piani Traforati

A causa delle aperture nei piani traforati, le strutture non avranno un'efficacia di schermatura estremamente alta contro l'EMI. Quando i segnali sono troppo suscettibili o i loro tassi di variazione sono così rapidi che il piano traforato fatica a contenere il campo elettromagnetico, creare una configurazione di stripline con piani traforati può essere una soluzione. Posizionare un piano traforato sopra e sotto lo strato di segnale per creare la struttura di stripline. Il modo migliore per massimizzare l'efficacia della schermatura è sfalsare leggermente le strutture traforate in modo tale che il rame solido in un piano traforato si sovrapponga alle aperture del traforo nell'altro piano.

A un certo punto, i segnali con tassi di variazione inferiori a un nanosecondo diventano così veloci che la struttura a maglie non riesce più a mantenere l'integrità del segnale e ammette troppa EMI irradiata. A questo punto, un cavo diventa l'opzione migliore. Questi collegamenti tendono ad essere differenziali, il che è utile per contenere il rumore. I fornitori di connettori offrono diverse opzioni che forniscono una propagazione del segnale differenziale ad alta larghezza di banda con abbinamento dell'impedenza sulle superfici di accoppiamento dei connettori. Controlla la specifica del tasso di dati sui connettori accoppiati per assicurarti che possano supportare le tue esigenze di integrità del segnale e di compatibilità elettromagnetica.

I cavi ad alta velocità Samtec AcceleRate^® sono necessari una volta che i tassi di dati e i requisiti di larghezza di banda del canale diventano troppo elevati.

In conclusione, i cavi flessibili possono operare con le stesse prestazioni dei cavi cablati da una prospettiva EMI a patto che i segnali non siano troppo veloci. Ciò richiede anche un appropriato design dei pin per garantire una connettività consistente del conduttore di riferimento su tutte le superfici di accoppiamento e lungo il cavo flessibile. I filtri possono anche essere utili per specifiche fonti di rumore, l'alimentazione DC e alcuni segnali che possono anche trasportare rumore in modo comune.

I segnali ad alta velocità a terminazione singola con requisiti di controllo dell'impedenza potrebbero non essere l'opzione migliore per l'uso in cavi flessibili. Tuttavia, le coppie differenziali possono essere utili grazie alle loro minori emissioni irradiate, anche quando il ground è scarso come nel caso di un piano di massa traforato. In questo caso, le coppie differenziali possono richiedere una spaziatura più stretta di quanto tipicamente utilizzato in un PCB rigido, poiché ciò ridurrà le variazioni di impedenza sul ground traforato.

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