Opanowanie kontroli EMI w projektowaniu PCB: Rozmieszczanie komponentów dla EMC

W tym drugim artykule z serii Mastering EMI Control in PCB Design zagłębimy się w jedną z kluczowych koncepcji utrzymania niskiego poziomu zakłóceń elektromagnetycznych (EMI).

Segregacja płyty, znana również jako partycjonowanie płyty, to metoda używana do organizowania różnych części obwodu Płytki Drukowanej (PCB) w celu ich oddzielenia. Poprawia to ogólną wydajność płyty, szczególnie pod względem EMI. Ta technika nie tylko pomaga zmniejszyć zakłócenia elektromagnetyczne, ale także zwiększa integralność sygnału projektu PCB.

Zasady leżące u podstaw tych technik obejmują:

1. Zawieranie wysokoenergetycznej zawartości sygnałów cyfrowych o wysokiej częstotliwości.
2. Unikanie wspólnego sprzężenia impedancyjnego między różnymi typami obwodów w obrębie płyty.
3. Zmniejszanie obszarów pętli prądowych w celu zmniejszenia emisji i poprawy odporności na zewnętrzne zakłócenia.

Sygnały o wysokiej i niskiej prędkości oraz ich harmoniczne

Pierwsza koncepcja dotyczy kontroli wysokoenergetycznej zawartości harmonicznej produkowanej przez szybko przełączające się sygnały i jak szybko zmienia się ich prąd w czasie. Wyższa szybkość zmiany prądu skutkuje większą energią harmonicznych w sygnałach, zwiększając prawdopodobieństwo promieniowania.

Drugim pojęciem jest to, że prąd zwrotny sygnału zmienia się wraz z częstotliwością tego sygnału. Dzieje się tak, ponieważ impedancja, z jaką sygnał się spotyka podczas propagacji, składa się nie tylko z oporu przewodników, ale także ich pojemności i, co najważniejsze, ich indukcyjności pętli. W miarę wzrostu częstotliwości sygnału, indukcyjny składnik impedancji (który zależy od częstotliwości) staje się większy.

Różnice w ścieżkach zwrotnych

Ponieważ prąd zawsze szuka ścieżki o najmniejszej impedancji, ważne jest, aby zrozumieć, że wraz ze wzrostem częstotliwości sygnału, prąd zwrotny ściśle podąża za prądem sygnału, aby zminimalizować pętlę indukcyjną. Przeciwnie, przy niskich częstotliwościach sygnału, gdzie indukcyjność staje się mała, dominującym składnikiem impedancji staje się składnik rezystancyjny.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Na tym etapie prąd zwrotny rozprzestrzenia się po powierzchni przewodnika, aby znaleźć ścieżkę o najmniejszym oporze. Krytycznym punktem dla projektantów PCB jest to, że ścieżka prądu zwrotnego do źródła zależy od częstotliwości sygnału.

Rysunek 1 - Przykład różnych ścieżek prądu zwrotnego w zależności od częstotliwości w Altium Designer

Naszym zadaniem jako projektantów PCB jest minimalizacja zakłóceń między prądami zwrotnymi, aby uniknąć sprzężeń przez wspólną impedancję, co może prowadzić do emisji elektromagnetycznych. Aby to osiągnąć, możemy tworzyć specyficzne strefy lub sekcje na PCB, każda dedykowana dla określonego typu układów. To również redukuje pętle prądowe, prowadząc do mniejszej radiacji od prądów różnicowych.

Może wydawać się kuszące, aby stworzyć podział w Płaszczyźnie Referencyjnej Zwrotu (RRP), aby jeszcze bardziej izolować ścieżki prądów zwrotnych od różnych obwodów. Jednakże, to podejście nie jest zgodne z najlepszymi praktykami dla EMC, ponieważ tworzy różnicę napięć między dwoma obszarami metalowymi, formując strukturę podobną do anteny, która może powodować emisje elektromagnetyczne.

Rysunek 2 - Przykład niepoprawnego podziału płaszczyzny w Altium Designer

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More

Rozwiązaniem jest zaimplementowanie solidnej, niskoimpedancyjnej płaszczyzny referencyjnej zwrotu, która pozwala prądowi zwrotnemu znaleźć preferowaną ścieżkę powrotną do źródła. Ta płaszczyzna nie powinna mieć żadnych cięć, podziałów, ani dużych przerw, które mogą działać jako źródła szumów wspólnych. Następnie rozmieszczenie komponentów powinno być podzielone na wyraźne sekcje poprzez dystrybucję komponentów na podstawie ich typu układów i funkcji.

Na płycie sygnałów mieszanych typowym podziałem jest podzielenie płyty na sekcję cyfrową, sekcję zasilania, sekcję analogową, sekcję wejścia/wyjścia oraz w razie potrzeby sekcję filtracji. Sekcja cyfrowa, na przykład, powinna być umieszczona z dala od innych komponentów. Chociaż prąd zwrotny będzie ściśle podążał za ścieżkami sygnałowymi, wysoka energia w harmonicznych zawartościach sygnałów będzie bardziej efektywnie promieniować i mogłaby sprzęgać się z innymi sekcjami płyty.

Przykładem tego jest, gdy sygnał zegara sprzęga się z innymi sieciami w innych częściach płyty, takimi jak sekcje zasilania i analogowe, które mogą mieć podłączone do nich kable działające jak anteny, promując emisje.

Struktury Antenowe z Kablami

Sekcja wejścia/wyjścia jest kluczowa, nie tylko aby ograniczyć iniekcję szumów do kabli, ale także aby umożliwić dalszą izolację poprzez techniki filtracji i ekranowanie w celu zmniejszenia zewnętrznych zakłóceń lub ograniczenia emisji szumów z płyty. Układ musi uwzględniać kable i otaczające urządzenia lub struktury. Sekcja cyfrowa powinna być umieszczona z dala od tej strefy wejścia/wyjścia, idealnie wewnątrz płyty, z dala od krawędzi, aby uniknąć sprzęgania wysokoenergetycznej zawartości harmonicznej do kabli lub promieniowania z krawędzi.

Rysunek 3 - Przykład niepoprawnego podziału płaszczyzny w Altium Designer

Dodatkowo, zaleca się umieszczenie wszystkich kabli wejściowych i wyjściowych po jednej stronie płytki, zamiast na wielu krawędziach, co zapobiega różnicom napięć między kablami oraz unika tworzenia struktur podobnych do anten, które mogą promować promieniowanie sygnałów cyfrowych lub szumów.

Podsumowanie

Przestrzegając tych zaleceń, możesz skutecznie zmniejszyć emisję promieniowaną i ograniczyć sprzęganie zewnętrznych zakłóceń do swojego projektu.

W następnym artykule zbadamy, jak wybrać optymalny układ warstw PCB dla lepszej wydajności EMI i zmniejszonego ryzyka. Nie zapomnij śledzić naszych stron i mediów społecznościowych, aby uzyskać więcej wglądów.

Osiągnięcie tych wysokich standardów w projektowaniu PCB wymaga zestawu narzędzi, które zapewniają precyzyjną kontrolę nad każdym aspektem projektu. Altium Designer^® oferuje kompleksowy zestaw funkcji projektowania PCB, układu i symulacji, zapewniając, że twoje projekty spełniają wszystkie wymagania i upraszczając proces partycjonowania płytki.

Zintegrowany silnik reguł projektowych i narzędzia symulacji online pomagają weryfikować zgodność z twoimi specyfikacjami projektowymi podczas trasowania PCB, zapewniając najwyższe standardy projektowe. Po zakończeniu możesz bezproblemowo przekazać pliki swojemu producentowi za pomocą platformy Altium 365^™, co upraszcza współpracę i udostępnianie projektów.

Możesz rozpocząć swoją darmową wersję próbną Altium Designer^® + Altium 365^™ już dziś i podnieść swoje projekty PCB na wyższy poziom.