EMI trong Thiết kế PCB Tốc độ Cao của Bạn: Hiểu về Thời gian Tăng Tín hiệu

Ngày nay, trẻ em không hiểu tại sao sự ghép nối tín hiệu điện từ giữa các mạch gần nhau lại được gọi là “nhiễu chéo”. Trở lại thời điểm khi điện thoại cắm vào tường và chúng không bao gồm màn hình cảm ứng hay truy cập internet, có thể nghe thấy những tiếng thì thầm nhỏ của các cuộc trò chuyện khác lọt qua vào dây điện thoại của bạn. Các PCB tốc độ cao gặp phải vấn đề tương tự với nhiễu chéo, và nó liên quan đến hành vi của tín hiệu số lan truyền trên các đường mạch trên bảng mạch.

Hiểu về nhiễu chéo và EMI nói chung, dù là trong một PCB hay từ một nguồn bên ngoài, đòi hỏi phải hiểu cách tín hiệu trên một đường mạch tương tác với một đường mạch khác. Nếu bạn có thể đánh giá nhiễu chéo trong một thiết kế tốc độ cao thực tế, sẽ dễ dàng xác định cách thiết kế nên thay đổi để giảm EMI và nhiễu chéo. Có một số quy tắc cơ bản sẽ hoạt động tốt trên các thiết kế tốc độ vừa phải, nhưng việc sử dụng mô phỏng sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn cách thiết kế tốc độ cao của mình sẽ gặp phải nhiễu chéo trước khi bạn thực hiện một lần chạy bảng mạch.

Giải Thích Thuật Ngữ “Thiết Kế Tốc Độ Cao”

Chúng tôi đã đề cập điều này ở những nơi khác trên blog này, nhưng nó xứng đáng được nhắc lại ở đây: thiết kế tốc độ cao không có nghĩa là tần số xung nhịp cao hoặc tốc độ dữ liệu cao. Tín hiệu tốc độ cao có thời gian tăng nhanh, nghĩa là chuyển đổi nhanh giữa hai mức điện áp. Điều tương tự áp dụng cho tín hiệu nhiều mức, nơi có sự chuyển đổi rất nhanh giữa các mức tín hiệu khác nhau. Thời gian tăng/giảm tín hiệu nhanh hơn có thể tạo ra các vấn đề EMI mạnh mẽ hơn, đặc biệt là nhiễu chéo, ở các phần khác nhau của một PCB. Điều này đúng ngay cả khi tần số xung nhịp của hệ thống khá thấp. Một tần số xung nhịp nhanh hơn chỉ có nghĩa là bất kỳ sự nhiễu loạn nào do EMI sẽ xảy ra thường xuyên hơn.

Các vấn đề EMI chính trong thiết kế tốc độ cao bao gồm:

• Nhiễu chéo, chủ yếu do sự ghép nối từ cảm ở tần số thấp và do sự ghép nối điện dung ở tần số cao hơn nhiều
• Nhiễu EMI bức xạ, nơi EMI từ tín hiệu số được bức xạ trên một phạm vi rộng lớn các tần số từ DC đến nhiều bội số của hệ thống đồng hồ
• Lỗi bus nguồn, bao gồm sự nảy của nguồn cung cấp và nảy nguồn, tạo ra sóng trong sóng DC như được đo giữa các thanh nguồn và mặt đất
• Nhiễu EMI dẫn, nơi nhiễu trên một kết nối liên lạc được kết nối ở nơi khác vào một thành phần, mạch, hoặc kết nối liên lạc khác, mặc dù điều này ít vấn đề hơn trong các thành phần số

Lưu ý rằng cùng một hiệu ứng xuất hiện với việc định tuyến cặp chênh lệch, dẫn đến nhiễu chéo chế độ chênh lệch và EMI. Các khía cạnh này của EMI trong các PCB số tốc độ cao đều liên quan đến thời gian tăng/giảm của một sự chuyển đổi tín hiệu.

EMI và Tốc độ Chuyển Mạch

Tất cả những điều này liên quan đến tốc độ chuyển mạch tín hiệu trong một PCB. Những khía cạnh của EMI trở nên thách thức trong thiết kế tốc độ cao do bandwidth của tín hiệu số điển hình. Năng lượng trong một tín hiệu số được tập trung từ DC đến các tần số rất cao (về mặt kỹ thuật là vô hạn). Cụ thể, một ước lượng thô là 70% năng lượng được tập trung từ DC đến tần số gối, tương đương với khoảng một phần ba của nghịch đảo thời gian tăng/giảm tín hiệu (từ 10% đến 90%).

Mật độ phổ công suất của một tín hiệu số ví dụ.

Tất cả điều này có nghĩa là, khi thời gian tăng nhanh hơn, EMI càng mạnh mẽ. Vì bạn không thể chỉ chọn các thành phần chậm hơn trong bất kỳ tình huống nào, các nhà thiết kế cần phải thực hiện một số bước đơn giản để giảm bớt EMI trong thiết kế tốc độ cao.

Tín hiệu Analog Tần số Cao so với Tín hiệu Số Tốc độ Cao

Nhiều kỹ sư mà tôi đã dạy trong quá khứ không nghĩ về tín hiệu số như là sóng, mà họ xem tín hiệu số như là bật hoặc tắt, nơi mà trường điện tồn tại khắp nơi trong kết nối liên lạc chứa tín hiệu số. Ở những chiều dài kết nối rất thấp, điều này về mặt kỹ thuật là đúng, nhưng điều đó không có nghĩa là kết nối ngắn thể hiện nhiều hoặc ít EMI hơn. Sự chuyển đổi tín hiệu tăng lên vẫn tạo ra EMI ở một loạt các tần số, thay vì ở một tần số duy nhất.

So với tín hiệu số, tín hiệu analog đơn giản hơn. Yếu tố chính cần quan tâm là tần số tín hiệu và độ trễ lan truyền do tốc độ hữu hạn của sóng điện từ. Sự so sánh giữa chu kỳ dao động (tức là nghịch đảo của tần số tín hiệu) và độ trễ lan truyền trong một kết nối cụ thể xác định liệu bạn cần lo lắng về hành vi đường truyền và liệu việc kết thúc đường dẫn trở nên quan trọng hay không.

Giải pháp tiềm năng: Không Có Phép Màu

Trong khi EMI trong tín hiệu số tốc độ cao không thể được loại bỏ hoàn toàn, nó có thể được giảm bớt bằng một số phương pháp:

• Kích thước dấu vết: Điều hướng các dấu vết quan trọng trực tiếp trên một mặt đất và sử dụng các dấu vết rộng hơn một chút giảm thiểu độ tự cảm vòng, giúp giảm lượng nhiễu chéo được tạo ra và nhận được
• Đồng có tiếp đất: Một dấu vết có tiếp đất có thể được điều hướng giữa các dấu vết gây nhiễu và dấu vết bị nhiễu trên PCB, có thể cung cấp khoảng giảm 20 dB trong nhiễu chéo. Lưu ý rằng dấu vết tiếp đất này phải tương ứng với mặt đất tham chiếu cho cả dấu vết gây nhiễu và dấu vết bị nhiễu. Đổ đồng có tiếp đất dạng đa giác cũng có thể được sử dụng để lấp đầy không gian giữa các dấu vết và các khối mạch khác nhau.
• Cấu trúc cách ly: Một số cấu trúc độc đáo trên lớp bề mặt của PCB có thể cung cấp sự cách ly ở các tần số rất cao. Những cấu trúc này có thể đơn giản như các bức tường đồng có tiếp đất xung quanh các khối mạch quan trọng, hoặc phức tạp cấu trúc khoảng cách băng tần điện từ được sử dụng trong các điện thoại thông minh hiện đại.
• Lớp bên trong: Đừng ngần ngại điều hướng trên các lớp bên trong, nhưng hãy chắc chắn áp dụng các quy tắc thiết kế kiểm soát trở kháng của bạn để đảm bảo các dải nội bộ sẽ có trở kháng phù hợp.

PCB màu xanh với các dấu vết dày đặc

Việc cố gắng kiểm soát EMI trong thiết kế tốc độ cao do hiện tượng crosstalk đặt ra một số thách thức. May mắn thay, bạn có thể xác minh rằng đường dẫn của mình sẽ không gặp phải crosstalk quá mức khi sử dụng các công cụ thiết kế PCB tốt nhất trong ngành được tìm thấy trong Altium Designer^®. Bạn sẽ có quyền truy cập vào các công cụ thiết kế và bố trí PCB tốt nhất giúp tự động hóa việc định tuyến và tài liệu bảng mạch, và bạn cũng sẽ có quyền truy cập vào các công cụ phân tích tính toàn vẹn tín hiệu giúp bạn thiết kế với khả năng miễn dịch EMI trong tâm trí.

Nếu bạn quan tâm muốn tìm hiểu thêm về các tính năng định tuyến của Altium Designer, hãy tải xuống bản dùng thử miễn phí. Nói chuyện với chuyên gia Altium hôm nay để tìm hiểu thêm.