Kiểm soát EMI trong Thiết kế PCB: Sắp xếp linh kiện cho EMC

Trong bài viết thứ hai của loạt bài Mastering EMI Control in PCB Design, chúng ta sẽ đi sâu hơn vào một trong những khái niệm chính để duy trì mức độ nhiễu điện từ (EMI) thấp.

Phân chia bảng mạch, còn được biết đến với tên gọi phân vùng bảng mạch, là phương pháp được sử dụng để tổ chức các phần mạch khác nhau của Bảng Mạch In (PCB) để giữ chúng tách biệt. Điều này cải thiện hiệu suất tổng thể của bảng mạch, đặc biệt là về mặt EMI. Kỹ thuật này không chỉ giúp giảm nhiễu điện từ mà còn tăng cường tính toàn vẹn tín hiệu của thiết kế PCB.

Các nguyên tắc đằng sau những kỹ thuật này bao gồm:

1. Giữ chứa nội dung năng lượng cao của các tín hiệu số tần số cao.
2. Tránh ghép nối trở kháng chung giữa các loại mạch khác nhau trong bảng mạch.
3. Giảm diện tích vòng dòng điện để giảm phát thải và cải thiện khả năng miễn dịch với nhiễu bên ngoài.

Tín hiệu Tốc độ Cao so với Tín hiệu Tốc độ Thấp và Các Hài của Chúng

Khái niệm đầu tiên liên quan đến việc kiểm soát nội dung hài năng lượng cao được sản xuất bởi các tín hiệu chuyển đổi nhanh và tốc độ thay đổi dòng điện của chúng theo thời gian. Một tốc độ thay đổi dòng điện cao hơn dẫn đến năng lượng hài lớn hơn trong các tín hiệu, tăng khả năng bức xạ.

Khái niệm thứ hai là dòng điện trở lại của một tín hiệu thay đổi theo tần số của tín hiệu đó. Điều này là bởi vì trở kháng mà tín hiệu gặp phải trong quá trình truyền dẫn không chỉ bao gồm điện trở của các dẫn điện mà còn bao gồm điện dung và quan trọng nhất là độ tự cảm của vòng. Khi tần số tín hiệu tăng lên, thành phần cảm kháng của trở kháng (phụ thuộc vào tần số) trở nên lớn hơn.

Sự Khác Biệt trong Đường Dẫn Trở Lại

Vì dòng điện luôn tìm đường có trở kháng thấp nhất, nên quan trọng là phải hiểu rằng khi tần số tín hiệu tăng lên, dòng điện trở lại sẽ theo sát dòng điện tín hiệu để giảm thiểu vòng cảm. Ngược lại, ở các tần số tín hiệu thấp, nơi mà độ tự cảm trở nên nhỏ, thành phần điện trở của trở kháng trở nên chiếm ưu thế.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Ở giai đoạn này, dòng điện trở lại lan rộng trên bề mặt dẫn điện để tìm đường có điện trở thấp nhất. Điểm then chốt cho các nhà thiết kế PCB là đường dẫn trở lại của dòng điện về nguồn phụ thuộc vào tần số tín hiệu.

Hình 1 - Ví dụ về đường dẫn dòng điện trở lại khác nhau dựa trên tần số trong Altium Designer

Nhiệm vụ của chúng tôi, như những người thiết kế PCB, là giảm thiểu sự can thiệp giữa các dòng điện trở lại này để tránh hiện tượng ghép nối trở kháng chung, có thể dẫn đến phát xạ điện từ. Để đạt được điều này, chúng ta có thể tạo ra các khu vực hoặc phần cụ thể trên PCB, mỗi phần dành riêng cho một loại mạch điện cụ thể. Điều này cũng giảm các vòng dòng điện, dẫn đến việc giảm bức xạ từ các dòng điện chênh lệch.

Có thể có vẻ hấp dẫn khi tạo một đường cắt trong Mặt Phẳng Tham Chiếu Trở Lại (RRP) để cô lập thêm các đường dẫn dòng điện trở lại từ các mạch khác nhau. Tuy nhiên, cách tiếp cận này không tuân theo các phương pháp tốt nhất cho EMC vì nó tạo ra sự chênh lệch điện áp giữa hai khu vực kim loại, hình thành một cấu trúc giống như ăng-ten có thể gây ra phát xạ điện từ.

Hình 2 - Ví dụ về việc chia mặt phẳng không chính xác trong Altium Designer

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More

Giải pháp là thực hiện một mặt phẳng tham chiếu trở lại rắn, có trở kháng thấp cho phép dòng điện trở lại tìm đường trở về nguồn một cách tốt nhất. Mặt phẳng này không nên có bất kỳ cắt, chia, hoặc khoảng trống lớn nào có thể hoạt động như nguồn của tiếng ồn chế độ chung. Sau đó, việc đặt linh kiện nên được chia thành các phần riêng biệt bằng cách phân bổ các linh kiện dựa trên loại mạch điện và chức năng của chúng.

Đối với một bảng mạch tín hiệu hỗn hợp, sự phân chia tiêu biểu là chia bảng mạch thành một phần kỹ thuật số, một phần nguồn, một phần tương tự, một phần nhập/xuất, và khi cần thiết, một phần lọc. Ví dụ, phần kỹ thuật số nên được đặt xa các thành phần khác. Mặc dù dòng điện trở lại sẽ theo sát các đường dẫn tín hiệu, nhưng năng lượng cao trong nội dung hài của các tín hiệu sẽ bức xạ mạnh mẽ hơn và có thể kết hợp với các phần khác của bảng mạch.

Ví dụ về điều này là khi tín hiệu đồng hồ kết hợp với các mạng khác ở các phần khác của bảng mạch, chẳng hạn như phần nguồn và tương tự, có thể có cáp kết nối với chúng hoạt động như ăng-ten, thúc đẩy phát xạ.

Cấu trúc ăng-ten với cáp

Phần nhập/xuất rất quan trọng, không chỉ để hạn chế sự tiêm nhiễu vào cáp mà còn để cho phép cô lập thêm thông qua các kỹ thuật lọc và chắn để giảm nhiễu từ bên ngoài hoặc hạn chế phát xạ nhiễu từ bảng mạch. Bố cục phải xem xét cáp và các thiết bị hoặc cấu trúc xung quanh. Phần kỹ thuật số nên được đặt xa khu vực nhập/xuất này, lý tưởng là ở bên trong bảng mạch, xa các cạnh, để tránh kết hợp nội dung hài năng lượng cao với cáp hoặc bức xạ từ các cạnh.

Hình 3 - Ví dụ về việc chia mặt phẳng không đúng trong Altium Designer

Ngoài ra, khuyến nghị đặt tất cả các cáp đầu vào và đầu ra ở một bên của bảng mạch thay vì nhiều cạnh, nhằm ngăn chặn sự khác biệt về điện áp giữa các cáp và tránh cấu trúc giống như ăng-ten có thể thúc đẩy sự bức xạ của tín hiệu số hoặc nhiễu.

Kết luận

Bằng cách tuân theo những khuyến nghị này, bạn có thể giảm hiệu quả sự bức xạ và hạn chế sự kết nối của nhiễu bên ngoài vào thiết kế của mình.

Trong bài viết tiếp theo, chúng tôi sẽ khám phá cách chọn lựa cấu trúc PCB tối ưu nhất để cải thiện hiệu suất EMI và giảm rủi ro. Hãy chắc chắn theo dõi các trang và mạng xã hội của chúng tôi để biết thêm thông tin.

Đạt được những tiêu chuẩn cao trong thiết kế PCB đòi hỏi một bộ công cụ cung cấp sự kiểm soát chính xác đối với mọi khía cạnh của thiết kế của bạn. Altium Designer^® cung cấp một bộ đầy đủ các tính năng thiết kế, bố trí và mô phỏng PCB, đảm bảo thiết kế của bạn đáp ứng tất cả các yêu cầu và đơn giản hóa quá trình phân chia bảng mạch.

Công cụ quy tắc thiết kế tích hợp và các công cụ mô phỏng trực tuyến giúp xác minh sự tuân thủ các thông số kỹ thuật thiết kế của bạn khi bạn định tuyến PCB, đảm bảo các tiêu chuẩn thiết kế cao nhất. Khi hoàn thành, bạn có thể dễ dàng phát hành các tệp cho nhà sản xuất của mình sử dụng nền tảng Altium 365^™, đơn giản hóa sự hợp tác và chia sẻ dự án.

Bạn có thể bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer^® + Altium 365^™ ngay hôm nay và nâng tầm thiết kế PCB của bạn lên một cấp độ mới.