Tuân thủ EMI và EMC 101 cho Nhà thiết kế PCB

EMI và EMC là hai lĩnh vực mà nhà thiết kế PCB đóng vai trò quan trọng. Nhiệm vụ của nhà thiết kế PCB là đảm bảo một thiết kế được bố trí sao cho việc phát ra tiếng ồn nằm dưới giới hạn quy định. Nhiều hệ thống ban đầu được thiết kế để hoạt động hoàn hảo sẽ không vượt qua được các tiêu chuẩn quy định do những thực hành cụ thể trong bố trí PCB. Lúc này, nhiệm vụ của nhà thiết kế PCB là chỉnh sửa bố trí PCB để đảm bảo nó vượt qua các tiêu chuẩn quy định.

Để giúp ngăn chặn việc phải thử nghiệm tuân thủ EMC nhiều lần, thiết kế lại và tạo mẫu vòng quay, có một số bước đơn giản mà các nhà thiết kế có thể thực hiện để giảm thiểu sự xuất hiện của EMI quá mức trong bố trí PCB. Một số yếu tố này xảy ra ở cấp độ mạch, và chúng nên được giải quyết trong kỹ thuật đầu cuối và bắt tín hiệu sơ đồ. Tuy nhiên, ngay cả một thiết kế mạch hoàn hảo cũng có thể không vượt qua được kiểm tra EMC nếu bố trí PCB không được kỹ thuật hóa một cách chính xác. Hướng dẫn này sẽ tập trung vào các yếu tố trong bố trí PCB có thể dẫn đến việc không tuân thủ EMC.

EMC Compliance là gì?

Mọi thiết kế dự định đưa ra thị trường với số lượng lớn đều cần phải có mức phát thải tiếng ồn thấp trong quá trình hoạt động. Phát thải có thể được dẫn đi từ thiết bị (qua cáp) hoặc được bức xạ ra khỏi thiết bị. Có những giới hạn đối với cả hai loại phát thải được quy định bởi các cơ quan quản lý, cũng như các nhóm tiêu chuẩn ngành. Tuân thủ EMC cũng tập trung vào ESD và khả năng của thiết bị điện tử chống lại sự biến đổi đột ngột.

Bảng dưới đây mô tả một cách rộng rãi những gì được kiểm tra theo quy định EMC trên toàn thế giới và tiêu chuẩn EMC của ngành. Danh sách này không nhằm tham chiếu đến các quy định cụ thể, chỉ là các lĩnh vực rộng lớn và các loại kiểm tra được thực hiện cho một sản phẩm mới.

Không phải tất cả thiết bị đều cần phải trải qua tất cả các bài kiểm tra này. Ví dụ, một thiết bị chỉ chạy bằng năng lượng pin sẽ không cần phải vượt qua bài kiểm tra sụt giảm và gián đoạn điện áp, do đó không cần thiết kế bảng mạch theo những yêu cầu hoạt động đó.

Việc vượt qua những bài kiểm tra này là một vấn đề quy định, và có các công ty chuyên về kiểm tra điện tử để đảm bảo tuân thủ các yêu cầu quy định. Những bài kiểm tra này không hề rẻ; tại Mỹ, một lần kiểm tra có thể tốn khoảng 10.000 đô la. Các công ty không thể chi tiêu lặp đi lặp lại cho việc kiểm tra, vì vậy họ phải học cách nhận diện những sự cố tiềm ẩn trước khi gửi thiết kế đi kiểm tra.

Lý do phổ biến nhất dẫn đến sự cố EMC trong Thiết kế PCB

Sự cố EMC trong bố trí PCB thường chỉ xuất phát từ một số ít lý do, và nhiệm vụ của kỹ sư kiểm tra là tìm ra nguyên nhân gốc rễ của sự cố. Một số vấn đề này có thể dễ dàng được giải quyết bằng cách thay đổi bố trí, định tuyến, và/hoặc cấu trúc PCB.

• Thiếu mặt đất đồng phẳng hoặc không có mặt đất
• Sử dụng nhiều mặt đất để cô lập giữa các tín hiệu khi không cần thiết
• Thu hoặc phát xạ từ cáp và kết nối
• Phát xạ từ việc định tuyến không có một mặt đất tham chiếu nhất quán
• Phát xạ từ mạch chuyển mạch nhanh khi mặt đất đã được loại bỏ
• Tiếng ồn chuyển mạch từ một PDN số hỗ trợ bộ xử lý nhanh
• Phát xạ từ một PDN số yêu cầu băng thông cao nơi sử dụng ferrites
• Trong một số trường hợp, thiếu vỏ bảo vệ cấp bo mạch cho một số mạch
• Phát xạ hoặc thu xạ từ các phần kim loại lớn đang lơ lửng
• Đường dẫn dòng điện trở lại không hoàn chỉnh, dẫn đến phát xạ thường xuyên ở tần số cao
• Không hướng dòng điện ESD ra khỏi các linh kiện không được bảo vệ
• Đường dẫn trở lại có trở kháng cao giữa vỏ bảo vệ, khung máy, và/hoặc đất
• Tiếng ồn trong đường dẫn trở lại đến đầu vào AC mains, yêu cầu một mạch PFC (Sửa Chữa Hệ Số Công Suất)

Danh sách trên không phải là toàn diện, nhưng nó bao gồm nhiều trường hợp phổ biến trong mạch điện và mạch số tốc độ cao, cũng như một số trường hợp liên quan đến cáp và vỏ máy. Nhiều trường hợp thất bại EMC do EMI quá mức đều do một số biến thể của các tình huống được liệt kê ở trên.

Nếu bạn là một kỹ sư kiểm tra, đặc biệt là người làm việc về kiểm tra tuân thủ trước, nhiệm vụ của bạn là tìm kiếm và loại bỏ tất cả các nguyên nhân có thể gây ra EMI quá mức, có thể dẫn đến việc thất bại trong kiểm tra EMC. Việc giải quyết những cơ chế gây thất bại tiềm ẩn này càng sớm càng tốt là rất quan trọng; do đó, cần phải có một số mức độ kiểm tra tuân thủ trước. Một sự cố thất bại trong kiểm tra EMC hầu như luôn yêu cầu một số mức độ thiết kế lại hệ thống, điều này dẫn đến việc mất thời gian và tiền bạc cho công ty của bạn.

Trong danh sách trên, tôi đã phát hiện ra rằng vấn đề về việc không đủ tiếp địa hoặc sử dụng nhiều tiếp địa không kết nối với nhau là những lý do phổ biến nhất dẫn đến thất bại trong kiểm tra EMC. Ví dụ, hãy xem điều gì xảy ra trong một PCB hai lớp dày đặc. Khi PCB hai lớp có sự đặt và định tuyến thành phần dày đặc, nhiều tín hiệu sẽ thiếu tiếp địa đủ và sẽ tạo ra rất nhiều bức xạ. Đây là một trong những động lực chính để chuyển sang PCB bốn lớp.

PCB của Arduino là những ví dụ tuyệt vời về các bố cục đang tiến gần đến giới hạn mật độ thành phần. 

Do vì mức độ bức xạ tiềm ẩn cao trong bố trí PCB này, việc sử dụng một cấu trúc PCB bốn lớp sẽ là cách đơn giản để giúp đảm bảo thiết kế vượt qua bài kiểm tra EMC mà không cần thay đổi lớn nào khác. Thường thì vấn đề EMI bắt đầu từ cấu trúc chồng lớp và trở thành vấn đề ở cấp độ hệ thống, vì vậy những thay đổi đơn giản như thêm các lớp mặt phẳng có thể là cách nhanh chóng để thiết kế của bạn vượt qua bài kiểm tra EMC.

Thiết kế Để Đảm Bảo Tuân Thủ EMC

Thiết kế một PCB để đảm bảo tuân thủ EMC đòi hỏi một chút thay đổi trong quá trình suy nghĩ. Cụ thể, bạn cần nhìn thấy sự phù hợp giữa “tiếng ồn” trong bố trí PCB, một “bộ phát” như được định nghĩa trong các tiêu chuẩn EMC, và bất kỳ khu vực nào mà tiếng ồn có thể kết nối ra khỏi hệ thống thông qua một cáp. Việc nhận biết sớm điều này sẽ giúp bạn phát hiện các lỗi EMI/EMC tiềm ẩn trước khi bạn gửi thiết kế đi kiểm tra.

Bố Trí và Định Tuyến

Bố cục và định tuyến có thể ảnh hưởng đến đặc tính nhiễu của một mạch, ngay cả khi mạch được thiết kế tối ưu để giảm nhiễu. Điều này xảy ra thông qua sự ghép nối nhiễu loạn giữa các nguồn nhiễu và mạch, hoặc giữa mạch và không gian tự do. Vấn đề với các thành phần nhiễu loạn này bao gồm nhiều khía cạnh khó có thể tóm tắt trong một bài viết duy nhất. Ở mức độ cao, có hai phương pháp bố cục và định tuyến giải quyết vấn đề nhiễu loạn:

• Điện dung - Ghép nối chặt chẽ với mặt đất là cách đơn giản nhất để giảm thiểu sự ghép nối điện dung giữa các mạch.
• Điện cảm - Bố cục chặt chẽ với các đường dẫn ngắn hơn giữa các thành phần sẽ giảm điện cảm vòng cho phép bức xạ

Ví dụ, trong các bộ điều chỉnh công suất, điều này giảm đáng kể sự ghép nối nhiễu vào đầu ra của mạch và vào không gian tự do. Một ví dụ minh họa khái niệm định tuyến chặt chẽ với mặt đất trên L2 (bao gồm dưới cuộn cảm) được hiển thị dưới đây.

Nếu phát hiện ra rằng các điểm vào/ra của cáp mang theo lượng phát xạ dẫn quá mức, ngay cả trong trường hợp đường dẫn và bố trí đã tối ưu, hãy cố gắng điều tra trước khi thêm một cuộn cảm chế độ chung hoặc mạch lọc. Vấn đề có thể là do sự kết nối qua một mặt đất nổi hoặc vỏ máy. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, cuộn cảm chế độ chung là các thành phần đơn giản sẽ giúp đảm bảo tuân thủ phát xạ dẫn, và đây là một giải pháp dễ dàng nếu vấn đề tiếng ồn không làm ảnh hưởng đến chức năng.

Vấn đề EMC Thường Gặp Bắt Đầu từ Stackup

Một số vấn đề phát xạ bức xạ phổ biến nhất phát sinh do stackup không tốt. Điều này có thể là do stackup không kiểm soát được tiếng ồn trong các thành phần, hoặc nó gây ra các thực hành định tuyến xấu cũng dẫn đến phát xạ bức xạ quá mức. Sự cố phát xạ dẫn cũng có thể xuất phát từ stackup không tốt, chủ yếu liên quan đến việc đất hệ thống tạo ra tiếng ồn chế độ chung quá mức.

Một ví dụ về chiến lược thiết kế stackup giúp đảm bảo tiếng ồn thấp, duy trì trở kháng cho tín hiệu tốc độ cao/RF, và giảm sự kết hợp cảm ứng/điện dung được hiển thị dưới đây. Trong một stackup, một trong những phương pháp đơn giản nhất để giải quyết một số vấn đề EMI là tận dụng mặt đất. Sử dụng mặt đất giữa các lớp tín hiệu cung cấp sự che chắn giữa các nhóm tín hiệu đồng thời cũng giảm phát xạ bức xạ không mong muốn từ các đường tín hiệu. Nó cũng làm cho việc duy trì các đường trở về trên các chuyển đổi tín hiệu trở nên dễ dàng hơn.

• Tìm hiểu thêm về thiết kế xếp chồng cho tín hiệu ít nhiễu

Chiến lược duy trì mặt đất của hệ thống giải quyết nhiều vấn đề EMI đơn giản liên quan đến sự truyền dẫn tín hiệu. Mặc dù từ “đơn giản” có thể ngụ ý “không có khả năng gây ra sự cố tuân thủ EMC”, nhưng thực tế không phải vậy; những thất bại trong kiểm tra đắt đỏ có thể được truy vết ngược lại với những thứ đơn giản như sắp xếp các lớp trong xếp chồng PCB.

Một Cách Tiếp Cận Mô-đun cho Không Dây

Có thể đưa ra thị trường một sản phẩm hoàn toàn mô-đun, nhưng chỉ khi các mô-đun bạn sử dụng để xây dựng sản phẩm đã vượt qua kiểm tra EMC một cách riêng lẻ. FCC cung cấp Chứng nhận Mô-đun, cho phép sử dụng các mô-đun không dây đã được chứng nhận trước trong một sản phẩm. Điều này sẽ loại bỏ phần kiểm tra RF trong quá trình chứng nhận thiết bị của bạn vì các mô-đun đã được chứng nhận chỉ hoạt động trong các băng tần radio dự định của chúng.

Chứng nhận này không loại bỏ yêu cầu thực hiện các bài kiểm tra phát thải khác cho sản phẩm của bạn. Tuy nhiên, nó giảm thiểu rủi ro thất bại và giúp tăng tốc thời gian ra thị trường. Có những lý do khác để tránh sử dụng các mô-đun này, chẳng hạn như đạt được các mục tiêu về hình dạng cụ thể và khả năng không thể sao chép hoặc tùy chỉnh thiết kế.

Liệu Có Nên Sử Dụng Chắn Bảo Vệ?

Theo ý kiến của tôi, nếu bạn thực hiện đúng cách trong việc bố trí PCB, thì việc bổ sung tấm chắn ở cấp độ bo mạch hoặc vỏ bảo vệ không nên cần thiết chỉ để vượt qua bài kiểm tra EMC. Lý do đơn giản là điều này làm tăng chi phí linh kiện và lắp ráp. Đối với một mẫu thử, có lẽ đây là chi phí không đáng kể, nhưng ở số lượng lớn, những chi phí này cộng dồn nhanh chóng. Do đó, chỉ từ quan điểm đơn giản hóa thiết bị và chi phí, việc sử dụng tấm chắn nên được tránh nếu có thể, ưu tiên cho việc hoàn thiện thiết kế và bố trí.

Có những ngoại lệ, và trong một số trường hợp khi một thiết bị cần được triển khai nhanh chóng, việc thêm tấm chắn vào thiết kế hiện tại có thể là con đường ít tốn kém và rủi ro nhất. Đôi khi, bố trí hoàn hảo vẫn có những linh kiện ồn ào (ví dụ, động cơ), và ngay cả với mạch và thiết kế bo hoàn hảo thì vẫn có quá nhiều tiếng ồn phát ra từ thiết bị. Một số cách nhanh nhất để đưa một mẫu thử vượt qua bài kiểm tra EMC bao gồm:

• Bảo vệ ở cấp độ linh kiện, ví dụ, hộp chắn SMD hoặc qua lỗ
• Bảo vệ ở cấp độ bảng mạch, ví dụ, phủ cạnh
• Lắp đặt tấm ferrite trên vỏVật liệu elastomer hấp thụ, hợp chất, và gioăng
• Gioăng kim loại cho các vỏ lớn và tủ
• Vỏ kim loại
• Băng kim loại dùng để niêm phong các bề mặt ghép nối
• Sử dụng lớp phủ hấp thụ

Bảo vệ có thể là một lựa chọn hấp dẫn để giải quyết các vấn đề EMI khó chịu, nhưng nếu bạn tuân theo các hướng dẫn thiết kế được liệt kê ở trên thì bạn có thể thấy rằng không cần thiết phải sử dụng thêm các linh kiện và vật liệu bảo vệ.

• Tìm hiểu thêm về các kỹ thuật bảo vệ EMI cho PCB

Quy định EMC

Không có hướng dẫn nào về tuân thủ EMI và EMC là đầy đủ nếu thiếu một cuộc thảo luận ngắn gọn về quy định EMC. Hoa Kỳ, Vương quốc Anh, và Châu Âu đều có bộ quy định riêng của mình về việc phát sinh EMI và yêu cầu EMC trong thiết bị điện tử. Các quy định này tương tự nhau về giới hạn tiếng ồn, và một số sản phẩm sẽ được bán trong các thị trường này phải tuân thủ quy định EMC hiện hành. Danh sách các yêu cầu tuân thủ EMC có thể khá dài, vì vậy tôi sẽ để nội dung đó cho một bài viết khác.

• Tìm hiểu thêm về các tiêu chuẩn ngành về yêu cầu EMI và EMC

Theo quan điểm của tôi, các nhà thiết kế nên nhận thức được các tiêu chuẩn quy định và thực hành thiết kế điều khiển sự tuân thủ EMC vì một số lý do. Đầu tiên, nếu bạn điều hành một văn phòng dịch vụ, điều này làm cho bạn trở nên giá trị hơn nhiều đối với khách hàng của mình. Bạn sẽ có kỹ năng cần thiết để giúp họ vượt qua các rào cản quy định có mặt trên lộ trình ra thị trường. Lý do khác là nó cho phép bạn giao tiếp sâu hơn với các kỹ sư thử nghiệm EMC và nói chuyện với họ trên một mức độ chung.

Giờ đây, sau khi bạn đã tìm hiểu về những thách thức phổ biến trong việc tuân thủ EMC, hãy chắc chắn rằng bạn sử dụng bộ công cụ thiết kế PCB đầy đủ trong Altium Designer để thiết kế PCB của bạn. Altium Designer là nền tảng CAD hàng đầu của ngành cũng cung cấp tích hợp với các ứng dụng tiên tiến cho các mô phỏng SI, PI và EMI/EMC. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365 giúp bạn dễ dàng hợp tác và chia sẻ các dự án của mình.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.