Nhiễu EMI Từ Cáp PCB Linh Hoạt trong Hệ Thống Đa Bảng Mạch

Cáp mạch in linh hoạt rất hữu ích trong việc tiết kiệm không gian và cho phép ứng dụng có thể gập lại trong điện tử. Cáp mạch in linh hoạt cũng cho phép một số mạch được lắp đặt, và việc cố định độc đáo vào vỏ máy có thể được thực hiện bằng cách tích hợp các thanh cứng và lỗ gắn. Mặc dù mạch in linh hoạt có thể có giá cao hơn so với lựa chọn cáp có dây tiêu chuẩn, chúng có thể kích hoạt các ứng dụng có giá trị cao hơn, chắc chắn sẽ bù đắp chi phí thiết kế và sản xuất.

Như bất kỳ kết nối giữa bảng mạch với nhau, cáp PCB linh hoạt cũng có thể gặp phải vấn đề EMI. Điều này bao gồm việc phát ra EMI từ các kết nối cho tín hiệu trên cáp kết nối linh hoạt, hoặc cáp từ một nguồn bên ngoài. Cấu trúc độc đáo của cáp linh hoạt cho phép các giải pháp thú vị mà nên được xem xét cho nhiều thiết kế, bao gồm cả hệ thống quân sự và hàng không vũ trụ cực kỳ bền bỉ. Trong bài viết này, tôi sẽ đi qua một số yếu tố thiết kế giải quyết thách thức EMI trong cáp mạch in linh hoạt.

Sử dụng Cáp Mạch In Linh Hoạt Dẫn đến EMI

Các thiết bị sử dụng cáp mạch in linh hoạt có ứng dụng đa dạng, từ các thiết bị số cực kỳ nhỏ gọn đến các hệ thống được cứng cáp hóa cao cho ngành ô tô, quân sự và hàng không vũ trụ. Cáp mạch in linh hoạt thường nằm bên trong vỏ thiết bị và không tiếp xúc với môi trường bên ngoài. Trong một số sản phẩm, như sản phẩm có tính năng mô-đun, cáp linh hoạt được lộ ra ngoài vỏ và sẽ có đặc tính miễn dịch EMI khác nhau.

Thay vì được kết thúc bằng các ngón tay vàng cho một kết nối ZIF/kết nối cạnh, mạch in linh hoạt có thể được kết thúc bằng một kết nối tiêu chuẩn giữa các bảng mạch, và điểm kết thúc kết nối đó có thể là nơi EMI, như một xung ESD, có thể xâm nhập vào hệ thống của bạn. Sau khi nhận ra những yếu tố rủi ro về EMI, có một số phương pháp thiết kế có thể được sử dụng để ngăn chặn hoặc giảm thiểu EMI trong mạch in linh hoạt.

Đất Nối Hình Lưới và Mật Độ Lưới

Một trong những thách thức lớn với các bảng mạch linh hoạt hỗ trợ tốc độ cao hoặc công suất cao là chúng không thể sử dụng các lớp phẳng rắn. Đối với các cáp linh hoạt dẫn điện, điều này thường có nghĩa là nhiều lớp đồng được tạo hình lưới, vì điều này sẽ cho phép cáp linh hoạt được tạo hình và uốn cong theo nhu cầu trong khi vẫn cung cấp khả năng dẫn điện cần thiết. Trong trường hợp định tuyến tín hiệu, một lớp đất được tạo hình lưới là cần thiết để xác định trở kháng đường dẫn và giảm bức xạ phát ra từ các đường tín hiệu.

Nếu một cáp linh hoạt đang gặp phải quá nhiều nhiễu chéo hoặc đang thu nhận quá nhiều EMI bên ngoài, có thể cần đến việc tạo hình lưới đất chặt chẽ hơn. Thu nhỏ kích thước ô lưới sẽ tăng lượng đồng trên mỗi đơn vị diện tích, và điều này sẽ tăng khả năng chắn của lớp phẳng. Thật không may, yêu cầu về công suất và yêu cầu băng thông kênh cho tín hiệu tốc độ cao có thể trở nên cao đến mức một cáp linh hoạt sẽ không còn hữu ích, và một cáp có dây tiêu chuẩn sẽ cần thiết.

Tỷ lệ lấp đầy của đồng so với kích thước lỗ hở trong một mặt phẳng có hạt nên được sử dụng như thế nào? Rất khó để đưa ra những phát biểu tổng quát vì điều này phụ thuộc vào cách sử dụng hạt. Hạt có thể được sử dụng làm mặt đất cho tín hiệu số và để cung cấp kiểm soát trở kháng, trong trường hợp này, kích thước lỗ hở của mặt đất hạt nên nhỏ hơn một phần nào đó của khoảng cách truyền tín hiệu trong thời gian tăng tốc của nó. Trong trường hợp của nguồn và mặt đất, kích thước lỗ hở không nên lớn đến mức nó làm giảm đáng kể khả năng dẫn dòng của cáp linh hoạt. Các mô phỏng thường cần thiết để đặc tính trở kháng, điện trở DC, và khả năng xử lý nhiệt của các mặt phẳng hạt.

Một mô phỏng trở kháng mặt phẳng hạt cho thấy tính chu kỳ của việc hạt, có thể cho phép EMI tần số cao được thu nhận hoặc phát ra từ cáp PCB linh hoạt.

Bức xạ từ các Bộ Kết Nối Ghép

Các tín hiệu chuyển đổi qua các bộ kết nối ghép nối có thể là nguồn của các bức xạ phát ra, có thể xảy ra trong các bộ kết nối gắn bề mặt, bộ kết nối ZIF cho các ngón tay mạ và bộ kết nối chân qua lỗ. Cáp linh hoạt được sử dụng cho các kết nối kỹ thuật số tốc độ cao chắc chắn có thể gặp vấn đề với bức xạ phát ra từ các bộ kết nối ghép nối, chủ yếu do thiếu đất đủ trong bảng ghim kết nối. Các kết nối linh hoạt mang điện cũng có thể là nguồn của các bức xạ vì nhiều lý do. Một số lý do phổ biến khiến các bộ kết nối ghép nối dẫn đến bức xạ là:

• Sự không khớp trở kháng được thấy bởi các tín hiệu tốc độ cao rất lớn
• Tiếng ồn chế độ chung trên các đường dẫn, phát ra từ cáp linh hoạt
• Lọc không đủ khiến tiếng ồn chuyển mạch lên cáp
• Thiếu đất trong bảng ghim kết nối
• Sử dụng không đúng cách của một lá chắn cáp trên một bộ kết nối có lá chắn
• Kết nối một lá chắn bộ kết nối với đất hệ thống thay vì đất vòng khung

Bộ kết nối ghép nối này cho một cáp linh hoạt có thể là nguồn của bức xạ phát ra, thường do thiếu đất hoặc phản xạ tín hiệu.

Để đảm bảo việc duy trì mối liên kết đất tốt cho tín hiệu và nguồn, hãy phân bổ một số chân trên bộ kết nối cho mặt đất ở cả hai bên của giao diện ghép nối. Điều này sẽ tạo cầu nối mặt đất qua kết nối linh hoạt và đảm bảo rằng các tín hiệu không vượt qua các phần chia của dẫn truyền tham chiếu. Đối với việc chắn trên các bộ kết nối, chúng thường không tiếp xúc với môi trường bên ngoài, do đó, thiết kế cáp linh hoạt có thể không thấy bất kỳ lợi ích nào từ việc sử dụng bộ kết nối có chắn bên trong một vỏ bọc.

Lọc trên Dây Cáp Linh Hoạt Tín Hiệu và Nguồn

Giống như trường hợp trong hệ thống của PCB cứng và cáp, lọc có thể được sử dụng trên đầu vào và đầu ra để giải quyết EMI phát ra và dẫn điện. Bằng cách giảm phát thải dẫn điện qua cáp linh hoạt, EMI phát ra cũng có thể được giảm bớt một khi tiếng ồn lan truyền đến một giao diện ghép nối không được nối đất đầy đủ. Có các lựa chọn lọc sẵn có, hoặc trực tiếp trên một cáp linh hoạt hoặc trên một phần cứng với một bộ cứng hóa:

• Các cuộn cảm SMD cho tiếng ồn chế độ chung
• Các mô-đun lọc cấp cao hơn
• Bộ lọc RC hoặc LC được xây dựng từ các linh kiện rời
• Ferrites trên đường dây nguồn DC hoặc tín hiệu DC

Tôi đặc biệt thích tùy chọn mô-đun lọc, nhất là đối với nguồn điện được cung cấp tại đầu vào hoặc đầu ra của một cáp linh hoạt. Những mô-đun này có thể cung cấp lọc cấp cao với độ dốc lọc sâu trong phạm vi kilohertz, làm cho chúng rất hữu ích trong việc loại bỏ nhiễu từ nguồn DC. Một ví dụ về Murata từ một dự án chuyển đổi flyback trong Altium Designer được hiển thị dưới đây.

Mô-đun lọc Murata (PN: BNX026H01L) cung cấp lọc thông thấp cấp cao, chủ yếu cho kết nối nguồn DC.

Dải dẫn với Mặt phẳng Đục lỗ

Do có các lỗ mở trong mặt phẳng đục lỗ, cấu trúc sẽ không có hiệu quả chắn EMI cực cao. Khi tín hiệu quá nhạy cảm hoặc tốc độ biên của chúng quá nhanh đến mức mặt phẳng đục lỗ gặp khó khăn trong việc chứa đựng trường điện từ, việc tạo ra một cấu hình dải dẫn với mặt phẳng đục lỗ có thể là một giải pháp. Đặt một mặt phẳng đục lỗ phía trên và phía dưới lớp tín hiệu để tạo ra cấu trúc dải dẫn. Cách tốt nhất để tối đa hóa hiệu quả chắn là lệch các cấu trúc đục lỗ một chút sao cho đồng rắn trong một mặt phẳng đục lỗ chồng lên các lỗ mở trong mặt phẳng kia.

Tại một số điểm, các tín hiệu với tốc độ biên dưới một nanogiây trở nên nhanh đến mức cấu trúc lưới sẽ không thể duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu và sẽ cho phép quá nhiều EMI bức xạ xâm nhập. Tại thời điểm này, một cáp sẽ là lựa chọn tốt hơn. Những kết nối này thường là dạng vi sai, điều này giúp hạn chế tiếng ồn. Các nhà cung cấp kết nối cung cấp một số lựa chọn cho phép truyền tải tín hiệu vi sai băng thông cao với việc khớp trở kháng tại bề mặt kết nối. Kiểm tra thông số tốc độ dữ liệu trên các kết nối ghép để đảm bảo chúng sẽ hỗ trợ tính toàn vẹn tín hiệu và nhu cầu EMC của bạn.

Samtec AcceleRate^® cáp tốc độ cao là cần thiết khi tốc độ dữ liệu và yêu cầu băng thông kênh trở nên quá lớn.

Kết luận, cáp linh hoạt có thể hoạt động với hiệu suất tương đương với cáp có dây từ góc độ EMI miễn là tín hiệu không quá nhanh. Điều này cũng đòi hỏi thiết kế chân kết nối phù hợp để đảm bảo kết nối dẫn tham chiếu nhất quán tại tất cả các bề mặt ghép và xuyên suốt cáp linh hoạt. Bộ lọc cũng có thể hữu ích cho các nguồn tiếng ồn cụ thể, nguồn điện DC, và một số tín hiệu có thể cũng mang tiếng ồn chế độ chung.

Tín hiệu đơn cuối tốc độ cao với yêu cầu kiểm soát trở kháng có thể không phải là lựa chọn tốt nhất để sử dụng trong cáp linh hoạt. Tuy nhiên, cặp tín hiệu vi sai có thể hữu ích nhờ vào khả năng phát xạ thấp hơn, ngay cả khi mặt đất thưa thớt như trong trường hợp của một mặt đất được chia lưới. Trong trường hợp này, cặp tín hiệu vi sai có thể yêu cầu khoảng cách gần hơn so với thông thường sẽ được sử dụng trong một PCB cứng, vì điều này sẽ giảm biến thiên trở kháng trên mặt đất được chia lưới.

Dù bạn cần xây dựng điện tử công suất đáng tin cậy hay hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ đầy đủ các tính năng thiết kế PCB và công cụ CAD hàng đầu thế giới trong Altium Designer. Để thực hiện sự hợp tác trong môi trường đa ngành nghề ngày nay, các công ty sáng tạo đang sử dụng nền tảng Altium 365 để dễ dàng chia sẻ dữ liệu thiết kế và đưa dự án vào sản xuất.

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.