Kiểm soát EMI trong Thiết kế PCB: Cách Tín hiệu Lan truyền trong PCB

Thiết kế Bảng Mạch In (PCB) để tương thích điện từ (EMC) đòi hỏi phải có hiểu biết vững chắc về sự lan truyền tín hiệu từ góc độ các trường và dòng điện từ. Những khái niệm này rất quan trọng vì chúng giúp chúng ta thiết kế các PCB có mức phát xạ trường điện từ thấp và ít bị ảnh hưởng bởi phát xạ hoặc nhiễu từ bên ngoài.

Trong bài viết đầu tiên của loạt bài Kiểm Soát EMI Trong Thiết Kế PCB, chúng ta sẽ đi sâu hơn vào những khái niệm này và xem cách áp dụng chúng vào thiết kế Bảng Mạch In.

Khái niệm về Sự Lan Truyền Tín Hiệu trong Đường Truyền

Khi nghĩ về cách một tín hiệu lan truyền trong PCB, điều quan trọng là chuyển từ phép ẩn dụ nước chảy qua ống sang suy nghĩ về các trường điện từ và đường truyền. Đường truyền là một cấu trúc được thiết kế để truyền năng lượng dưới dạng các trường điện từ chứa từ một điểm đến điểm khác. Trong ngữ cảnh của bảng mạch in, đường truyền được hình thành bởi ít nhất hai dây dẫn. Cả hai dây dẫn đều quan trọng trong việc chứa các trường điện từ và hướng dẫn chúng từ điểm này sang điểm khác trong mạch. Nếu thiếu một trong hai dây dẫn, các trường điện từ tạo nên tín hiệu sẽ không được chứa, có thể dẫn đến thất bại trong các bài kiểm tra EMC do sự mở rộng của các trường này.

Một khái niệm rất quan trọng phát sinh từ điều này là tín hiệu điện từ không được chứa bên trong dây dẫn mà ở không gian giữa hai dây dẫn, trong chất điện môi và xung quanh nó. Mục tiêu của chúng ta về EMC là tối đa hóa các trường điện từ được chứa giữa hai dây dẫn và giảm thiểu các trường điện từ xung quanh nó.

Hình 1 - Đại diện cho sự lan truyền tín hiệu kỹ thuật số trong một PCB

Trong PCB, hai dây dẫn được sử dụng để lan truyền tín hiệu là dây dẫn tiềm năng tín hiệu và dây dẫn tiềm năng tham chiếu và hồi tiếp. Cách dễ nhất để hình dung điều này là trong bảng mạch hai lớp, nơi lớp trên cùng được kết nối với nguồn tín hiệu dùng để đi các dấu vết tín hiệu, và lớp dưới cùng là một lớp đồng rắn kết nối với nguồn tín hiệu nhưng cũng với tiềm năng tham chiếu tín hiệu (Xem Hình 1). Điều chúng ta gọi là tín hiệu là trường điện từ được chứa giữa hai dây dẫn này. Điều này có nghĩa là tín hiệu không được chứa trong một dây dẫn đơn lẻ mà là năng lượng điện từ được chứa trong chất điện môi giữa hai dây dẫn này. Điều này cũng có nghĩa là các thuộc tính của vật liệu điện môi ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu, đặc biệt là ảnh hưởng đến tốc độ mà tín hiệu (hoặc sóng điện từ) lan truyền, là tốc độ ánh sáng trong chất điện môi. Sẽ có những điểm giữa hai dây dẫn nơi tín hiệu có mặt và những điểm mà tín hiệu chưa đến. Trong một tín hiệu kỹ thuật số, điểm giữa hai vùng mà chúng ta có tín hiệu đầy đủ và nơi chúng ta chưa có tín hiệu được gọi là cạnh tín hiệu hoặc mặt sóng tín hiệu. Đây là điểm chuyển từ mức logic thấp sang mức logic cao trong tín hiệu kỹ thuật số.

Về EMC, điểm này cực kỳ quan trọng vì đây là nơi mà các trường điện và từ chuyển từ mức thấp sang mức cao giữa các dây dẫn. Càng nhanh quá trình thay đổi năng lượng này, nghĩa là càng nhanh tín hiệu chuyển từ mức logic thấp sang cao, năng lượng càng bị nén trong một khoảng thời gian ngắn. Khi tín hiệu lan truyền từ nguồn đến điểm đích trong đường truyền, mặt sóng tín hiệu hoặc cạnh tín hiệu dẫn đầu sự lan truyền của tín hiệu.

Dòng điện thuận, dòng điện hồi và dòng điện dịch chuyển

Một khái niệm quan trọng khác là nếu chúng ta theo dõi cạnh tín hiệu khi nó lan truyền, chúng ta sẽ thấy rằng vì cạnh dẫn đầu là sự thay đổi của trường điện từ, điều này sẽ tạo ra một dòng dịch chuyển trong chất điện môi giữa hai dây dẫn. Hiện tượng này được giải thích bởi bốn phương trình của Maxwell do Oliver Heaviside tập hợp lại, đặc biệt là định luật Ampere-Maxwell. Cách dễ nhất để hình dung điều này là nghĩ về cách dòng điện chảy qua một tụ điện khi một nguồn AC được áp dụng (Xem Hình 2).

Hình 2 - Tụ điện (a) không có trường điện (b) trường điện dương áp dụng (c) trường điện âm áp dụng

Thực tế, không có dòng điện dẫn qua các tấm tụ điện và chất điện môi của nó, nhưng các điện tích liên kết chứa trong chất điện môi chỉ phân cực (dịch chuyển) theo các trường áp dụng của các tấm tụ điện. Điều này sẽ xuất hiện như thể có dòng điện dẫn qua tấm tụ điện. Khái niệm về dòng dịch chuyển rất quan trọng để chúng ta hiểu cách dòng điện có thể hình thành trong quá trình lan truyền tín hiệu, đặc biệt là trước khi nó đến tải. Như đã dạy trong các lớp lý thuyết mạch cổ điển, dòng điện luôn chảy trong các vòng lặp. Vậy làm sao có thể có dòng điện trước khi tín hiệu đến tải và do đó trước khi nó thiết lập một dòng điện dẫn liên tục từ nguồn đến tải và sau đó quay trở lại nguồn để tạo thành vòng lặp dòng điện? Điều này là có thể nhờ dòng dịch chuyển, cho phép dòng điện vẫn chảy trong các vòng lặp khi tín hiệu lan truyền. Nếu không có dòng dịch chuyển, chỉ có dòng điện dẫn, chúng ta sẽ không có sự lan truyền tín hiệu, vì vòng lặp dòng điện chỉ được tạo bởi dòng điện dẫn sẽ không thể khép kín trước khi đạt tới tải. Điều này có nghĩa là dòng điện dẫn sẽ phải chảy qua chất điện môi, điều mà theo định nghĩa là không thể. Nhưng với dòng điện biểu kiến này, dòng dịch chuyển, vòng lặp được khép kín ngay lập tức khi tín hiệu lan truyền.

Sự kết hợp của dòng điện dẫn và dòng dịch chuyển sẽ tạo thành một vòng lặp dòng điện lan truyền theo cạnh tín hiệu. Vòng lặp dòng điện này, như được hiển thị trong Hình 3, có thể được chia thành ba phần:

Hình 3 - Vòng lặp dòng điện dẫn và dòng điện dịch chuyển

• Dòng điện thuận, dòng điện chảy theo hướng tín hiệu về phía tải trên dây dẫn ở lớp trên cùng.
• Dòng điện hồi, dòng điện chảy ngược chiều tín hiệu quay trở lại nguồn trên dây dẫn phía dưới.
• Dòng điện dịch chuyển, kết nối hai phần dòng điện khác bằng cách "chảy" qua chất điện môi giữa các dây dẫn và theo cạnh tín hiệu.

Kiểm Soát Năng Lượng của Tín Hiệu để Kiểm Soát EMI

Quản lý việc chứa các trường điện từ giữa các dây dẫn và kiểm soát đường dòng điện chảy là cực kỳ quan trọng để thiết kế các PCB không chỉ hoạt động vượt trội mà còn đạt hiệu quả cao về khả năng tương thích điện từ và toàn vẹn tín hiệu (Xem Hình 4).

Hình 4 - Ví dụ về thiết kế PCB tiên tiến với trình xem 3D của Altium Designer®

Cách tiếp cận này cho phép chúng ta kiểm soát phát xạ từ nguồn và tránh thiết kế các cấu trúc PCB cho phép sự kết hợp của nhiễu từ bên ngoài.

Trong bài viết tiếp theo của loạt bài này, chúng ta sẽ thảo luận cách cải thiện vị trí linh kiện để giảm EMI hiệu quả. Để không bỏ lỡ, hãy theo dõi các trang và mạng xã hội của chúng tôi.

Kết Luận

Để thiết kế các PCB đáp ứng tiêu chuẩn cao này, bạn cần các công cụ tiên tiến cung cấp khả năng kiểm soát chính xác mọi khía cạnh của thiết kế. Altium Designer® cung cấp bộ tính năng hoàn chỉnh cho bố cục thiết kế PCB và mô phỏng, đảm bảo các thiết kế của bạn đáp ứng mọi yêu cầu. Công cụ quy tắc thiết kế tích hợp và các công cụ mô phỏng trực tuyến giúp xác minh sự tuân thủ với các đặc điểm thiết kế khi bạn định tuyến PCB của mình.

Khi thiết kế của bạn hoàn tất, bạn có thể xuất các tệp cho nhà sản xuất một cách liền mạch bằng nền tảng Altium 365™, giúp đơn giản hóa việc cộng tác và chia sẻ dự án.

Bạn có thể bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay và đưa các thiết kế PCB của bạn lên tầm cao mới.