Kiểm soát EMI trong Thiết kế PCB: Cách Thiết kế PCB để Giảm EMI

Chào mừng bạn đến với bài viết thứ tư trong loạt bài của chúng tôi về Làm Chủ Kiểm Soát Nhiễu Điện Từ trong Thiết Kế PCB. Trong kỳ này, chúng ta sẽ khám phá những khía cạnh tiên tiến trong việc quản lý Nhiễu Điện Từ (EMI) mà là rất quan trọng cho việc thiết kế PCB hiệu quả.

Khi thiết kế bảng mạch in (PCB), một thách thức chính là đảm bảo rằng thiết kế của bạn có thể vượt qua cả bài kiểm tra phát xạ bức xạ và dẫn. Điều này rất quan trọng để đáp ứng các tiêu chuẩn quy định và đảm bảo rằng PCB của bạn hoạt động đúng cách trong môi trường dự định của nó, mà không gây nhiễu loạn cho các thiết bị và hệ thống khác.

Quan trọng không kém là đạt được khả năng miễn dịch đối với cả phát xạ bên ngoài và bên trong, giúp đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất của sản phẩm cuối cùng của bạn.

Hình 1 - Ví dụ về Thiết Kế PCB trong Altium Designer®

Khi thiết kế cho Nhiễu Điện Từ (EMI), điều quan trọng là phải hiểu rằng phát xạ chủ yếu được gây ra bởi sự thay đổi dòng điện trong mạch của chúng ta, chứ không phải do điện áp. Điều này có nghĩa là tất cả các mạch sẽ không thể tránh khỏi phát ra một mức độ bức xạ điện từ nào đó do sự thay đổi dòng điện vốn có trong chúng. Thách thức chính đối với các nhà thiết kế là quản lý và kiểm soát mức độ bức xạ này.

Để đạt được Tương Thích Điện Từ (EMC) tốt hơn, chúng ta cần tập trung vào việc thiết kế bảng mạch in hiệu quả có khả năng chứa đựng và giảm thiểu các phát xạ điện từ này.

Điều này liên quan đến việc giải quyết hai loại phát thải chính:

• Phát thải từ Dòng Điện Chế Độ Sai Khác;
• Phát thải từ Dòng Điện Chế Độ Chung.

Hình 2 - Dòng điện chế độ sai khác so với dòng điện chế độ chung trong mạch (đường trở lại của dòng điện chế độ chung không được hiển thị). Tham khảo: Dario Fresu

Cách đơn giản nhất để hiểu về các dòng điện này là nghĩ về dòng điện chế độ sai khác như là chảy theo "hướng ngược nhau" qua các đường dẫn khác nhau, trong khi dòng điện chế độ chung chảy theo cùng một hướng "chung" dọc theo các đường mạch.

Cách Giảm Thiểu Phát Thải từ Dòng Điện Chế Độ Sai Khác

Dòng điện chế độ sai khác là cần thiết cho hoạt động bình thường của mạch. Những dòng điện này chảy giữa các mạch tích hợp (ICs) và linh kiện, và là một phần của thiết kế mạch trên PCB.

Chúng di chuyển trong các vòng lặp được xác định bởi bố trí mạch, và kích thước của các vòng lặp này ảnh hưởng đến mức độ phát thải được sản xuất. Vòng lặp càng lớn (tức là, diện tích càng lớn), mức phát thải càng cao. Ngoài ra, tần số cao hơn dẫn đến phát thải tăng lên.

Để giảm bớt những phát thải này, chúng ta có một số chiến lược:

1. Giảm lượng dòng điện chạy qua các đường mạch
2. Giảm tần số của các dòng điện
3. Giảm diện tích của các vòng dòng điện

Việc giảm dòng điện và tần số (lựa chọn 1 và 2) thường không khả thi vì chúng có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả của mạch. Phương pháp thực tế nhất, mà các nhà thiết kế PCB có thể kiểm soát trực tiếp hơn, là giảm thiểu diện tích bao quanh bởi các vòng dòng điện này.

Hình 3 - Ví dụ về một vòng dòng điện trong PCB với Altium Designer®

Một phương pháp hiệu quả cao là sử dụng một mặt phẳng tham chiếu trả về gần với các đường mạch tín hiệu trong cấu trúc lớp. Bằng cách làm như vậy, diện tích bao quanh bởi dòng điện tiến và trả về trở nên rất nhỏ, giảm thiểu sự phát xạ. Điều này, cùng với việc giữ cho các đường mạch tín hiệu càng ngắn càng tốt, sẽ mang lại kết quả tốt nhất về việc giảm phát xạ từ các dòng điện chế độ khác biệt.

Tất nhiên, việc đặt linh kiện, giảm nhiễu tín hiệu chéo, và quản lý các cơ chế ghép nối khác có thể truyền nhiễu sang các cáp gần đó cũng quan trọng để giảm phát xạ. Tuy nhiên, những yếu tố này là thứ yếu so với kỹ thuật chính là giảm thiểu diện tích của các vòng dòng điện.

Kỹ thuật này có ảnh hưởng trực tiếp và đáng kể hơn trong việc giảm phát xạ vì nó giải quyết nguyên nhân gốc rễ của sự phát xạ từ các dòng điện chế độ khác biệt.

Cách Giảm Thiểu Phát Xạ từ Dòng Chế Độ Chung

Một loại dòng điện quan trọng khác mà các nhà thiết kế cần phải biết đến là dòng chế độ chung. Khác với dòng chế độ sai khác, được thiết kế có chủ ý vào mạch, dòng chế độ chung không được tính toán một cách rõ ràng trong sơ đồ. Những dòng này không cần thiết cho hoạt động của mạch và chủ yếu phát sinh từ các yếu tố nhiễu trong thiết kế.

Việc xác định và kiểm soát những dòng nhiễu này có thể khá thách thức vì nguồn gốc của chúng không phải lúc nào cũng rõ ràng. Dòng chế độ chung thường được tạo ra khi dòng chế độ sai khác chảy qua các yếu tố nhiễu trong mạch.

Hình 4 - Khoảng trống trong các mặt phẳng trở lại thường là nguyên nhân của bức xạ chế độ chung (Altium Designer®)

Những yếu tố nhiễu này đặc biệt được tìm thấy trong các dẫn trở lại tham chiếu, thường được biết đến là dây “Mặt Đất” hoặc dây “Mặt Đất Tín Hiệu”. Vấn đề với các yếu tố nhiễu trong các dẫn trở lại tham chiếu chủ yếu xuất phát từ thực tế là các linh kiện và dẫn điện không hoàn hảo, và xa với lý tưởng.

Ví dụ, các đường dẫn đồng trong một mạch không chỉ có điện trở mà còn thể hiện cả độ tự cảm và dung kháng. Những tính chất nhiễu này trở nên đáng kể hơn khi tần số tín hiệu tăng lên.

Khác với phát xạ chế độ sai khác, chủ yếu bị ảnh hưởng bởi kích thước của vòng dòng điện, dòng điện chế độ chung chủ yếu bị ảnh hưởng bởi chiều dài của các dẫn điện và tần số nhiễu. Tuy nhiên, ảnh hưởng của chiều dài dẫn điện trở nên ít quan trọng hơn sau một điểm nhất định, điều này chúng tôi sẽ không khám phá thêm ở đây trong bài viết này.

Đối với cáp điện ngắn, phát xạ dòng điện chế độ chung có thể được mô hình hóa như truyền dẫn ăng-ten dipole (hoặc monopole) thay vì truyền dẫn ăng-ten vòng. Sự thay đổi trong mô hình hóa ảnh hưởng đến cách phát xạ được sản xuất và kiểm soát.

Để giảm hiệu quả phát xạ từ dòng điện chế độ chung ngay tại nguồn, chúng ta nên xem xét các chiến lược sau:

• Giảm lượng dòng điện chế độ chung;
• Giảm tần số của dòng điện chế độ chung;
• Giảm thiểu chiều dài của các dẫn điện góp phần vào phát xạ chế độ chung.

Một chiến lược quan trọng là tập trung vào việc giảm chiều dài của các đường dẫn tín hiệu. Mặc dù không phải lúc nào cũng có thể rút ngắn tất cả các dẫn điện do các ràng buộc của hệ thống, các nhà thiết kế nên cố gắng giảm thiểu chiều dài đường dẫn mỗi khi có thể. Nỗ lực này giúp giảm thiểu phát xạ từ PCB, đặc biệt là khi tần số tín hiệu tiếp tục tăng.

Sử dụng một mặt phẳng đồng rắn làm mặt phẳng trả về và mặt phẳng tham chiếu là một kỹ thuật hiệu quả khác. Phương pháp này giảm độ tự cảm mà dòng điện trả về phải đi qua, do đó giảm nguồn điện áp chế độ chung gây ra các phát xạ này.

Bằng cách cung cấp một đường dẫn trở kháng thấp cho dòng điện trả về, một mặt phẳng đồng rắn (không có sự chia cắt, hoặc cắt) giúp duy trì tính toàn vẹn của tín hiệu và giảm EMI.

Cách Giảm Phát Xạ Bằng Cách Sử Dụng Các Via May

Một kỹ thuật khuyến nghị khác để giảm phát xạ chế độ chung trong các cấu trúc đa lớp với nhiều mặt phẳng tham chiếu trả về là sử dụng các via may giữa các mặt phẳng này. Các via may, kết nối các lớp tham chiếu trả về khác nhau, đảm bảo rằng chúng ở cùng một tiềm năng điện. Kết nối này giúp giảm nguồn điện áp chế độ chung gây ra các phát xạ ăng-ten dị cực (hoặc đơn cực), có thể giảm đáng kể tiếng ồn không mong muốn và EMI.

Hình 5 - Ví dụ về các via may trong Altium Designer®

Ngoài việc giảm phát xạ chế độ chung, các via may còn quan trọng trong việc cung cấp một đường dẫn trả về dòng điện đáng tin cậy, và tiềm năng tham chiếu cho các tín hiệu chuyển giữa các lớp trong cấu trúc. Điều này ngăn chặn phát xạ xảy ra giữa các mặt phẳng, có thể nếu không gây ra sự can thiệp không chỉ với EMI, mà còn với tính toàn vẹn tín hiệu và hiệu suất tổng thể của PCB.

Kết luận

Khi thiết kế các bảng mạch in (PCB) với việc kiểm soát Nhiễu Điện Từ (EMI) hiệu quả trong tâm trí, việc có những công cụ phù hợp là điều cần thiết. Phần mềm thiết kế PCB tiên tiến cho phép bạn quản lý các tham số thiết kế khác nhau và đảm bảo rằng các bảng mạch của bạn được chế tạo với độ chính xác và hiệu quả đặc biệt. Những công cụ này rất quan trọng để xử lý các yêu cầu thiết kế phức tạp và xác nhận rằng các chiến lược giảm thiểu EMI của bạn được áp dụng một cách chính xác, dẫn đến các PCB đáng tin cậy và hoạt động cao.

Altium Designer® nổi bật như một công cụ điển hình trong lĩnh vực này, cung cấp sự tích hợp liền mạch vào quy trình thiết kế của bạn. Nó cung cấp sự linh hoạt và các khả năng tiên tiến cần thiết để tận dụng triệt để kiến thức và đam mê thiết kế PCB của bạn, làm cho việc thực hiện các chiến lược kiểm soát EMI hiệu quả trở nên dễ dàng hơn.

Để tiếp tục cải thiện thiết kế PCB của bạn, việc cập nhật thông tin là chìa khóa. Trong bài viết tiếp theo của chúng tôi, chúng tôi sẽ đề cập đến các chiến lược giải cấp cho Mạng Lưới Phân Phối Điện (PDN), cung cấp cho bạn thêm nhiều hiểu biết để cải thiện thực hành thiết kế của mình.

Đừng bỏ lỡ các cập nhật mới nhất và nội dung giá trị—hãy theo dõi Altium® trên các trang và kênh truyền thông xã hội của họ.

Trải nghiệm lợi ích của các công cụ thiết kế PCB tiên tiến trực tiếp bằng cách bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer® + Altium 365™ ngay hôm nay. Tham gia cộng đồng của các nhà thiết kế hàng đầu và xem cách những công cụ này có thể cải thiện đáng kể công việc của bạn.