Hướng dẫn về EMI/EMC cho PCB: Đáp ứng các Tiêu chuẩn EMI/EMC trong Thiết kế của Bạn

Nếu bạn đặt hai chiếc điện thoại di động cạnh nhau và đột nhiên cả hai không hoạt động đúng cách? May mắn thay, điều này không xảy ra bởi vì các nhà thiết kế và nhà sản xuất đã nỗ lực nghiêm túc để đảm bảo những thiết bị này tuân thủ các tiêu chuẩn EMC về EMI dẫn và bức xạ. Bất kỳ thiết bị nào cũng cần phải tuân thủ các tiêu chuẩn EMC trước khi được đưa ra thị trường.

Mặc dù nghe có vẻ phức tạp, bạn có một số chiến lược thiết kế đơn giản để giúp thiết bị tiếp theo của mình vượt qua các bài kiểm tra EMC. Làm quen với các tổ chức tiêu chuẩn EMC và các quy định của họ là một điểm khởi đầu tốt.

Tiêu chuẩn EMC/EMI cho Thiết kế PCB

Tiêu chuẩn EMC được chia thành hai loại chính: tiêu chuẩn quy định và tiêu chuẩn ngành. Tiêu chuẩn quy định cho thiết kế của bạn phụ thuộc vào nơi bạn muốn tiếp thị và bán sản phẩm của mình (không nhất thiết là nơi nó được thiết kế hoặc sản xuất). Một số tiêu chuẩn EMC đầu tiên được thiết lập bởi Ủy ban Truyền thông Liên bang Hoa Kỳ vào năm 1979. Cộng đồng Châu Âu sau đó đã định rõ tiêu chuẩn EMC của riêng họ, làm nền tảng cho các tiêu chuẩn Liên minh Châu Âu trong tương lai, hiện được biết đến với tên gọi Chỉ thị EMC - chính thức được gọi là Chỉ thị Tương thích Điện từ (EMC) 2014/30/EU của Nghị viện Châu Âu (bạn có thể xem tiêu chuẩn Châu Âu tại đây).

Tuân thủ các tiêu chuẩn ngành không chỉ là vấn đề pháp lý mà còn là vấn đề cụ thể của ngành nhằm đảm bảo sự thống nhất và khả năng tương thích giữa các thiết bị điện tử được triển khai trong các môi trường và lĩnh vực ứng dụng cụ thể. Cụ thể, các tiêu chuẩn EMC của ngành đóng vai trò giống như các tiêu chuẩn ngành khác về sản xuất, lắp ráp, hiệu suất, v.v. Các tổ chức tiêu chuẩn ngành lớn và cơ quan quản lý xác định yêu cầu EMC bao gồm:

• Ủy ban Truyền thông Liên bang Hoa Kỳ (FCC)
• Cơ quan Hàng không Liên bang Hoa Kỳ (FAA)
• Phòng Thử nghiệm Underwriter (UL)
• Ủy ban Kỹ thuật Radio Mỹ cho Hàng không (RTCA)
• Ủy ban Điện kỹ thuật Quốc tế (IEC), thông qua Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR)
• Tổ chức Tiêu chuẩn Hóa quốc tế (ISO)
• Hội Kỹ sư Ô tô (SAE)
• Viện Kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE)
• Quân đội Hoa Kỳ thông qua bộ tiêu chuẩn MIL-STD của mình

Trong khi các tiêu chuẩn của IEC và CISPR phổ biến hơn ở Châu Âu, các tiêu chuẩn của IEEE phổ biến hơn ở Hoa Kỳ. Cụ thể, các tiêu chuẩn IEEE là cơ sở cho các bài kiểm tra hiệu chuẩn ăng-ten. Các yêu cầu EMC của MIL-STD là một trong những tiêu chuẩn khắt khe nhất trên thế giới và là một số tiêu chuẩn ban đầu được điều chỉnh cho lĩnh vực thương mại đối với các thiết bị điện tử.

Yêu cầu Rộng rãi để Tuân thủ các Tiêu chuẩn EMC

Các công ty phát hành thiết bị hoặc sản phẩm không tuân thủ có thể nhận được cảnh báo, hoặc bị phạt số tiền lớn. Không đáp ứng được yêu cầu EMC cũng đặt ra mối lo ngại về an toàn và làm hại đến uy tín của công ty. Thiết kế với tư duy hướng tới EMC có thể giúp đảm bảo bạn sẽ không nhận phạt dân sự khi thiết bị của bạn ra khỏi dây chuyền sản xuất. Các nhà thiết kế thực hiện các bước để tuân thủ các tiêu chuẩn EMC bằng cách xem xét EMI từ hai góc độ:

• Thiết kế để miễn dịch với EMI: Thiết kế một thiết bị để chống lại EMI không mong muốn từ các thiết bị lân cận. Điều này thường bắt đầu với chiến lược xếp chồng và định tuyến phù hợp.

• Giảm thiểu EMI phát ra: Thiết kế một thiết bị để giảm thiểu bức xạ mà nó phát ra. Lớp xếp chồng, chiến lược nối đất, vị trí đặt linh kiện, và có thể là chắn đều đóng vai trò ở đây.

• Giảm thiểu EMI dẫn: EMI dẫn có nhiều hình thức, như nhiễu chế độ chung hoặc chế độ khác biệt được ghép nối, nhiễu chuyển mạch từ các bộ điều chỉnh SMPS, hoặc hài âm nhận từ lưới điện.

• Nhiễu xung nhanh hoặc biến động công suất: Các loại nhiễu này xuất hiện dưới dạng chuỗi xung được tiêm vào, sụt áp ngắn hạn, sụt áp định kỳ, hoặc đột biến công suất. Thiết kế nên ngăn chặn những nhiễu này xuất hiện như nhiễu trên một đầu ra hoặc tải. Các yêu cầu này áp dụng cho các thiết kế với cáp ngắn hoặc đầu vào AC, tương ứng.

• Kiểm soát sự dư thừa và ESD: Chúng ta thường tập trung vào tiếng ồn khi thảo luận về EMI/EMC, nhưng khả năng chịu được sự dư thừa và ESD cũng là những khía cạnh quan trọng khi thiết kế để tuân thủ các tiêu chuẩn EMC.

Đo lường EMC bức xạ bằng sonda trường gần

Một số Chiến lược để Tăng Cơ hội Đạt Chuẩn Kiểm tra EMC

Có một số thực hành thiết kế cơ bản mà mọi nhà thiết kế nên sử dụng để đảm bảo bảng mạch của họ vượt qua cả những kiểm tra EMC cơ bản.

Xếp chồng, Nguồn và Nối đất

Chiến lược tuân thủ EMC bắt đầu với lớp xếp chồng của bạn. Thiết kế bảng mạch của bạn với hệ thống nối đất có độ tự cảm thấp có tác dụng lớn nhất trong việc giảm thiểu sự nhạy cảm với EMI. Với các bảng mạch đa lớp, bạn nên đặt một lớp nối đất ngay dưới các lớp tín hiệu để giảm thiểu độ tự cảm vòng.

Sự can thiệp vào tín hiệu mức thấp dẫn đến tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu thấp hơn. Vì vậy, việc đặt những tín hiệu này trên một lớp bên trong là một ý kiến hay. Nếu bạn có đủ lớp trong xếp chồng, hãy đặt những đường mạch này giữa hai lớp nối đất, và sau đó đặt lớp nguồn của bạn dưới lớp nối đất dưới cùng. Đặt lớp nguồn gần lớp nối đất cung cấp sự ghép nối điện dung mạnh mẽ. Bất kỳ tiếng ồn nào hoặc EMI dẫn trong lớp nguồn sẽ dễ dàng chảy vào lớp nối đất gần đó thay vì can thiệp vào tín hiệu.

Hãy cẩn thận khi định tuyến tín hiệu từ một lớp bên trong lên một lớp bề mặt vì bạn cần phải duy trì sự ghép nối chặt chẽ. Bạn có thể duy trì ghép nối với một mặt phẳng tham chiếu bằng cách đặt một via song song gần đó giữa mặt đất và lớp bề mặt. Các vấn đề EMC khác như định tuyến và đặt vị trí đồng hồ có thể gây ra vấn đề và tạo ra tiếng ồn quá mức, đặc biệt là khi thay đổi mặt phẳng tham chiếu trong một PCB đa lớp. Nếu bạn có thể, hãy cố gắng không sử dụng các giao thức yêu cầu một dao động tham chiếu bên ngoài, và thay vào đó sử dụng các giao thức có đồng hồ nhúng. Một số giao thức như DDR sử dụng một cặp đồng hồ chênh lệch đồng bộ nguồn, sẽ có EMI bức xạ thấp hơn so với kết nối đồng hồ đơn cuối (xem bên dưới về các cặp chênh lệch).

Đưa vào Sử dụng Chắn

Việc sử dụng khéo léo chắn là một chiến lược khác để cung cấp miễn dịch cho bảng mạch của bạn khỏi EMI bức xạ. Điều này cũng giảm bớt EMI bức xạ ra xa khỏi bảng mạch của bạn. Nếu bạn đang làm việc với một thiết bị không dây, bạn có thể chỉ đặt ăng-ten bên ngoài lớp chắn để nó vẫn có thể gửi và nhận tín hiệu.

Giải pháp đơn giản nhất là sử dụng lớp chắn nối đất, tạo thành một lồng Faraday xung quanh các linh kiện và đường mạch nhạy cảm. Không phải tất cả các thiết kế và linh kiện đều có thể áp dụng giải pháp này. Do đó, bạn có thể cần một phương pháp chắn phức tạp hơn. Nếu bạn sử dụng một mặt đất đồng nhất bên trong bảng mạch của mình (bạn nên làm điều này), một hàng rào via nối đất xung quanh mép bảng mạch và việc may via trên các khu vực đổ đồng sẽ cung cấp một sự bảo vệ tương tự.

Chắn có thể dùng để ngăn chặn EMI phát ra

Lồng chắn có lẽ là hình thức chắn phổ biến nhất mà mọi người nghĩ đến, nhưng đó không phải là loại chắn duy nhất có thể được sử dụng để chống lại EMI. Các vật liệu chắn độc đáo khác có thể cung cấp khả năng ngăn chặn EMI rộng băng tần bao gồm:

• Vật liệu bọt hoặc gioăng elastomer dẫn điện hấp thụ bức xạ RF
• Vật liệu lưới kim loại có thể được lắp đặt vào vỏ
• Băng kim loại có thể được sử dụng cho các bề mặt ghép nối hoặc một số vị trí trên bảng mạch
• Lớp phủ tuân thủ với khả năng hấp thụ ở dải tần số gặp vấn đề
• Ferrites có thể được gắn trực tiếp vào vỏ hoặc bộ phận cáp

Những loại vật liệu chắn khác này có thể được áp dụng trên bảng mạch hoặc trong vỏ khi các giải pháp khác sử dụng trên PCB thất bại. Cá nhân tôi, tôi chỉ khuyến nghị sử dụng các hộp chắn và một số vật liệu khác này sau khi đã áp dụng toàn bộ các giải pháp ở cấp độ bảng mạch.

Bố trí và Định tuyến Tín hiệu Hỗn hợp

Một số thiết bị có thể cần thao tác dữ liệu số và hỗ trợ tín hiệu analog, làm cho chúng về cơ bản là các thiết bị tín hiệu hỗn hợp. Việc thử và tách biệt các phần kỹ thuật số, analog tần số thấp, và analog RF trên bảng mạch thành các khu vực khác nhau trên bố cục PCB là một ý tưởng tốt. Luôn tốt khi đảm bảo những phần này có các khu vực riêng biệt trên lớp đất, nhưng lớp đất nên được giữ liên tục. Điều này có nghĩa là thách thức ở đây là theo dõi đường dẫn trở lại xung quanh bảng mạch. Mục tiêu là hai lần: ngăn chặn sự can thiệp giữa các phần khác nhau của bảng mạch đồng thời cũng đảm bảo các tín hiệu không có độ tự cảm vòng lớn bằng cách định tuyến chúng qua đất trên lớp kề bên. Để tìm hiểu thêm về các chiến lược nối đất cho tín hiệu hỗn hợp, đọc bài viết này.

Tụ Bypass/Decoupling trên Bus Nguồn

Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, hãy hiểu rằng tiếng ồn trên bus nguồn tạo ra EMI, có thể được bức xạ từ mép bo mạch. Điều này đòi hỏi thiết kế xếp chồng phù hợp, đặt tụ bypass/decoupling, và đặt cặp mặt phẳng tham chiếu/nguồn một cách đúng đắn. Việc giảm tiếng ồn trên bus nguồn trong các hệ thống số tiên tiến với nhiều I/O không chỉ là vấn đề về tính toàn vẹn nguồn mà còn là vấn đề về EMI/EMC, vì vậy hãy tập trung vào việc hiểu các nguyên tắc cơ bản của tính toàn vẹn nguồn để giải quyết những vấn đề này.

Thiết kế theo các tiêu chuẩn EMI/EMC cho thiết kế PCB đòi hỏi công cụ bố trí phù hợp để triển khai các giải pháp cấp bo mạch. Altium Designer^® cung cấp tất cả những gì bạn cần để tạo một bố trí tuân thủ hoặc thực hiện sửa chữa khi cần. 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.