Loại bỏ Nhiễu và EMI trong PCB của Bạn Với Thiết kế Bộ Lọc Tương tự Đúng cách

Ngành công nghiệp điện tử tiếp tục tích hợp nhiều khả năng hơn vào các PCB và thiết bị nhỏ gọn hơn, đồng thời chạy với công suất thấp hơn và tần số cao hơn. Việc giảm tiếng ồn trở nên quan trọng hơn khi tần số hoạt động tăng và mức tín hiệu giảm, điều này trở nên dễ quản lý hơn với bộ lọc EMI để giảm tiếng ồn trên thiết kế PCB. Thêm bộ lọc vào thiết kế PCB của bạn có thể cải thiện độ tin cậy tín hiệu trong môi trường dễ bị EMI với các trường từ lớn lạc đường và trong các ứng dụng RF công suất thấp.

Các tiêu chuẩn ngành thậm chí yêu cầu thiết bị của bạn phải bao gồm khả năng giảm tiếng ồn, bộ lọc EMI và bộ lọc EMC. Để đáp ứng các tiêu chuẩn phát thải dẫn, tiếng ồn EMI phải được giảm ở các tần số từ 150 kHz đến 30 MHz. Một số sản phẩm có tiêu chuẩn nghiêm ngặt hơn và giới hạn dưới bắt đầu từ 9 kHz. Các ứng dụng IoT yêu cầu bộ lọc dao động ở 1 MHz để duy trì tính toàn vẹn dữ liệu và tín hiệu.

Bộ lọc Chủ động so với Bộ lọc Bị động

Một trong những thiết kế PCB đầu tiên của tôi yêu cầu xây dựng một thiết bị để đo các tín hiệu tần số thấp bên ngoài. Lần chạy đầu tiên của tôi kết thúc với một mớ hỗn độn của các điểm dữ liệu khi tôi mong đợi các phép đo của mình sẽ khá nhất quán. Sớm thôi, tôi đã tìm ra thủ phạm: nguồn cung cấp điện năng kém chất lượng của tôi phát ra một điện áp với tiếng ồn đáng kể. Thay vì chi tiền cho một nâng cấp nguồn cung cấp điện lớn, tôi đã có thể giải quyết vấn đề này bằng cách thiết kế một bộ lọc tiếng ồn EMI trực tiếp trên Bảng Mạch In của mình.

Dù bạn đã áp dụng tất cả các kỹ thuật thiết kế tốt nhất cho việc giảm tiếng ồn và giảm EMI, thiết kế của bạn vẫn có thể bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn. Để cải thiện độ tin cậy của tín hiệu hơn nữa, các phương pháp lọc chủ động và bị động có thể được sử dụng để giảm cả bộ lọc EMI và EMC. Trước khi chọn lọc bộ lọc nào sẽ được sử dụng trong Bảng Mạch In của bạn, luôn kiểm tra thiết kế bộ lọc của bạn và đảm bảo rằng bộ lọc đáp ứng các tiêu chuẩn giảm tiếng ồn và Nhiễu Điện Từ áp dụng cho PCBs.

Bộ lọc bị động sử dụng trở kháng của các linh kiện điện tử tiêu chuẩn để ngăn chặn tiếng ồn trong mạch ở một số tần số nhất định. Bộ lọc chủ động kết hợp các thành phần lọc bị động với các thành phần có nguồn điện như bộ khuếch đại hoặc transistor. Bộ lọc chủ động cũng có thể được đóng gói như một thiết bị gắn mặt với kích thước nhỏ gọn.

Trước khi tạo thiết kế bộ lọc EMI PCB hoặc giảm tiếng ồn, bạn cần biết một số thông tin về các băng tần mà bạn đang cố gắng lọc ra khỏi tín hiệu của mình.

PCB được thiết kế cho các ứng dụng vi sóng

Một ví dụ đơn giản về bộ lọc chủ động là bộ lọc chủ động thông thấp cấp một. Một bộ lọc RC thông thấp có thể được kết nối với một khuếch đại không đảo. Cấu trúc này cũng áp dụng được cho bộ lọc thông dải hoặc thông cao. Bộ lọc chủ động cấp hai có thiết kế phức tạp hơn. Bộ lọc cấp ba và cao hơn có thể dễ dàng được xây dựng bằng cách nối tiếp nhiều bộ lọc cấp một và cấp hai theo chuỗi, và những bộ lọc này cung cấp độ dốc cắt mạnh mẽ hơn tại các cạnh băng thông lọc.

Lợi ích chính khi sử dụng bộ lọc chủ động là khả năng khuếch đại có thể được cung cấp. Khuếch đại có thể được áp dụng bằng cách bao gồm các điện trở phản hồi và kéo xuống trên đầu vào đảo.

Dấu chân nhỏ của IC op-amp cho phép đặt các bộ lọc mạnh mẽ trên bố cục PCB của bạn, để lại nhiều không gian còn lại cho các linh kiện khác. Nhược điểm của bộ lọc chủ động là op-amp có độ suy giảm cao ở tần số cao, và bộ lọc chủ động chỉ có thể được sử dụng trong các ứng dụng tần số thấp.

Bộ Lọc Microstrip Thụ Động

Các đường dẫn Microstrip có thể được sử dụng để xây dựng các bộ lọc thụ động được nhúng trực tiếp vào PCB. Tần số trung tâm và băng thông có thể được điều chỉnh dựa trên hình học của microstrip. Những bộ lọc này dễ sản xuất, nhưng chúng có xu hướng có dấu chân lớn hơn so với các bộ lọc thụ động khác.

Phân tích các bộ lọc này cũng khá đơn giản vì hình dạng của chúng cho phép chúng được mô hình hóa như một mạch của các cuộn cảm và tụ điện. Nếu việc phân tích mạch điện là điều bạn làm một cách tự nhiên, thì những bộ lọc này có thể nhanh chóng được giảm xuống thành một mạch tương đương và bạn có thể tự tìm ra công thức cho các tính chất lọc bằng tay.

Các hình dạng và bố cục microstrip khác nhau sẽ hoạt động như một bộ lọc băng thông, bộ lọc thông thấp hoặc bộ lọc thông cao. Bộ lọc thông cao thực sự rất khó để chế tạo sử dụng các phần tử microstrip phân tán. Một cách để tạo ra một bộ lọc thông cao là sử dụng thiết kế bộ lọc băng thông với băng thông cực cao và tần số cắt trên cực cao. Các bộ lọc có vẻ như có cấu trúc thông cao hóa ra lại là bộ lọc băng thông khi hành vi tần số cao của chúng được phân tích.

Bộ Lọc Nguồn Cung Cấp Điện

Các nguồn cung cấp điện DC thường chuyển đổi điện AC thành điện DC sử dụng một mạch chỉnh lưu với một tụ điện làm mịn. Đầu ra của nguồn cung cấp điện có thể chứa một số điện áp gợn sóng còn sót lại, ngay cả khi nguồn cung cấp điện có chứa bộ lọc tích hợp. Điện áp gợn sóng còn sót lại có thể được giảm bớt bằng cách thiết kế một bộ lọc nguồn cung cấp điện thụ động đơn giản.

Các bộ điều chỉnh tuyến tính có thể loại bỏ phần lớn điện áp nhấp nhô tần số thấp từ nguồn cung cấp, nhưng chúng mất hiệu quả đối với các thành phần nhiễu trên khoảng 10 kHz. Các thành phần tần số cao hơn trong phạm vi 100 kHz có thể được loại bỏ bằng bộ lọc LC. Việc lọc các thành phần tần số cao hơn nữa trong phạm vi MHz có thể được thực hiện bằng cách đặt các tụ điện bypass giữa các IC.

Giữ trong tâm trí các yêu cầu về điện áp đúng sẽ giúp bạn quản lý bộ lọc EMI tích hợp của mình

Việc lọc điện áp nhấp nhô và các hài tần số cao hơn lên đến 1 MHz trở nên quan trọng trong các thiết bị IoT. Trong quá trình truyền dữ liệu trong các thiết bị IoT, dữ liệu được gửi đến một mô-đun cơ sở dữ liệu mà mã hóa dữ liệu thành tín hiệu 1 MHz. Tín hiệu 1 MHz này sẽ được trộn với tín hiệu mang trong mô-đun truyền RF. Việc loại bỏ điện áp nhấp nhô và nhiễu lên đến tần số MHz giữ cho tín hiệu và tính toàn vẹn dữ liệu trong quá trình truyền không dây.

Phần mềm thiết kế PCB như Altium Designer^® giúp dễ dàng thêm khả năng chống nhiễu cho thiết bị của bạn. Thư viện component phong phú và giao diện thiết kế dựa trên quy tắc của họ làm cho việc thiết kế bộ lọc của bạn trở nên dễ dàng. Hãy nói chuyện với một chuyên gia Altium hôm nay để tìm hiểu thêm.

Xem Altium hoạt động...

Thiết kế PCB Mạnh mẽ