Nella progettazione PCB, la compatibilità elettromagnetica (EMC) e le interferenze elettromagnetiche associate (EMI) sono state tradizionalmente due grossi grattacapi per gli ingegneri, soprattutto nelle progettazioni di circuiti stampati odierni e i pacchetti di componenti continuano a ridursi, gli OEM richiedono sistemi a velocità più elevate.In questo articolo condividerò come evitare problemi elettromagnetici nella progettazione PCB.
1. La diafonia e l'allineamento sono al centro dell'attenzione
L'allineamento è particolarmente importante per garantire il corretto flusso di corrente.Se la corrente proviene da un oscillatore o da un altro dispositivo simile, è particolarmente importante mantenere la corrente separata dallo strato di terra o evitare che la corrente corra in parallelo con un altro allineamento.Due segnali ad alta velocità in parallelo possono generare EMC ed EMI, in particolare diafonia.È importante mantenere i percorsi dei resistori quanto più brevi possibile e i percorsi della corrente di ritorno quanto più brevi possibile.La lunghezza del percorso di ritorno dovrebbe essere uguale alla lunghezza del percorso di trasmissione.
Per EMI, un percorso è chiamato “percorso della violazione” e l’altro è il “percorso della vittima”.L'accoppiamento induttivo e capacitivo influenza il percorso della “vittima” a causa della presenza di campi elettromagnetici, generando così correnti dirette e inverse sul “percorso della vittima”.In questo modo, l'ondulazione viene generata in un ambiente stabile in cui le lunghezze di trasmissione e ricezione del segnale sono quasi uguali.
In un ambiente ben bilanciato con allineamenti stabili, le correnti indotte dovrebbero annullarsi a vicenda, eliminando così la diafonia.Tuttavia, siamo in un mondo imperfetto in cui una cosa del genere non accade.Pertanto, il nostro obiettivo è mantenere la diafonia al minimo per tutti gli allineamenti.L'effetto della diafonia può essere ridotto al minimo se la larghezza tra le linee parallele è doppia rispetto alla larghezza delle linee.Ad esempio, se la larghezza della linea è 5 mil, la distanza minima tra due linee parallele dovrebbe essere pari o superiore a 10 mil.
Con la continua comparsa di nuovi materiali e componenti, i progettisti di PCB devono continuare a occuparsi anche di problemi di compatibilità elettromagnetica e interferenze.
2. Condensatori di disaccoppiamento
I condensatori di disaccoppiamento riducono gli effetti indesiderati della diafonia.Dovrebbero essere posizionati tra i pin di alimentazione e di terra del dispositivo, il che garantisce una bassa impedenza CA e riduce il rumore e la diafonia.Per ottenere una bassa impedenza su un ampio intervallo di frequenze, è necessario utilizzare più condensatori di disaccoppiamento.
Un principio importante per posizionare i condensatori di disaccoppiamento è che il condensatore con il valore di capacità più basso sia posizionato il più vicino possibile al dispositivo per ridurre gli effetti induttivi sugli allineamenti.Questo particolare condensatore deve essere posizionato il più vicino possibile ai pin di alimentazione del dispositivo o alla canalizzazione dell'alimentatore e i pad del condensatore devono essere collegati direttamente ai vias o al livello di terra.Se l'allineamento è lungo, utilizzare più via per ridurre al minimo l'impedenza di terra.
3. Messa a terra del PCB
Un modo importante per ridurre le EMI è progettare lo strato di messa a terra del PCB.Il primo passo è rendere l'area di messa a terra quanto più ampia possibile all'interno dell'area totale della scheda PCB in modo da ridurre le emissioni, la diafonia e il rumore.È necessario prestare particolare attenzione quando si collega ciascun componente a un punto di terra o a uno strato di terra, senza il quale l'effetto neutralizzante di uno strato di terra affidabile non può essere pienamente utilizzato.
Un design PCB particolarmente complesso ha diverse tensioni stabili.Idealmente, ciascuna tensione di riferimento ha il proprio strato di terra corrispondente.Tuttavia, troppi strati di messa a terra aumenterebbero i costi di produzione del PCB rendendolo troppo costoso.Un compromesso consiste nell'utilizzare strati di messa a terra in tre o cinque posizioni diverse, ciascuna delle quali può contenere diverse sezioni di messa a terra.Ciò non solo controlla il costo di produzione della scheda, ma riduce anche EMI ed EMC.
Un sistema di messa a terra a bassa impedenza è importante se si vuole ridurre al minimo la compatibilità elettromagnetica.In un PCB multistrato è preferibile avere uno strato di messa a terra affidabile piuttosto che un blocco di bilanciamento in rame (furto di rame) o uno strato di messa a terra sparso poiché ha una bassa impedenza, fornisce un percorso di corrente ed è la migliore fonte di segnali inversi.
Anche il tempo impiegato dal segnale per ritornare a terra è molto importante.Il tempo impiegato dal segnale per viaggiare da e verso la sorgente deve essere paragonabile, altrimenti si verificherà un fenomeno simile ad un'antenna, che consentirà all'energia irradiata di diventare parte dell'EMI.Allo stesso modo, l'allineamento della corrente da/verso la sorgente del segnale dovrebbe essere il più breve possibile, se i percorsi di sorgente e di ritorno non hanno la stessa lunghezza, si verificherà un rimbalzo del terreno e questo genererà anche EMI.
4. Evitare angoli di 90°
Per ridurre le EMI, è necessario evitare che l'allineamento, i vias e gli altri componenti formino un angolo di 90°, poiché un angolo retto genererà radiazioni.Per evitare un angolo di 90°, l'allineamento dovrebbe essere di almeno due cablaggi con angolo di 45° verso l'angolo.
5. È necessario prestare attenzione all'uso del over-hole
In quasi tutti i layout PCB, è necessario utilizzare dei via per fornire una connessione conduttiva tra i diversi strati.In alcuni casi producono anche riflessioni, poiché l'impedenza caratteristica cambia quando i via vengono creati nell'allineamento.
È anche importante ricordare che i via aumentano la lunghezza dell'allineamento e devono essere abbinati.Nel caso di allineamenti differenziali, i via dovrebbero essere evitati ove possibile.Se ciò non può essere evitato, i via dovrebbero essere utilizzati in entrambi gli allineamenti per compensare i ritardi nel segnale e nei percorsi di ritorno.
6. Cavi e schermatura fisica
I cavi che trasportano circuiti digitali e correnti analogiche possono generare capacità e induttanza parassite, causando molti problemi legati alla compatibilità elettromagnetica.Se si utilizzano cavi a doppino intrecciato, viene mantenuto un basso livello di accoppiamento e i campi magnetici generati vengono eliminati.Per i segnali ad alta frequenza, è necessario utilizzare cavi schermati, con messa a terra sia anteriore che posteriore, per eliminare le interferenze EMI.
La schermatura fisica consiste nel racchiudere l'intero o parte del sistema in un contenitore metallico per impedire l'ingresso di interferenze elettromagnetiche nei circuiti PCB.Questa schermatura agisce come un condensatore chiuso conduttore di terra, riducendo le dimensioni del circuito dell'antenna e assorbendo le EMI.
Orario di pubblicazione: 23 novembre 2022