הפרעה אלקטרומגנטית (EMI) נותרה אחד האתגרים המתמשכים והיקרים ביותר בעיצוב לוח מעגלים מודפס מודרני.כמו מערכות דיגיטליות לדחוף לתדרים גבוהים יותר, קצבי קצה מהירים יותר, ותקציבי כוח הדוקים יותר, שולי השגיאה בשליטה על פליטות אלקטרומגנטיות ממשיך לכווץ.מערכות EMI מופרזות יכולות להפיג את היושרה האותות, לגרום לשגיאות יעילות, לגרום לכשלים פונקציונליים, ולמנוע מוצר מניתוחי תאימות במקום טיפול במהנדסים מונעים ממכשירים ממכשירים מטכניקות של כוונון, אם כיוות, או ממריצים, אם כיו, לאחר אימוץ, או אימוץ גישה ממוקדת יותר, לאחר טיפול בטכניקות לחץ על ידי ניקוי, או אימוץ, לאחר טיפול בטכניקות לחץ על ידי מיקוד, או אימוץ, או אימוץ באופן ישיר, או לחץ דם, או אימוץ, או לחץ על ידי מיקוד, רק לאחר טיפול בטכניקות לחץ דם, או אימוץ, רק לאחר טיפול בטכניקות לחץ על ידי מיקוד, או מיקוד, רק לאחר טיפול בטכניקות לחץ על ידי מיקוד, או מיקוד, לאחר טיפול בטכניקות לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי לחץ על ידי מיקוד, לאחר טיפול בטכניקות לחץ על ידי הגבלת זמן, או אימוץ באופן ישיר, לחץ על ידי מיקוד, או אימוץ באופן ישיר, לחץ

מאמר זה חוקר קבוצה מקיפה של שיטות חדשניות להפחתת EMI בשלב הפריסה, כולל חסימה מבוקרת, אותות שונים, אופטימיזציה למטוס הקרקע, הגנה ואסטרטגיות מתקדמות של decoupling. טכניקות אלה מוקרקעות בתיאוריה השדה האלקטרומגנטי ואומת על ידי תרגול בתעשייה, מה שהופך אותם מיד חלים על עיצובים בעולם האמיתי.

הבנת ה-PCIB ב-PCI

EMI הוא כל אנרגיה אלקטרומגנטית לא רצויה שמפיץ ממקור ומפריעה לפעולה של מעגל הקורבן.ב- PCB, המקור הוא בדרך כלל אות דיגיטלית מהירה, ממיר כוח מעבר, או רשת הפצה של שעון.ההפרעה יכולה לנסוע דרך נתיבים מעודכנים (באמצעות כוח או אותות) או שדות קורנים (באמצעות מבנים לא מכוונים כגון עקבות ארוכים, באמצעות כבלים או החזקות).

EMI מסווגת בדרך כלל לשני סוגים:

  • (FLT:0)Radiated פליטות פליטות פליטות FLT:1 - אנרגיה אלקטרומגנטית בלתי רצויה שנמלטה מה-PCB ומפיץ דרך האוויר.
  • (FLT:0) אספקת פליטות פליטות פליטות פליטות (FLT:1) - אנרגיה בלתי רצויה, אשר נוסע לאורך כוח או קווי אות בחזרה אל ראשי או ציוד מחובר.אלה בדרך כלל נמדדים בטווח התדירות של 150 kHz ל -30 MHz.

ללא קשר לדרך ההפיכה, שורש הסיבה של רוב EMI בפריסות PCB הוא אנטנה לא מכוונת שנוצר על ידי עקבות אות ואת נתיב החזרה שלה. כאשר זרם החזרה נאלץ לקחת מסלול ארוך יותר או פחות ישיר, אזור הלולאה גדל, ואת המבנה הופך יעיל בקריירה שדות אלקטרומגנטיים.

תקני תעשייה כגון IPC-2251 ו- ANSI / IPC-2141 מספקים הנחיות לשיטות של עכבות מבוקרות ופריסה PCB, אך השיפוט של המהנדס ביישום ההנחיות הללו הוא מה שמבדל אבטיפוס עבודה מכישלון של אישור מקרינה.

ביקורת: Impedance רוסינג

שמירה על אימפולס אופייני עקבי לאורך כל עקבות אות במהירות גבוהה היא יסודית להפחתה של EMI. כאשר האימפולס של עקבות משתנה, חלק של אנרגיית האות משתקף בחזרה אל המקור.ההשתקפות האלה יוצרת גלים עומדים, overshoot, וצלצול, אשר כל אלה מייצרים תוכן הרמוני בתדרים הרבה מעל קצב השעון הבסיסי.

עיצוב קידוד עבור Impedance Control

לוח ארבע שכבות נשלט מתחיל עם הערימה. לוח טיפוסי של ארבע שכבות מקצה את השכבות העליון והתחתיות כמו שכבות אות ואת השכבות הפנימיות כמו מטוס כוח ומטוס קרקע.עבור שש שכבות או יותר, מטוסים קרקעיים מרובים ושכבות כוח ייעודיות לספק שליטה טובה יותר.

  • (FLT:0) קבוע (Dk)FLT:1) של חומרים טרום-preprepreprepreprepreg ו- הליבה. FR-4 יש Dk של כ 4.2 ב 1 MHz, אבל הערך הזה יורד עם תדירות.
  • (ב) ו[ה][דרוש מקור] [ב]: [ה]] [ה]]] [ה'], [ה']'[ה']'[ב]'], ו[ה']'[ב[[המאה ה-20], ו[ה'[ה']'[ה']'[ב']'[ה']']']'[ה'[ה']']'[ה']'[ה']'[ה']']'[ב[[ה'[ה'[ה']']'[ה']']']'[ה'[ב[[ה'[ב[[ה']']']']']']']'[ב[[ה'[ה'[ב[[ה'[ב[[ה']']'[ה'[ה'], ו[[ה']'], ו[[ה']']'[ב[[ה']']'[ב[[ה'[ב[[ה']']'[ב[[ה']']'[ב[[ה'[ב[[ה'[ה
  • (ב) בין שכבת האות לבין מטוס ההתייחסות הקרוב ביותר.דנר דיאלקטרי מייצרים תנופה נמוכה יותר וניתוק חזק יותר אל מטוס החזרה, אשר מקטין את אזור הלולאה.

כאשר מחיקה של עקבות מבוקרות של חוסר יכולת, להימנע משינוי שכבות, אלא אם כן הכרחי לחלוטין.אם שינוי שכבתי הוא בלתי נמנע, להוסיף קרקע דרך ליד האות דרך לספק נתיב החזרה רציף.טכניקה זו, לעתים קרובות נקרא "גדר" או "להציב באמצעות", מונע את החזרה הנוכחית מלהיות חייב למצוא דרך חלופית שתרחיב את הלולאה.

Trace Geometry ו- Microstrip לעומת Stripline

עקבות מיקרוסטריפ, הנצמדות על שכבה חיצונית על פני מטוס קרקע, קל יותר לדחוק ולהציע עיכוב הפצה נמוך יותר, אבל הם קורנים יותר מאשר קווים כי צד אחד נחשף לשרידים של קו החוף, קבור בין שני מטוסי התייחסות, לספק דיכוי EMI מעולה כי השדות כמעט הכלולים כמעט לחלוטין בין המטוסים.

כאשר מיקרוסטריפ הוא בלתי נמנע, לשמור על מרחק מינימלי של חמש פעמים רוחב העקב מן קצה המטוס הקרקע כדי למנוע עוקץ מהפיכה לקצה הלוח.זה ידוע בשם "חוק 5W" והוא פשוט, יעיל לבדוק את הפחתת הקרינה קצה.

אותות שונים

אותות שונים הוא אחד הכלים החזקים ביותר ערכת כלי ההפחתה של EMI במקום להסתמך על מתח חד קצה אחד התייחס קרקע, אותות שונים משדרים מידע כמו ההבדל המתח בין שני עקבות משלימים. השדים האלקטרומגנטיים שנוצרו על ידי כל זכר הם שווים בגודל אבל מול קוטבי, מה שגורם להם לבטל בשדה הרחוק.

חוקי מזג אוויר שונים

כדי לשמר ביטול, יש לנתב את שתי הפיסות של זוג שונה באורך נתיב זהה ולחסום מבוקר.הכישלון הנפוץ ביותר הוא ארוך פגום, אשר מציג עיכוב זמן בין שני האותות. עיכוב זה גורם מרכיב משותף להופיע, ואותות חד-פעמיים נפוצים אינם מבטלים זה את זה; במקום זאת, הם מתנהגים כמו אותות חד-פעמיים ובאופן אגרסיבי.

  • (ב) יש לקיים בין 2–3% מהזמן עליית האות, או כ-0.5 מ"מ ל- 1 ns.
  • (ב) ,0) חייב להיות קבוע כדי לשמור על הדחף השונה.כל שינוי פער יוצר הפסקת אש וממיר אנרגיה שונה לאנרגיה משותפת.
  • (ב) יש לשמור על מעברי סימטרי (ב) אם יש צורך לשנות שכבות, השני חייב לעקוב אחר אותה הדרך.

התייחסות מצוינת לעיצוב זוגות שונים היא ה-FLT:0Altium PCB שונה אות שונה של מדריך routing GuideFLT:1, אשר מספק כללי פריסה מעשית עבור ממשקי USB, HDMI ו Ethernet.

אופטימיזציה של מטוס

המטוס הקרקעי הוא עמוד השדרה של כל אסטרטגיה של הפחתה EMI. מטוס קרקע מוצק, ללא הפרעה מספק נתיב החזרה דלת חינוך נמוך לכל האותות, מצמצם את אזור הלולאה, ומשמש מגן בין שכבות סמוכים.עם זאת, מטוס קרקע הוא רק יעיל אם ישמרו את השלמות שלו.

חזרה את הנתיבים הנוכחיים ואת אזור הלולאה

כל סימן הוא לולאה עם זרם החזרה שלה.הזרם החוזר אינו לוקח את הנתיב הקצר ביותר של אוקליידאן; הוא זורם ישירות מתחת לסימן של אות על מטוס ההתייחסות כדי למזער את החדירה.אם מזל, פער או פיצול במטוס הקרקע מפריע את הנתיב הזה, זרם החזרה חייב לדחוק סביב החסימה, להגדיל באופן דרמטי את האזור.

כדי להימנע מכך:

  • לעולם אל תעקבו במהירות גבוהה על פני פיצול במטוס הקרקע.
  • אם פיצול הוא הכרחי לבידוד אנלוגי / ספרותי, השתמש בדפי גשר או או או בוחר לנתב את האות מעבר לער, או להציב קיבולטור מעבר לפיצול כדי לספק נתיב החזרה גבוה.
  • השתמש במטוס קרקע מתמשך על שכבה פנימית כנקודת ההתייחסות העיקרית לכל אותות במהירות גבוהה. להימנע הצבת כל עקבות או כוח אחרים ממלאים על שכבה זו אלא אם כן יש צורך בכך.

⁇ ו-Via Arrays

כאשר PCB יש מטוסים קרקעיים מרובים על שכבות שונות, הם חייבים להיות מחוברים עם תפרים דרך מרווחים קבועים.הלחיצת בין תפרים דרך צריך להיות פחות מעשיר אחד של אורך הגל של התדירות הגבוהה ביותר של דאגה. עבור אות 1 GHz (אורך גלי 17 ס"מ ב FR-4), ספיגה מקסימלית היא בערך 1.7 ס"מ.

אדמה Embedded ממלאת בשכבות חיצוניות גם עוזר להפחית את פליטות.לדוגמה, לשפוך קרקע נחושת למלא סביב עקבות מהירות גבוהה על השכבה העליונה וחיבור אותו לקרקע הפנימית עם תפרים דרך יוצר מבנה רחב לצד המכיל את השדה האלקטרומגנטי.טכניקה זו היא שימושית במיוחד בעיצובים עם שכבה מוגבלת שבו מטוס קרקע ייעודי אינו זמין.

מטוסים מפוצלים ועיצובים מעורבים

בעיצובים בעלי חתימה מעורבת (analog + דיגיטלי), ההמלצה המסורתית הייתה לחלק את המטוס הקרקע כדי למנוע החלפת רעש דיגיטלי מזיהום המעגל האנלוגי.עם זאת, בפועל מודרני מראה כי מטוס קרקע יחיד, רציף עם מיקום רכיב זה הוא לעתים קרובות מעל מטוס מפוצל. פיצול המטוס הקרקע יוצר את החריץ מאוד ואת בעיות הפער שגורם EMI במקום, כל הרכיבים הדיגיטליים הפעילים בצד אחד של לוח, אנלוגי, כולל אותות דרך נמוכה או על פני השטח.

טיפול מפורט באסטרטגיה זו ניתן למצוא במדריך מכשירים אנלוגים של מעבדי PCB מהירים במהירות גבוהה.

מגן ומשמר טרמפ

כאשר טכניקות פריסה פסיביות אינן מספיקות – למשל, כאשר קצה אנלוגי רגיש חייב להתקיים עם מעבד דיגיטלי על אותו לוח – אמצעי הגנה פעילים נעשים הכרחיים.

משמרת טרמפ וקופרנר גלווי

עקבות שמירה הוא עקבות מעוקלים מקבילים לעקב מהיר או רגיש, מופרד על ידי פער קטן.המשמר עקבות לירוטים להטות שדות חשמליים ומספק מבנה החזרה מקומי.עבור פעולה יעילה, את עקבות השמירה חייב להיות מחובר למטוס הקרקע עם תפרים במרווחים קבועים. A שומר עם עקבות עם דרך חללים פחות מ- λ/20 יוצר "גדר דרכים" כי מתנהג כמו מבנה קואקסי.

גל קו התכנון המוצב (GCPW) הוא מבנה קו שידור משותף המשתמש עקבות קרקע משני הצדדים של סימן של אותה שכבה, בשילוב עם מטוס קרקע מתחת. GCPW מספק בידוד מצוין בין אותות סמוכים והוא בשימוש נרחב ב RF ובעיצובים דיגיטליים מהירים. רוחב האות ואת הפער למשטח הסמוך לקבוע את האימפולס האופייני, ואת המבנה המוטבע מדכא ומדכאים באופן נרחב וקרינת רדיו משותפת.

PCB-Level Shields ו-EMI Cans

עבור חלקים רועשים במיוחד, כגון אספקת חשמל מעבר או מודול רדיו Wi-Fi, מגן ברמת PCB (לעתים נקרא EMI) יכול להיות נמכר ישירות אל הלוח.המגן מתחבר לקרקע דרך סנטימטר רציף של דרך.לאפקטיביות מקסימלית, המגן חייב להיות קשר חשמלי מוצק למטוס, לא רק כמה מישורים על פני פער של יותר מ λ2 יכול להיות ממוקם דרך מגן על פני 2 מ"מ.

חשוב גם לציין כי הגנה היא לא רק על המכילה פליטות ממקור, אלא גם הגנה על מעגלים רגישים מהתערבות חיצונית.ביישומים רפואיים ומכוניות, שבו אמינות היא קריטית, שילוב של מגינים ברמת ה- PCB ונקודות שמירה הוא נפוץ.

טיהור וכוח

יושרה כוח ו-EMI קשורים הדוק.כאשר רשת חלוקת החשמל (PDN) יש תנופה גבוהה בתדרים גבוהים, מתח קרוע והחלפת רעש מופיעים על מעקות החשמל.זוגות הרעשים האלה לתוך עקבות אותות אותות דרך נהגי I / O והוא קורנ יחד עם האות המיועד. פענוח נכון מבטיח כי PDN מציג אימפולס נמוך מ DC עד גבוה יותר של נזק הרמוני של עניין.

מקום Capacitor Capacitor Placement

יעילותו של capacitor decoupling תלויה כמעט לחלוטין על החדירה של לולאה החיבור שלה. A 100 nF capacitor שטח 2 ס"מ מהציון IC הוא כמעט חסר תועלת בתדרים מעל 50 MHz כי דרך ועקב אינדוקציה לשלוט.

  • הניחו את ה- capacitor קרוב ככל האפשר לכוח ה-IC ו pins הקרקע, באופן אידיאלי על אותה שכבה.
  • השתמש בגודל החבילה הקטן ביותר שיכול להתמודד עם דירוג הקיבולת והמתח הנדרש (0402 או 0201 חבילות יש פחות ערך סדרת ניכוי).
  • צור את ה- capacitor לעוצמה ולמטוסי קרקע עם השרידים הקצרים ביותר האפשריים ומספרים באמצעותם.שניים דרךים במקביל לשאיפת החדירה בהשוואה לסינגל באמצעות.

מטוס קרב מצופה

בתדרים גבוהים מאוד (מעל 500 MHz), אפילו את ה-pack הקטן ביותר לא יכול לספק מספיק מטען בגלל הזמן עיכוב שנקבע על ידי דיאלקטרי PCB.במשטר זה, את ה- capacitance בין כוח סמוך למטוסי קרקע - הידוע בשם מוטבעת או מופץ - הופך את מנגנון הדה-קופי הדומיננטי.

טכניקה זו נקראת לעתים "קפיאטנס קבור" ומשמשת בשרת מהיר ולוחות טלקום. הדיאלקטריות הדקות מגבירות את הציפוי בין כוכבי הלכת על ידי סדר גודל בהשוואה לערעור סטנדרטי, צמצום הצורך ב- disrete decoupling capacitors והורדת פליטות קורנות מ-PDN.

מקום ל-EMI Reduction

דיכוי EMI ברמה גבוהה של לייוט אינו רק על חסימה; מיקום רכיב יכול להגביר או להקטין את פליטות לפני שריד יחיד נמשך.

אנליזה משותפת, דיגיטלית ומחלקת חשמל

הכלל הראשון של מיקום הוא לבודד פיזית בלוקים פונקציונליים.מעגלים דיגיטליים מהירים (מעבדים, זיכרונות, ממשקי USB) לייצר החלפת רעש כי זוגות בקלות באמצעות מסילות חשמל משותפות ובאמצעות אספקת הכוח הניתוב.Switching מייצרת לולאות גדולות / קשקשים ושדות הפיכה מגנטיים. Analog amplifiers וחיישנים הם פגיעים באופן חדיר להפרעות אלה.

אינטגרציה ושעון

שעון מהיר אוריינט עקבות כך שהם קצרים ככל האפשר וממוקמים הרחק מן קצה הלוח. אותות שעון לא צריך להיות מקבילה I / O מחברים למרחק גדול יותר מאשר כמה מ"מ.אם שעון חייב לחצות מחבר, להשתמש במעבר הפיכה בצד ימין וכולל עקבות שמירה מעומק בין השעון לבין צירי המחבר.

ניהול תרמית ו-EMI

ניתוח עתיר גבוה מגביר הפסדים מנוגדים ויכול לשנות את המאפיינים החשמליים של חומרים דיאלקטריים, שינוי אימפולסיבית ופוטנציאל להחמיר את פליטות. פלט רכיבים בעוצמה גבוהה ליד קצה הלוח או באמצעות תרמי באמצעות רית דרך מטוס קירור חום ייעודי יכול לשמור על הטמפרטורה הכוללת של הלוח בטווח העיצוב. בעוד ניהול תרמי אינו ישירות טכניקת EMI, לוח יציב תרמי הוא לוח יציב יותר צפוי מבחינה אלקטרומגנטית.

שיטות מתקדמות ושיטות מתפתחות

מעבר לשיטות הקלאסיות, מספר טכניקות מתקדמות הפכו להיות נגישות הודות לכלי סימולציה משופרים וחומרי בעלות נמוכה יותר.

(FLT:0) ספדור Spectrum שעון ספקטרום 1 (FLT:1) - כמה מעבדים מודרניים כוללים גנרטורים שעון ספקטרום רחב אשר משנה את תדירות השעון באחוז קטן (0.5-2.5%) זה מפיץ את האנרגיה המוקרן על פני להקה תדר רחב יותר, צמצום פליטות שיא בכל נזקי נזק יחיד.

(FLT:0)Ferrite Beads ו- Common Mode ChokesFLT 1 - עבור הפליטות שבוצעו על כבלים, ferrite beads להציב את מחבר ה- PCB מדכא זרמי קידוד גבוה.עבור כבלים שונים כגון USB או Ethernet, נגני-מו-דה משותפים מספקים אפילו דחייה טובה יותר מבלי לגרוע את האותות השונים, רכיבים אלה הם קטנים וזולים אך דורשים בזהירות להתחבר לנקודת המוצא יעילה.

(FLT:0) חומרים לוסיים ו-AbsorbersveFLT:1) - במקרים קיצוניים, ניתן ליישם הסדינים דקים של חומר מגנטי חסר אובדן מבפנים של המתחם או ישירות על גבי מרכיבים רועשים. אלה קולטים להמיר אנרגיה אלקטרומגנטית לתוך חום והם שימושיים בטווח 1-10 GHz שבו מגן מסורתי הופך פחות יעיל בשל דליפה.

סקירה מקיפה של שיטות אלה זמינה בהנחיות פריסת PCB של 0.0Texas Instruments עבור EMIOVAFLT:1.

בדיקות Simulation and Pre-Compliance Testing

כל טכניקת הפריסה המתוארת במאמר זה ניתן לאמת עם סימולציה שדה אלקטרומגנטית. כלים כגון Ansys SIwave, Keysight ADS, או קוד פתוח פותרים כגון OpenEMS מאפשרים למהנדסים לעצב את ערימה הלוח, לעקוב אחר גיאומטריה, ואת המיקום רכיב כדי לחזות פליטות קורנות לפני הייצור. הפעלת סימולציה גלימה מלאה על שעון קריטי לוקח רק כמה דקות ויכול לחשוף בעיות שטח, שחזור, ובדיקה יקרה, כי ניתן למצוא בדיקות כי הם יקרות לאחר מכן יהיה רק בדיקות שלא יהיה רק לאחר מכן מתאים אחרת.

עבור צוותים ללא גישה ל-GPS , בדיקות טרום-ציות עם מנתח ספקטרום וחקירה ליד שדה היא אלטרנטיבה מעשית. על ידי הפעלת פני השטח של הלוח במהלך אבטיפוס להביא, מהנדסים יכולים לזהות כתמים חמים: מיקומים שבהם השדה האלקטרומגנטי amplitude הוא הגבוה ביותר. מיקומים חמים אלה לעתים קרובות מתאימים מזלי מטוסים קרקעיים, מגדם ללא הגבלת זמן, או decouptor כי הם שולחים בעיות גדולות מדי של בדיקות מעבדה.

מסקנה

הפחתת ההתערבות האלקטרומגנטית בפריסות דורש גישה שיטתית, מבוססת פיזיקה המשלבת תנופה מבוקרת, אות שונה, שלמות מטוס קרקע, הגנה ועיצוב חלוקת חשמל.כל טכניקה מתייחסת לדרך מסוימת הפיכה - השתקפות, המרה משותפת, לולאה, קרינה או רעש PDN - ואפקט המשולב שלהם יוצר לוח שאינו רק שקט יותר, אלא גם אמין וקל יותר לזייף.

בעוד תדרי המערכת ממשיכים לעלות ולהגבלות רגולטוריות הופכים מחמירים יותר, המהנדסים שמשקיעים במאסטר שיטות הפריסה הללו יספקו באופן עקבי מוצרים העוברים בדיקות תאימות במשרה ראשונה.המעבר מ-EMI תגובתי לפתרון עיצוב פריסה פרואקטיבית אינו רק תרגול טוב יותר; זהו צורך תחרותי.

לקריאה נוספת, ה- 0 (Electropages EMI/EMC PCB) מציעים נקודת מבט מעשית בתעשייה על יישום שיטות אלה בסביבות הייצור.