EMC'yi Miniaturization'in Context of Miniaturization

Elektromanyetik Uyumluluk (EMC), elektronik cihazların, doğrulanmamış müdahaleye veya ondan muzdarip elektromanyetik ortamda çalışabileceğinin sağlanması disiplinidir.Küçük form faktörü cihazlar için -örneğin, IoT sensörleri, tıbbi implantlar ve kompakt tüketici elektronik - en az fiziksel alan sık sık sık kuvvetlendiricileri, izler ve antenler yakın bir şekilde uygulamaktadır.

EMC iki ana yönü içerir: [[Üyetimler:0)[Döneticiler[Döneticiler) ve CE (Kanada) hem de maliyetli bir şekilde yeniden tasarlanmama izin vermemektedir. (Dörtücüler için) Cihazın dış elektromanyetik cihazların varlığında doğru şekilde çalışabilme yeteneği, ancak hata için marj küçük bir uyumsuzdur.

Bu makale orijinal makaleden temel ipuçlarına genişletir - hem yüksek performanslı hem de EMC-compliant olan küçük formlar tasarlamak için kapsamlı bir oyun kitabına sahip olacaktır.

Temel Prensipler: Ring Area, Grounding, Shielding ve Filtreleme

1.Apolasyon Alanları – Temel Anten Kuralı

Her mevcut araç döngüsü bir döngü anteni olarak hareket eder. manyetik alan, bir döngüden gelene kadar hızlanır ve frekansın karesi. Küçük form faktörü tasarımları, herhangi bir döngü için mevcut alan zaten sınırlı, ancak bakımsız routing, mevcut yolların yukarı doğru yollara göre büyük döngüler oluşturabilir. Örneğin, yüksek sinyalli bir iz, zeminin kenar tarafındayken, zemin düzlemi farklı bir tabakada, belirli bir döngü alanı küçük olmasına rağmen önemli hale gelebilir.

döngü alanları en aza indirmek için:

  • [FONT:0]Place decoupling cleors, IC güç pins'e mümkün olduğunca yakın olmalıdır). cleor tarafından oluşturulan döngü, IC ve PCB izlerinin mümkün olan en küçük olması gerekir.
  • [FONT:0)Route yüksek frekanslı sinyalleri geri dönüş yolunda doğrudan [DDDDDDDD:0) Mikrostrip veya striptiz teknikleri kullanın. Çok katmanlı tahtalarda, her sinyal katmanının sürekli bir zemin uçağa bitişik olması sağlayın (no slotlar veya bölünmüşler).
  • [FONT:0]Bir parça parça parça parça parça parça parça parça parça parça parçalandığında, köprüler veya opto çiftleri kullanın.
  • [FONT:0) Zemin uçaklarının kenarlarında dikme yoluyla kullanılır ve zemini azaltıp daha da küçültülen alanı azaltmak için hassas alanlardan oluşur.

İyi bir baş kuralı: Güç dağıtım ağının döngü alanı (PDN) en yüksek harmonik frekansın dalga dalga dalga dalga dalga dalga dalga dalga dalga dalga boyundan 1/20'den daha az olmalıdır. 100 MHz saat boyunca, bu yüzden dalga 15 cm'den daha küçük olmalıdır - ama pratikte, çok daha az amaçlıyız.

2. Proper Grounding Techniques – Two Main Strategies

Grounding EMC'nin arka kemiğidir. İki ortak yaklaşım var: [[Dönetici:0] Düşük indük ve sağlam bir referans uçağı sağlar.

  • [FONT:0) Tek nokta zeminleme[Dönetici] düşük frekanslı devreler için iyi çalışır (daha düşük 1 MHz). Tüm zemin izleri tek bir fiziksel noktada bir araya gelir, zemin döngülerinden kaçınır. Ancak, daha yüksek frekanslarda, bu uzun izlerinin endüklemesi sorunlu hale gelir.
  • [FONT:0) Çok noktalı zemin[Dönetici], yüksek frekanslarda birden fazla bağlantı ile sürekli bir zemin uçağı kullanır. Bu, karma tasarımlar için hem analog hem de dijital bölümlerle ilgili tasarımlar için, zemin düzlemi fiziksel olarak bölmek için, iki parça tek bir noktada (ADC altında) dijital gürültü kirliliğine karşı çıkan analog devreleri önlemek için.
  • [FONT:0) Asla yüz yüzen zemin[[Dönemli bir zemin segmenti bir anten olarak hareket eder. Her netin tanımlı DC geri dönüşü yolu olması gerekir.
  • [FONT:0)Yere zemine dikkat edin[[Dönder: 1 ). Her bir tanesi, kritik IC'ler için, zemin pedten toplam indükleme azaltmak için birden paralel olarak çoklu paralel kullanımlar kullanın.

Ek olarak, üst tabakanın bir zemin dökmesi durumunda, her birkaç milimetrenin onu sağlam olup olmadığını korumasını sağlayabilir.

3. Shielding – Daha Fazla Metal Kutu

Metal bir kanal kaplaması, hassas RF bölümleri veya saat osilatörlerden emisyonları bastırmak için genellikle gereklidir. Ancak, kalkanlama kasıtlı olarak tasarlanmalıdır.

  • [FONT:0) Doğru malzemeyi (Döneticileri için (düşük frekans), çelik veya mu-metal gereklidir; elektrik alanları için (yüksek frekans), bakır veya alüminyum iyi çalışır.
  • [FONT:0) Ortam uzunluğuna dikkat edin[[Dönemli:0) Bir slot anteni olarak kalkan eylemlerinde herhangi bir aperture veya denizm. slotın uzunluğu endişe frekansında ⁇ /20'den daha az olmalıdır. 2.4 GHz Wi-Fi sinyali için, slotlar 6.25 mm'den daha kısa olmalıdır.
  • [FONT:0)İyi elektrik iletişimini sağlamak[Dönetici:0)[Dönetici:0)) İyi elektrik iletişimini sağlamak[Dönetici: 1 ). Koruyucu ve PCB zemin uçağı arasında sinyalli gaz bombası kullanın.
  • [FONT:0)Shielding, PCB düzeni aracılığıyla da elde edilebilir[DÜT:1) - koruyucu izler, ko-planar dalga kılavuzları ve gömülü kapasitans katmanları, kendi içinde bir kalkan derecesi sağlar.

Aşırı miniaturizasyon için, sans:0)package-on-package (PoP) yığınlama[[Döneticileri değiştirebileceğiniz yerde, kalkanın modüle entegre edilebilir.Birçok sistem-kırıklama (SiP) çözümü iç EMC kalkanları içerir.

4. Filtreleme ve Suppression - Decoupling Art of Decoupling

Gürültü çiftleri hem güç hatlarıyla hem de doğrudan uzay yoluyla. Filtreler bu yolları kırmak için gereklidir. Anahtar bileşenleri:

  • [FONT:0)Decoupling kapasitetörler[[Dönetici: Bir dizi değer kullanın (örneğin, 10 μF artı 0.1 μF artı 100 pF) farklı frekans aralıklarını kapsayacak şekilde en küçük değeri üst düzeye yerleştirin.
  • [FONT:0]Ferrite beads[[Dönetici: Yüksek frekanslarda direnenler olarak hareket ederler.Onlar, yüksek frekanslı gürültüyü bastırmak için güç hatlarıyla seriler. Ama dikkat edin: ferrite beads DC'nin altında oturabilir - her zaman el ele tutuşu kontrol edin.
  • [FONT=0]Common-mode chokes[Döntgen: Temel olarak, diferansiyel sinyal çiftleri (USB, HDMI, Ethernet) diferansiyel sinyalden bağımsız olarak ortak mod gürültüsü bastırdılar.
  • [FONT:0]Bulk kapasitörler[[Dönetici: Geçici akımlar için enerji sağlayın. Küçük tahtalarda, düşük hacimli veya seramik kapasitörler güç konektörleri yakınında kullanın.
  • [FONT=0]RC snubbers[[Dönetici: Değiştirilmiş düğümler için (DC dönüştürücüler), zemine giden bir seri direnişçi-kapılı ringing.

Filtreleme gürültü spektrumuna uygun olmalıdır. Yakın bir alana yakın bir radyo ile taramalar yapmak için, sonra filtrenin uygun şekilde kesmesini seçin.

Küçük Form Faktör Cihazları için Gelişmiş Tasarım

PCB Stackup ve Katman Arrangement

Bir miniaturized tasarımda, her katman önemlidir. Tipik dört katmanlı bir yığın (Signal-Ground-Power-Signal) genellikle iyi EMC için en az.

  • [FONT:0)Layer 1 (Top)): Bileşenler ve kritik sinyaller.
  • [0]Layer 2[Döntgen: Katı zemin uçağı (no bölünmüşler).
  • [FONT:0)Layer 3): Birden fazla gerilimle güç uçağı veya karışık imzalı başka bir zemin uçağı.
  • [0]Layer 4[DÜT:1]: Ek güç veya sinyal routing.
  • [FONT:0)Bottom tabakası[[[DÜT:1]: Signal ve bileşenler.

Sinyal tabakası ve bitişik zemin uçağı arasındaki spat tutun (0.10 100 μm) döngü alanını azaltmak ve engelleyici birçok PCB üreticileri, katmanlar arasında 0.2 mm çekirdeği üretebilir.UseENFLT:0)Imbedded kapasitance).

Bitirme ve Routing Strateji

Sınırlı yönetim alanı ile, bileşen yerleştirme bir bulmaca haline gelir.Öncelik:

  • [FONT:0) Yüksek hızlı ve saat devreleri[Dönetici: 1 ) ilk olarak, panjurlar ve kenarlardan uzak, kaçınılmaz olarak, koruyucu izlerini ve zemini kullanarak kullanın.
  • [FONT:0]I/O konektörleri[Dönder: 1) bir kenar boyunca yerleştirilen, tüm filtreleme ve ESD koruma bileşenleri ile bağlantıda.
  • [FONT:0)Analog ve dijital bölümler[[Dönetici: 1 ) fiziksel olarak ve bir moat (göçücük düzlemde) gerekirse, analog izlerini kısa ve doğrudan tut.
  • [FONT:0)Power düzenleyiciler[Döneticileri, yüke yakın, düzenleyici, inductor ve çıktı kapasitör arasında en az döngü ile.
  • [FONT:0]Decoupling kapasitetörler[Dönetici: 1 ) tam olarak güç pinlerinde – hiçbir baraj-zincir.

Routing itself must avoid stopities: no 90° köşeleri ( 45° veya yaylar) tutarlı iz genişlikleri ve stubs kaçınılması. UseurFLT:0) Uzun bir eşleme) ortak nokta reddedilmesi için diferansiyel çiftler için.

Cramped Board üzerinde Crosstalk Yönetimi

İzler yakın spacing, kapasitif ve indüktif haçtalk meydana geldiğinde: To mitigate:

  • [FONT:0) İncrease spacing[[[Dönetici ve kurban izlerinin arasında]. Kural olarak, devam etmek >= 3× iz genişliği.
  • [FONT:0]Insert zemin izlerini [[Dönetici:0] hassas ağlar (örneğin, analog giriş ve dijital saat).
  • [FONT:0) Önerilen zemin katmanları ile yığınlama sinyal tabakalarını izole etmek için.
  • [FONT=0)Limit paralel koşu uzunluğu[Dönetici: 1 ) - veya daha sağlam olan yüksek hızlı arayüzler için diferansiyel yönlendirme kullanın.
  • [0]Reduce yükselme/harma süreleri[Dönemli:0) Mümkün olan sinyallerin (kesinlik direncinin yavaş kenarlara yol açabilir).

Test ve Geçerlilik - Proaktif ve Iterative

EMC testi bir zaman kapısı değildir. Küçük form faktörü cihazlar için, yakın alan probları ile erken test tam bir uyum testi öncesinde sıcak noktaları ortaya çıkarabilir. önerilen araçlar:

  • [FONT:0]Near-field Prodüksiyon seti[[Dönetici ve E-field Prodüksiyonları) bir spektrum analizciye bağlı olarak kurulun tarama noktaları (istörnekler, konektörler, güç izlerini)
  • [FONT:0)Öyletim odası[[Dönemli emisyonlar için bir GTEM hücresi veya birkaç yüz dolara yarı günlük bir sözleşme laboratuvarı sunuyor.
  • [FONT=0)LISN (Line Impedance Stabilization Network)[Dönetici Stabilizasyon Ağı)[Döntgenlik Ağı)[Döntgenge:0) güç hatlarında emisyonlar yapılması için.

Test adımları:

  1. [FONT:0) Güç ve temel[[[Dönetici: herhangi bir filtre veya kalkan olmadan emisyon ölçül.
  2. [FONT:0]Identify baskın zirveleri): kaynağı bulmak için yakın saha araştırmalarını kullanın.
  3. [FONT:0][[[Dönemli): ferrite beads, değişim kapasitör değerleri, kalkanlama ve yeniden ölçül.
  4. [FONT:0) Tam uyumluluk testi[[Dön 1: 1): Bir kez ön-kompliance geçer, sertifikalı bir laboratuvara gönder.

EMC'nin sistem seviyesinde olduğunu unutmayın.The Sutherland, kablolar ve yakın cihazlar sonuçta etkiler.ETHFLT:0)Also test bağışıklık) (ESD, radiated susceptability, done multivitamin).

Düzenleme Standartları ve Dokümantasyon

Hedef pazarınız için belirli sınırları anlamak önemlidir:

  • [FONT:0)FCC Bölüm 15[Dönetici:0) [USA) - radiated ve sınırsız radyatörler için sınırları yürütmek. Sınıf A (endüstriyel) ve B Sınıfı (residential) sınırları. Small tüketici elektronikleri B Sınıfı ile tanışmalıdır (stricter).
  • [FONT:0] 55032 / EN 55035 (EU) – PSP ile eşdeğer ama ölçüm metodolojisinde bazı farklılıklarla.
  • [FONT=0)IEC 60601-1-2 [Dönerli bağışıklık gereksinimleri içerir.
  • [FONT:0)Automotive EMC) (CISPR 25) – araçlardaki hassas alıcılar nedeniyle çok daha sıkı sınırlar.

Tüm tasarım kararları, test sonuçları ve mitigation adımları. İyi bakımlı bir EMC kontrol planı sertifikasyonu hızlandırıyor ve gelecekteki revizyonlara yardımcı oluyor.

Pratik Vaka Çalışması: Bir Compact IoT Sensör Node

Bir ESP32 ile birlikte bataryaya dayalı sensör göz atın, bir hızlayıcı ve bir LoRa radyo. Kurul 30 mm × 40 mm. İlk prototip 80 MHz (ESP32 temel) ve 240 MHz (harmonik) aşırı emisyonlar vardı.

  • ESP32 güç pin'de 100 pF kapasiteli 10 nF kapasiteli veya pin'in 2 mm'si içinde yer aldı.
  • PCB yığınını 2 kattan 4 kata değiştirdi, özel bir zemin uçağı ekledi.
  • Küçük bir ferrite bead (BLM18AG121) batarya güç girişi üzerinde kullanılır.
  • LoRa modülü önceden yapılmış bir EMI kalkanı ile birlikte, modül alanında satılmış olabilir.
  • ESP32'nin ekran aracılığıyla saati azalttı (daha düşük sürücü gücü ayarı kullanın).

Bu değişikliklerden sonra, radiated emisyonları 6 dB marjı ile B sınırının altında kaldı. toplam ek maliyet birim başına 0,015 $ 'dan daha azdı.

Deeper Learning için Dış Kaynaklar

EMC tasarım becerilerini daha da geliştirmek için, bu yazara dayalı kaynaklara atıfta bulun:

  • [FONT=0)FCC EMC Page [[Dönetici: 1) resmi sınırlar ve test prosedürleri.
  • [FONT:0)Texas Instruments – PCB Layout için EMC Design Kılavuzları[[Dönemli: 1) pratik uygulama notları.
  • [FONT:0)Analog Cihazları – EMC ve PCB Layout Sanatı).
  • [FONT=0)EMC Standartları Rehber[[Dönetici: 1 ) - küresel EMC standartlarının kapsamlı bir listesi.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Nett için küçük form faktörü cihazların tasarımı hem bir meydan okuma hem de bir fırsattır. Temel ilkeleri uygulayarak - doğru zemin uygulamak, koruyuculama judiciously kullanarak ve kaynakta gürültü filtrelemek -mühendisler bu makalede belirtilen stratejilerin ayrılmaz bir parçası ile, dikkatli bir şekilde entegre edilmiş, dinamik olarak test etmek ve daha fazla test etmek için daha uyumlu bir şekilde, daha tutarlı bir şekilde test etmek için son bir adım olduğunu unutmayın.Bu makalede belirtilen tümleşik bir şekilde, güvenilir bir şekilde gelişmiş, güvenilir bir şekilde gelişmiş ürünler geliştirebilirsiniz.