Στον σχεδιασμό PCB, η ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα (EMC) και οι σχετικές ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI) ήταν πάντα δύο σημαντικά προβλήματα που προκαλούσαν πονοκέφαλο στους μηχανικούς, ειδικά στη σημερινή σχεδίαση πλακέτας κυκλώματος και η συσκευασία των εξαρτημάτων συρρικνώνεται και οι OEM απαιτούν συστήματα υψηλότερης ταχύτητας Κατάσταση.
1. Η αλληλεπίδραση και η καλωδίωση είναι τα βασικά σημεία
Η καλωδίωση είναι ιδιαίτερα σημαντική για τη διασφάλιση της κανονικής ροής του ρεύματος. Εάν το ρεύμα προέρχεται από έναν ταλαντωτή ή άλλη παρόμοια συσκευή, είναι ιδιαίτερα σημαντικό να διατηρείται το ρεύμα χωριστά από το επίπεδο γείωσης ή να μην αφήνεται το ρεύμα να τρέχει παράλληλα με άλλο ίχνος. Δύο παράλληλα σήματα υψηλής ταχύτητας θα δημιουργήσουν EMC και EMI, ειδικά crosstalk. Η διαδρομή αντίστασης πρέπει να είναι η συντομότερη και η διαδρομή του ρεύματος επιστροφής πρέπει να είναι όσο το δυνατόν συντομότερη. Το μήκος του ίχνους διαδρομής επιστροφής πρέπει να είναι το ίδιο με το μήκος του ίχνους αποστολής.
Για την EMI, η μία ονομάζεται "καλωδίωση παραβίασης" και η άλλη "καλωδίωση με θύματα". Η σύζευξη της επαγωγής και της χωρητικότητας θα επηρεάσει το ίχνος του «θύματος» λόγω της παρουσίας ηλεκτρομαγνητικών πεδίων, δημιουργώντας έτσι ρεύματα προς τα εμπρός και προς τα πίσω στο «ίχνος του θύματος». Σε αυτή την περίπτωση, θα δημιουργηθούν κυματισμοί σε ένα σταθερό περιβάλλον όπου το μήκος μετάδοσης και το μήκος λήψης του σήματος είναι σχεδόν ίσα.
Σε ένα καλά ισορροπημένο και σταθερό περιβάλλον καλωδίωσης, τα επαγόμενα ρεύματα θα πρέπει να αλληλοεξουδετερώνονται για την εξάλειψη των παρεμβολών. Ωστόσο, βρισκόμαστε σε έναν ατελή κόσμο, και τέτοια πράγματα δεν θα συμβούν. Ως εκ τούτου, ο στόχος μας είναι να περιορίσουμε στο ελάχιστο τη συζήτηση όλων των ιχνών. Εάν το πλάτος μεταξύ των παράλληλων γραμμών είναι διπλάσιο από το πλάτος των γραμμών, η επίδραση της αλληλεπίδρασης μπορεί να ελαχιστοποιηθεί. Για παράδειγμα, εάν το πλάτος του ίχνους είναι 5 mils, η ελάχιστη απόσταση μεταξύ δύο παράλληλων ιχνών πορείας θα πρέπει να είναι 10 mils ή περισσότερο.
Καθώς συνεχίζουν να εμφανίζονται νέα υλικά και νέα εξαρτήματα, οι σχεδιαστές PCB πρέπει να συνεχίσουν να ασχολούνται με ζητήματα ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας και παρεμβολών.
2. Πυκνωτής αποσύνδεσης
Η αποσύνδεση των πυκνωτών μπορεί να μειώσει τις αρνητικές επιπτώσεις της αλληλεπίδρασης. Θα πρέπει να βρίσκονται μεταξύ της ακίδας τροφοδοσίας ρεύματος και της ακίδας γείωσης της συσκευής για να εξασφαλίζεται χαμηλή αντίσταση AC και να μειώνεται ο θόρυβος και η παρεμβολή. Για να επιτευχθεί χαμηλή σύνθετη αντίσταση σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων, θα πρέπει να χρησιμοποιούνται πολλαπλοί πυκνωτές αποσύνδεσης.
Μια σημαντική αρχή για την τοποθέτηση πυκνωτών αποσύνδεσης είναι ότι ο πυκνωτής με τη μικρότερη τιμή χωρητικότητας πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στη συσκευή για να μειωθεί η επίδραση της επαγωγής στο ίχνος. Ο συγκεκριμένος πυκνωτής είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στον ακροδέκτη τροφοδοσίας ή στο ίχνος ισχύος της συσκευής και συνδέστε το μαξιλαράκι του πυκνωτή απευθείας στο επίπεδο via ή γείωσης. Εάν το ίχνος είναι μακρύ, χρησιμοποιήστε πολλαπλές διόδους για να ελαχιστοποιήσετε την αντίσταση γείωσης.
3. Γειώστε το PCB
Ένας σημαντικός τρόπος μείωσης του EMI είναι ο σχεδιασμός του επιπέδου γείωσης PCB. Το πρώτο βήμα είναι να κάνετε την περιοχή γείωσης όσο το δυνατόν μεγαλύτερη εντός της συνολικής επιφάνειας της πλακέτας κυκλώματος PCB, η οποία μπορεί να μειώσει τις εκπομπές, τις παρεμβολές και τον θόρυβο. Πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή κατά τη σύνδεση κάθε στοιχείου στο σημείο γείωσης ή στο επίπεδο γείωσης. Εάν αυτό δεν γίνει, το εξουδετερωτικό αποτέλεσμα ενός αξιόπιστου επιπέδου εδάφους δεν θα χρησιμοποιηθεί πλήρως.
Ένας ιδιαίτερα πολύπλοκος σχεδιασμός PCB έχει αρκετές σταθερές τάσεις. Στην ιδανική περίπτωση, κάθε τάση αναφοράς έχει το δικό της αντίστοιχο επίπεδο γείωσης. Ωστόσο, εάν το στρώμα εδάφους είναι πολύ, θα αυξήσει το κόστος κατασκευής του PCB και θα κάνει την τιμή πολύ υψηλή. Ο συμβιβασμός είναι να χρησιμοποιηθούν επίπεδα γείωσης σε τρεις έως πέντε διαφορετικές θέσεις και κάθε επίπεδο γείωσης μπορεί να περιέχει πολλά μέρη γείωσης. Αυτό όχι μόνο ελέγχει το κόστος κατασκευής της πλακέτας κυκλώματος, αλλά μειώνει επίσης το EMI και το EMC.
Εάν θέλετε να ελαχιστοποιήσετε το EMC, ένα σύστημα γείωσης χαμηλής αντίστασης είναι πολύ σημαντικό. Σε ένα πολυεπίπεδο PCB, είναι καλύτερο να έχετε ένα αξιόπιστο επίπεδο γείωσης, αντί για ένα επίπεδο κλοπής χαλκού ή διάσπαρτο επίπεδο γείωσης, επειδή έχει χαμηλή σύνθετη αντίσταση, μπορεί να παρέχει μια διαδρομή ρεύματος, είναι η καλύτερη πηγή αντίστροφου σήματος .
Το χρονικό διάστημα που το σήμα επιστρέφει στο έδαφος είναι επίσης πολύ σημαντικό. Ο χρόνος μεταξύ του σήματος και της πηγής σήματος πρέπει να είναι ίσος, διαφορετικά θα δημιουργήσει ένα φαινόμενο που μοιάζει με κεραία, καθιστώντας την ακτινοβολούμενη ενέργεια μέρος του EMI. Ομοίως, τα ίχνη που μεταδίδουν ρεύμα προς/από την πηγή σήματος πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο σύντομα. Εάν το μήκος της διαδρομής πηγής και της διαδρομής επιστροφής δεν είναι ίσα, θα συμβεί αναπήδηση στο έδαφος, η οποία θα δημιουργήσει επίσης EMI.
4. Αποφύγετε τη γωνία 90°
Προκειμένου να μειώσετε το EMI, αποφύγετε την καλωδίωση, τις μεμβράνες και άλλα εξαρτήματα να σχηματίζουν γωνία 90°, γιατί οι ορθές γωνίες θα δημιουργήσουν ακτινοβολία. Σε αυτή τη γωνία, η χωρητικότητα θα αυξηθεί και η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση θα αλλάξει επίσης, οδηγώντας σε ανακλάσεις και στη συνέχεια EMI. Για να αποφευχθούν γωνίες 90°, τα ίχνη πρέπει να δρομολογούνται στις γωνίες τουλάχιστον σε δύο γωνίες 45°.
5. Χρησιμοποιήστε τα vias με προσοχή
Σχεδόν σε όλες τις διατάξεις PCB, πρέπει να χρησιμοποιούνται vias για την παροχή αγώγιμων συνδέσεων μεταξύ διαφορετικών στρωμάτων. Οι μηχανικοί διάταξης PCB πρέπει να είναι ιδιαίτερα προσεκτικοί γιατί οι vias θα δημιουργήσουν επαγωγή και χωρητικότητα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, θα παράγουν επίσης αντανακλάσεις, επειδή η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση θα αλλάξει όταν γίνει μια διέλευση στο ίχνος.
Θυμηθείτε επίσης ότι οι vias θα αυξήσουν το μήκος του ίχνους και θα πρέπει να αντιστοιχιστούν. Εάν πρόκειται για διαφορικό ίχνος, οι διόδους θα πρέπει να αποφεύγονται όσο το δυνατόν περισσότερο. Εάν δεν μπορεί να αποφευχθεί, χρησιμοποιήστε vias και στα δύο ίχνη για να αντισταθμίσετε τις καθυστερήσεις στη διαδρομή σήματος και επιστροφής.
6. Καλώδιο και φυσική θωράκιση
Τα καλώδια που μεταφέρουν ψηφιακά κυκλώματα και αναλογικά ρεύματα θα δημιουργήσουν παρασιτική χωρητικότητα και επαγωγή, προκαλώντας πολλά προβλήματα που σχετίζονται με την ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα. Εάν χρησιμοποιηθεί καλώδιο συνεστραμμένου ζεύγους, η στάθμη ζεύξης θα παραμείνει χαμηλή και το παραγόμενο μαγνητικό πεδίο θα εξαλειφθεί. Για σήματα υψηλής συχνότητας, πρέπει να χρησιμοποιείται ένα θωρακισμένο καλώδιο και το μπροστινό και το πίσω μέρος του καλωδίου πρέπει να είναι γειωμένα για την εξάλειψη των παρεμβολών EMI.
Η φυσική θωράκιση είναι να τυλίξετε ολόκληρο ή μέρος του συστήματος με μια μεταλλική συσκευασία για να αποτρέψετε την είσοδο EMI στο κύκλωμα PCB. Αυτό το είδος θωράκισης μοιάζει με ένα κλειστό γειωμένο αγώγιμο δοχείο, το οποίο μειώνει το μέγεθος του βρόχου της κεραίας και απορροφά το EMI.