Piirilevysuunnittelussa sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) ja siihen liittyvät sähkömagneettiset häiriöt (EMI) ovat aina olleet kaksi suurta ongelmaa, jotka ovat aiheuttaneet insinööreille päänsärkyä, erityisesti nykypäivän piirilevyjen suunnittelu ja komponenttien pakkaukset kutistuvat, ja OEM-valmistajat vaativat nopeampia järjestelmiä.
1. Ylikuuluminen ja johdotus ovat avainkohtia
Johdotus on erityisen tärkeä normaalin virrankulun varmistamiseksi. Jos virta tulee oskillaattorista tai muusta vastaavasta laitteesta, on erityisen tärkeää pitää virta erillään maatasosta tai olla antamatta virran kulkea rinnakkain toisen jäljen kanssa. Kaksi rinnakkaista nopeaa signaalia synnyttävät EMC:n ja EMI:n, erityisesti ylikuulumisen. Resistanssipolun on oltava lyhin ja paluuvirran polun on oltava mahdollisimman lyhyt. Paluupolun jäljen pituuden tulee olla sama kuin lähetysjäljen pituus.
EMI:lle toista kutsutaan "loukkaukseksi johdotukseksi" ja toista "uhriksi joutuneeksi johdotukseksi". Induktanssin ja kapasitanssin kytkentä vaikuttaa "uhrin" jäljitykseen sähkömagneettisten kenttien läsnäolon vuoksi, mikä synnyttää eteenpäin ja taaksepäin virtoja "uhrijäljissä". Tässä tapauksessa väreilyä syntyy vakaassa ympäristössä, jossa signaalin lähetys- ja vastaanottopituus ovat lähes samat.
Hyvin tasapainotetussa ja vakaassa johdotusympäristössä indusoituneiden virtojen tulisi kumota toisensa ylikuulumisen välttämiseksi. Olemme kuitenkin epätäydellisessä maailmassa, eikä sellaisia tapahdu. Siksi tavoitteemme on pitää kaikkien jälkien ylikuuluminen minimissä. Jos rinnakkaisten viivojen välinen leveys on kaksi kertaa viivojen leveys, ylikuulumisen vaikutus voidaan minimoida. Jos jäljen leveys on esimerkiksi 5 mailia, kahden rinnakkaisen juoksuviivan välisen vähimmäisetäisyyden tulee olla vähintään 10 mailia.
Kun uusia materiaaleja ja uusia komponentteja ilmaantuu jatkuvasti, piirilevysuunnittelijoiden on jatkettava sähkömagneettisen yhteensopivuuden ja häiriöongelmien käsittelyä.
2. Irrotuskondensaattori
Kondensaattorien irrottaminen voi vähentää ylikuulumisen haitallisia vaikutuksia. Ne tulee sijoittaa laitteen virtalähteen nastan ja maadoitusnastan väliin, jotta varmistetaan alhainen vaihtovirtaimpedanssi ja vähennetään melua ja ylikuulumista. Pienen impedanssin saavuttamiseksi laajalla taajuusalueella tulisi käyttää useita erotuskondensaattoreita.
Tärkeä periaate irrotuskondensaattorien sijoittamisessa on, että pienimmän kapasitanssiarvon omaavan kondensaattorin tulee olla mahdollisimman lähellä laitetta, jotta induktanssivaikutus jälkiin vähenee. Tämä tietty kondensaattori on mahdollisimman lähellä laitteen virtanastaa tai virtaviivaa ja kytke kondensaattorin tyyny suoraan kautta- tai maatasoon. Jos jälki on pitkä, käytä useita läpivientejä maadoitusimpedanssin minimoimiseksi.
3. Maadoita piirilevy
Tärkeä tapa vähentää EMI:tä on suunnitella piirilevyn maataso. Ensimmäinen askel on tehdä maadoitusalueesta mahdollisimman suuri piirilevyn kokonaispinta-alalla, mikä voi vähentää päästöjä, ylikuulumista ja melua. Erityistä varovaisuutta on noudatettava liitettäessä jokainen komponentti maadoituspisteeseen tai maatasoon. Jos näin ei tehdä, luotettavan maatason neutraloivaa vaikutusta ei hyödynnetä täysin.
Erityisen monimutkaisessa piirilevyrakenteessa on useita vakaita jännitteitä. Ihannetapauksessa jokaisella vertailujännitteellä on oma vastaava maataso. Kuitenkin, jos pohjakerros on liikaa, se lisää piirilevyn valmistuskustannuksia ja tekee hinnasta liian korkean. Kompromissi on käyttää maatasoja kolmesta viiteen eri asentoon, ja jokainen maataso voi sisältää useita maadoitusosia. Tämä ei ainoastaan hallitse piirilevyn valmistuskustannuksia, vaan myös vähentää EMI:tä ja EMC:tä.
Jos haluat minimoida EMC:n, matalaimpedanssinen maadoitusjärjestelmä on erittäin tärkeä. Monikerroksisessa piirilevyssä on parasta olla luotettava maataso kuparivarkaiden tai hajallaan olevan maatason sijaan, koska sillä on alhainen impedanssi, se voi tarjota virtapolun, on paras käänteisen signaalin lähde.
Aika, jonka signaali palaa maahan, on myös erittäin tärkeä. Signaalin ja signaalilähteen välisen ajan tulee olla yhtä suuri, muuten se aiheuttaa antennimaisen ilmiön, jolloin säteilevä energia tulee osaksi EMI:tä. Samoin jälkien, jotka lähettävät virtaa signaalilähteeseen/signaalilähteestä, tulee olla mahdollisimman lyhyitä. Jos lähdepolun ja paluupolun pituus eivät ole samat, tapahtuu maan pomppimista, mikä myös synnyttää EMI:n.
4. Vältä 90° kulmaa
EMI:n vähentämiseksi vältä johdotuksia, läpivientejä ja muita komponentteja muodostamasta 90° kulmaa, koska suorat kulmat synnyttävät säteilyä. Tässä kulmassa kapasitanssi kasvaa, ja myös ominaisimpedanssi muuttuu, mikä johtaa heijastuksiin ja sitten EMI: hen. 90° kulmien välttämiseksi jälkiä tulee reitittää kulmiin vähintään kahdessa 45° kulmassa.
5. Käytä viasia varoen
Lähes kaikissa piirilevyasetteluissa on käytettävä läpivientiä johtavien yhteyksien aikaansaamiseksi eri kerrosten välillä. Piirilevyjen asetteluinsinöörien on oltava erityisen varovaisia, koska läpiviennit synnyttävät induktanssia ja kapasitanssia. Joissain tapauksissa ne tuottavat myös heijastuksia, koska ominaisimpedanssi muuttuu, kun jäljitykseen tehdään läpivienti.
Muista myös, että viat pidentävät jäljen pituutta ja ne on sovitettava. Jos kyseessä on differentiaalinen jälki, läpivientejä tulee välttää niin paljon kuin mahdollista. Jos sitä ei voida välttää, käytä läpivientiä molemmissa jäljissä signaalin ja paluutien viiveiden kompensoimiseksi.
6. Kaapeli ja fyysinen suojaus
Digitaalisia piirejä ja analogisia virtoja kuljettavat kaapelit synnyttävät loiskapasitanssia ja induktanssia, mikä aiheuttaa monia EMC-ongelmia. Jos käytetään kierrettyä parikaapelia, kytkentätaso pidetään alhaisena ja syntyvä magneettikenttä eliminoituu. Korkeataajuisille signaaleille on käytettävä suojattua kaapelia, ja kaapelin etu- ja takaosa on maadoitettava EMI-häiriöiden poistamiseksi.
Fyysinen suojaus on kääriä koko järjestelmä tai osa siitä metallipakkauksella estämään EMI:n pääsy piirilevypiiriin. Tällainen suojaus on kuin suljettu maadoitettu johtava säiliö, joka pienentää antennisilmukan kokoa ja vaimentaa EMI:tä.