PCB projektavimo srityje elektromagnetinis suderinamumas (EMS) ir susiję elektromagnetiniai trukdžiai (EMI) visada buvo dvi pagrindinės problemos, sukėlusios inžinieriams galvos skausmą, ypač šiandienos grandinės plokščių dizainas ir komponentų pakuotės mažėja, o originalios įrangos gamintojams reikalingos didesnės spartos sistemos.
1. Skerspjūvis ir laidai yra pagrindiniai dalykai
Laidai yra ypač svarbūs norint užtikrinti normalų srovės srautą. Jei srovė ateina iš osciliatoriaus ar kito panašaus įtaiso, ypač svarbu srovę laikyti atskirai nuo įžeminimo plokštumos arba neleisti srovei tekėti lygiagrečiai kitam pėdsakui. Du lygiagrečiai didelės spartos signalai generuos EMC ir EMI, ypač skersinį. Atsparumo kelias turi būti trumpiausias, o grįžtamosios srovės kelias turi būti kuo trumpesnis. Grįžimo kelio sekimo ilgis turi būti toks pat kaip siuntimo pėdsako ilgis.
EMI atveju vienas vadinamas „pažeistas laidais“, o kitas – „nukentėjęs laidas“. Induktyvumo ir talpos sujungimas paveiks „aukos“ pėdsaką dėl elektromagnetinių laukų, taip sukurdamas „aukos pėdsaką“ į priekį ir atgal sroves. Tokiu atveju bangavimas bus generuojamas stabilioje aplinkoje, kurioje signalo perdavimo ilgis ir priėmimo ilgis yra beveik vienodi.
Gerai subalansuotoje ir stabilioje laidų aplinkoje indukuotos srovės turėtų viena kitą panaikinti, kad būtų išvengta skersinio pokalbio. Tačiau mes esame netobulame pasaulyje, ir tokių dalykų nebus. Todėl mūsų tikslas – sumažinti visų pėdsakų skerspjūvį iki minimumo. Jei plotis tarp lygiagrečių linijų yra dvigubai didesnis už linijų plotį, skersinio pokalbio poveikis gali būti sumažintas. Pavyzdžiui, jei pėdsako plotis yra 5 mylios, mažiausias atstumas tarp dviejų lygiagrečių bėgimo pėdsakų turi būti 10 mylių ar daugiau.
Kadangi ir toliau atsiranda naujų medžiagų ir naujų komponentų, PCB dizaineriai turi ir toliau spręsti elektromagnetinio suderinamumo ir trikdžių problemas.
2. Atjungimo kondensatorius
Kondensatorių atjungimas gali sumažinti neigiamą perjungimo poveikį. Jie turi būti tarp maitinimo šaltinio kaiščio ir įrenginio įžeminimo kaiščio, kad būtų užtikrinta maža kintamosios srovės varža ir sumažintas triukšmas bei skerspjūvis. Norint pasiekti mažą varžą plačiame dažnių diapazone, reikia naudoti kelis atjungiamuosius kondensatorius.
Svarbus atjungimo kondensatorių išdėstymo principas yra tas, kad kondensatorius, kurio talpa yra mažiausia, turėtų būti kuo arčiau įrenginio, kad būtų sumažintas induktyvumo poveikis pėdsakams. Šis konkretus kondensatorius yra kuo arčiau įrenginio maitinimo kaiščio arba galios pėdsako ir kondensatoriaus trinkelę prijunkite tiesiai prie perėjimo arba įžeminimo plokštės. Jei pėdsakas yra ilgas, naudokite kelias angas, kad sumažintumėte įžeminimo varžą.
3. Įžeminkite PCB
Svarbus būdas sumažinti EMI yra suprojektuoti PCB įžeminimo plokštę. Pirmasis žingsnis yra padaryti kuo didesnį įžeminimo plotą bendrame PCB plokštės plote, o tai gali sumažinti emisiją, skersinį pokalbį ir triukšmą. Jungiant kiekvieną komponentą prie įžeminimo taško arba įžeminimo plokštės, reikia būti ypač atsargiems. Jei tai nebus padaryta, patikimos įžeminimo plokštumos neutralizuojantis poveikis nebus visiškai išnaudotas.
Ypač sudėtinga PCB konstrukcija turi keletą stabilių įtampų. Idealiu atveju kiekviena atskaitos įtampa turi savo atitinkamą įžeminimo plokštę. Tačiau jei žemės sluoksnio yra per daug, tai padidins PCB gamybos sąnaudas ir padidins kainą. Kompromisas yra naudoti įžeminimo plokštes nuo trijų iki penkių skirtingų padėčių, o kiekvienoje įžeminimo plokštumoje gali būti kelios įžeminimo dalys. Tai ne tik kontroliuoja plokštės gamybos sąnaudas, bet ir sumažina EMI bei EMC.
Jei norite sumažinti EMS, labai svarbi mažos varžos įžeminimo sistema. Daugiasluoksnėje PCB geriausia turėti patikimą įžeminimo plokštę, o ne vario plėšiką ar išsklaidytą įžeminimo plokštę, nes ji turi mažą varžą, gali užtikrinti srovės kelią, yra geriausias atvirkštinio signalo šaltinis.
Taip pat labai svarbu signalo sugrįžimo į žemę trukmė. Laikas tarp signalo ir signalo šaltinio turi būti lygus, kitaip jis sukels į anteną panašų reiškinį, todėl spinduliuojama energija taps EMI dalimi. Taip pat pėdsakai, perduodantys srovę į/iš signalo šaltinio, turėtų būti kuo trumpesni. Jei šaltinio kelio ilgis ir grįžimo kelias nesutampa, įvyks žemės atšokimas, kuris taip pat generuos EMI.
4. Venkite 90° kampo
Kad sumažintumėte EMI, venkite laidų, angų ir kitų komponentų, sudarytų 90° kampu, nes stačiu kampu bus spinduliuojama. Šiame kampe padidės talpa, taip pat pasikeis būdinga varža, dėl kurios atsiras atspindžių ir EMI. Kad būtų išvengta 90° kampų, pėdsakai turi būti nukreipti į kampus bent dviem 45° kampais.
5. Vias naudokite atsargiai
Beveik visuose PCB išdėstymuose turi būti naudojami perėjimai, siekiant užtikrinti laidžias jungtis tarp skirtingų sluoksnių. PCB išdėstymo inžinieriai turi būti ypač atsargūs, nes perėjimai generuos induktyvumą ir talpą. Kai kuriais atvejais jie taip pat sukurs atspindžius, nes charakteristinė varža pasikeis, kai trasoje bus padarytas perėjimas.
Taip pat atminkite, kad vias padidins pėdsako ilgį ir turi būti suderintas. Jei tai yra diferencinis pėdsakas, reikia kiek įmanoma vengti perėjimo. Jei to išvengti nepavyksta, naudokite perėjimus abiejuose pėdsakuose, kad kompensuotumėte signalo ir grįžtamojo kelio vėlavimą.
6. Kabelis ir fizinis ekranavimas
Kabeliai, kuriuose yra skaitmeninės grandinės ir analoginės srovės, generuos parazitinę talpą ir induktyvumą, sukeldami daug su EMS susijusių problemų. Jei naudojamas vytos poros kabelis, sujungimo lygis bus žemas ir generuojamas magnetinis laukas bus pašalintas. Aukšto dažnio signalams turi būti naudojamas ekranuotas kabelis, o priekinė ir galinė kabelio dalys turi būti įžemintos, kad būtų pašalinti EMI trikdžiai.
Fizinis ekranavimas yra visos sistemos arba jos dalies apvyniojimas metaliniu paketu, kad EMI nepatektų į PCB grandinę. Toks ekranavimas yra tarsi uždaras įžemintas laidus konteineris, kuris sumažina antenos kilpos dydį ir sugeria EMI.