Bij het ontwerpen van PCB's zijn elektromagnetische compatibiliteit (EMC) en de daarmee samenhangende elektromagnetische interferentie (EMI) altijd twee grote problemen geweest die ingenieurs hoofdpijn hebben bezorgd, vooral in het huidige ontwerp van printplaten en componenten worden de verpakkingen steeds kleiner en hebben OEM's systemen met hogere snelheden nodig.

1. Overspraak en bedrading zijn de belangrijkste punten

De bedrading is bijzonder belangrijk om de normale stroomstroom te garanderen. Als de stroom afkomstig is van een oscillator of een ander soortgelijk apparaat, is het vooral belangrijk om de stroom gescheiden te houden van het aardvlak, of om de stroom niet parallel aan een ander spoor te laten lopen. Twee parallelle hogesnelheidssignalen genereren EMC en EMI, vooral overspraak. Het weerstandspad moet het kortst zijn en het retourstroompad moet zo kort mogelijk zijn. De lengte van de retourpadtrace moet hetzelfde zijn als de lengte van de verzendtrace.

Voor EMI wordt de ene ‘bedreigde bedrading’ genoemd en de andere ‘slachtofferbedrading’. De koppeling van inductantie en capaciteit zal het ‘slachtofferspoor’ beïnvloeden vanwege de aanwezigheid van elektromagnetische velden, waardoor voorwaartse en tegengestelde stromen op het ‘slachtofferspoor’ worden gegenereerd. In dit geval zullen er rimpelingen worden gegenereerd in een stabiele omgeving waar de transmissielengte en ontvangstlengte van het signaal vrijwel gelijk zijn.

In een goed gebalanceerde en stabiele bedradingsomgeving moeten de geïnduceerde stromen elkaar opheffen om overspraak te elimineren. We bevinden ons echter in een onvolmaakte wereld en zulke dingen zullen niet gebeuren. Daarom is het ons doel om de overspraak van alle sporen tot een minimum te beperken. Als de breedte tussen parallelle lijnen tweemaal de breedte van de lijnen is, kan het effect van overspraak worden geminimaliseerd. Als de spoorbreedte bijvoorbeeld 5 mil is, moet de minimale afstand tussen twee evenwijdig lopende sporen 10 mil of meer zijn.

Terwijl er steeds nieuwe materialen en nieuwe componenten verschijnen, moeten PCB-ontwerpers zich blijven bezighouden met elektromagnetische compatibiliteit en interferentieproblemen.

2. Ontkoppelcondensator

Ontkoppelcondensatoren kunnen de nadelige effecten van overspraak verminderen. Ze moeten zich tussen de voedingspin en de aardingspin van het apparaat bevinden om een ​​lage AC-impedantie te garanderen en ruis en overspraak te verminderen. Om een ​​lage impedantie over een breed frequentiebereik te bereiken, moeten meerdere ontkoppelcondensatoren worden gebruikt.

Een belangrijk principe voor het plaatsen van ontkoppelcondensatoren is dat de condensator met de kleinste capaciteitswaarde zo dicht mogelijk bij het apparaat moet worden geplaatst om het inductie-effect op het spoor te verminderen. Deze specifieke condensator bevindt zich zo dicht mogelijk bij de stroompin of het stroomspoor van het apparaat en sluit het pad van de condensator rechtstreeks aan op het via- of aardvlak. Als het spoor lang is, gebruik dan meerdere via's om de aardingsimpedantie te minimaliseren.

3. Aard de printplaat

Een belangrijke manier om EMI te verminderen is het ontwerpen van het PCB-grondvlak. De eerste stap is om het aardingsgebied binnen het totale oppervlak van de printplaat zo groot mogelijk te maken, waardoor emissie, overspraak en ruis kunnen worden verminderd. Er moet speciale aandacht worden besteed aan het aansluiten van elk onderdeel op het aardingspunt of het aardingsvlak. Als dit niet gebeurt, zal het neutraliserende effect van een betrouwbaar grondvlak niet volledig worden benut.

Een bijzonder complex PCB-ontwerp heeft verschillende stabiele spanningen. Idealiter heeft elke referentiespanning zijn eigen overeenkomstige aardvlak. Als de grondlaag echter te groot is, zal dit de productiekosten van de PCB verhogen en de prijs te hoog maken. Het compromis is om grondvlakken in drie tot vijf verschillende posities te gebruiken, en elk grondvlak kan meerdere gronddelen bevatten. Dit beheerst niet alleen de productiekosten van de printplaat, maar vermindert ook EMI en EMC.

Als u EMC wilt minimaliseren, is een aardingssysteem met lage impedantie erg belangrijk. In een meerlaagse PCB is het het beste om een ​​betrouwbaar aardvlak te hebben, in plaats van een koperstelend of verspreid aardvlak, omdat het een lage impedantie heeft, een stroompad kan bieden en de beste omgekeerde signaalbron is.

De tijdsduur waarin het signaal terugkeert naar de grond is ook erg belangrijk. De tijd tussen het signaal en de signaalbron moet gelijk zijn, anders ontstaat er een antenne-achtig fenomeen, waardoor de uitgestraalde energie onderdeel wordt van EMI. Op dezelfde manier moeten de sporen die stroom naar/van de signaalbron verzenden zo kort mogelijk zijn. Als de lengte van het bronpad en het retourpad niet gelijk zijn, zal er grondstuiteren optreden, wat ook EMI zal genereren.

4. Vermijd een hoek van 90°

Om EMI te verminderen, vermijd dat bedrading, via's en andere componenten een hoek van 90° vormen, omdat rechte hoeken straling genereren. Op deze hoek zal de capaciteit toenemen en zal ook de karakteristieke impedantie veranderen, wat leidt tot reflecties en vervolgens tot EMI. Om hoeken van 90° te vermijden, moeten sporen naar de hoeken worden geleid in ten minste twee hoeken van 45°.

5. Wees voorzichtig bij het gebruik van via's

In bijna alle PCB-lay-outs moeten via's worden gebruikt om geleidende verbindingen tussen verschillende lagen tot stand te brengen. PCB-lay-outingenieurs moeten bijzonder voorzichtig zijn, omdat via's inductie en capaciteit genereren. In sommige gevallen zullen ze ook reflecties veroorzaken, omdat de karakteristieke impedantie zal veranderen wanneer er een via in het spoor wordt gemaakt.

Houd er ook rekening mee dat via's de lengte van de trace vergroten en moeten worden gematcht. Als het een differentieel spoor betreft, moeten via's zoveel mogelijk worden vermeden. Als dit niet kan worden vermeden, gebruik dan via's in beide sporen om vertragingen in het signaal- en retourpad te compenseren.

6. Kabel- en fysieke afscherming

Kabels met digitale circuits en analoge stromen genereren parasitaire capaciteit en inductie, waardoor veel EMC-gerelateerde problemen ontstaan. Als een twisted-pair-kabel wordt gebruikt, wordt het koppelingsniveau laag gehouden en wordt het gegenereerde magnetische veld geëlimineerd. Voor hoogfrequente signalen moet een afgeschermde kabel worden gebruikt en moeten de voor- en achterkant van de kabel worden geaard om EMI-interferentie te elimineren.

Fysieke afscherming houdt in dat het systeem geheel of gedeeltelijk wordt omhuld met een metalen verpakking om te voorkomen dat EMI het PCB-circuit binnendringt. Dit soort afscherming lijkt op een gesloten, geaarde geleidende container, die de antennelusgrootte verkleint en EMI absorbeert.