ในการออกแบบ PCB ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) และการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ที่เกี่ยวข้องเป็นปัญหาสำคัญสองประการที่ทำให้วิศวกรปวดหัวมาโดยตลอด โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการออกแบบแผงวงจรในปัจจุบันและบรรจุภัณฑ์ส่วนประกอบกำลังหดตัว และ OEM ต้องการสถานการณ์ระบบที่มีความเร็วสูงกว่า

1. Crosstalk และสายไฟเป็นจุดสำคัญ

การเดินสายไฟมีความสำคัญอย่างยิ่งเพื่อให้แน่ใจว่ากระแสไฟฟ้าไหลตามปกติ หากกระแสมาจากออสซิลเลเตอร์หรืออุปกรณ์อื่นที่คล้ายคลึงกัน สิ่งสำคัญอย่างยิ่งคือต้องแยกกระแสออกจากระนาบกราวด์ หรือไม่ปล่อยให้กระแสไหลขนานกับร่องรอยอื่น สัญญาณความเร็วสูงคู่ขนานจะสร้าง EMC และ EMI โดยเฉพาะครอสทอล์ค เส้นทางแนวต้านจะต้องสั้นที่สุด และเส้นทางกระแสกลับจะต้องสั้นที่สุด ความยาวของการติดตามพาธที่ส่งคืนควรเท่ากับความยาวของการติดตามการส่ง

สำหรับ EMI สิ่งหนึ่งเรียกว่า "การเดินสายไฟที่ละเมิด" และอีกวิธีหนึ่งคือ "การเดินสายที่ตกเป็นเหยื่อ" การมีเพศสัมพันธ์ระหว่างตัวเหนี่ยวนำและความจุจะส่งผลต่อการติดตาม "เหยื่อ" เนื่องจากมีสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นจึงสร้างกระแสไปข้างหน้าและย้อนกลับบน "การติดตามเหยื่อ" ในกรณีนี้ ระลอกคลื่นจะถูกสร้างขึ้นในสภาพแวดล้อมที่มั่นคง ซึ่งความยาวของการส่งและความยาวของการรับสัญญาณเกือบเท่ากัน

ในสภาพแวดล้อมการเดินสายที่มีความสมดุลและมีเสถียรภาพ กระแสเหนี่ยวนำควรตัดกันเพื่อขจัดสัญญาณรบกวน อย่างไรก็ตาม เราอยู่ในโลกที่ไม่สมบูรณ์แบบ และสิ่งเหล่านี้จะไม่เกิดขึ้น ดังนั้นเป้าหมายของเราคือรักษาการครอสทอล์คของร่องรอยทั้งหมดให้เหลือน้อยที่สุด หากความกว้างระหว่างเส้นคู่ขนานเป็นสองเท่าของความกว้างของเส้น ผลกระทบของครอสทอล์คจะลดลง ตัวอย่างเช่น หากความกว้างของการติดตามคือ 5 mils ระยะห่างขั้นต่ำระหว่างการติดตามการรันแบบขนานสองรายการควรเป็น 10 mils หรือมากกว่า

เนื่องจากวัสดุใหม่และส่วนประกอบใหม่ยังคงปรากฏอยู่ ผู้ออกแบบ PCB จะต้องจัดการกับปัญหาความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าและสัญญาณรบกวนต่อไป

2. ตัวเก็บประจุแบบแยกส่วน

ตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนสามารถลดผลเสียของครอสทอล์คได้ ควรอยู่ระหว่างพินแหล่งจ่ายไฟและพินกราวด์ของอุปกรณ์เพื่อให้แน่ใจว่ามีความต้านทานไฟฟ้ากระแสสลับต่ำ และลดเสียงรบกวนและสัญญาณรบกวน เพื่อให้ได้อิมพีแดนซ์ต่ำในช่วงความถี่กว้าง ควรใช้ตัวเก็บประจุแบบแยกตัวหลายตัว

หลักการสำคัญในการวางตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนคือตัวเก็บประจุที่มีค่าความจุน้อยที่สุดควรอยู่ใกล้กับอุปกรณ์มากที่สุดเพื่อลดผลกระทบจากการเหนี่ยวนำต่อการติดตาม ตัวเก็บประจุเฉพาะนี้อยู่ใกล้กับพินกำลังหรือการติดตามกำลังของอุปกรณ์มากที่สุด และเชื่อมต่อแผ่นของตัวเก็บประจุเข้ากับระนาบไวหรือกราวด์โดยตรง หากการติดตามยาว ให้ใช้จุดแวะหลายจุดเพื่อลดอิมพีแดนซ์กราวด์ให้เหลือน้อยที่สุด

3. กราวด์ PCB

วิธีสำคัญในการลด EMI คือการออกแบบระนาบกราวด์ PCB ขั้นตอนแรกคือการทำให้พื้นที่กราวด์มีขนาดใหญ่ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ภายในพื้นที่รวมของแผงวงจร PCB ซึ่งสามารถลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก ครอสทอล์ค และเสียงรบกวนได้ ต้องได้รับการดูแลเป็นพิเศษเมื่อเชื่อมต่อแต่ละส่วนประกอบเข้ากับจุดกราวด์หรือระนาบกราวด์ หากไม่ทำเช่นนี้ ผลการทำให้เป็นกลางของระนาบกราวด์ที่เชื่อถือได้จะไม่ถูกนำมาใช้อย่างเต็มที่

การออกแบบ PCB ที่ซับซ้อนเป็นพิเศษมีแรงดันไฟฟ้าที่เสถียรหลายประการ ตามหลักการแล้ว แรงดันอ้างอิงแต่ละตัวจะมีระนาบกราวด์ที่สอดคล้องกัน อย่างไรก็ตามหากชั้นกราวด์มากเกินไปจะทำให้ต้นทุนการผลิต PCB เพิ่มขึ้นและทำให้ราคาสูงเกินไป การประนีประนอมคือการใช้ระนาบกราวด์ในตำแหน่งที่แตกต่างกันสามถึงห้าตำแหน่ง และระนาบกราวด์แต่ละอันสามารถมีส่วนกราวด์ได้หลายส่วน ซึ่งไม่เพียงแต่ควบคุมต้นทุนการผลิตของแผงวงจรเท่านั้น แต่ยังช่วยลด EMI และ EMC อีกด้วย

หากคุณต้องการลด EMC ให้เหลือน้อยที่สุด ระบบสายดินที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำมีความสำคัญมาก ใน PCB หลายชั้น วิธีที่ดีที่สุดคือมีระนาบกราวด์ที่เชื่อถือได้ แทนที่จะใช้ระนาบกราวด์ที่ขโมยทองแดงหรือกระจัดกระจาย เนื่องจากมีอิมพีแดนซ์ต่ำ สามารถให้เส้นทางกระแสได้ เป็นแหล่งสัญญาณย้อนกลับที่ดีที่สุด

ระยะเวลาที่สัญญาณกลับสู่พื้นก็มีความสำคัญเช่นกัน เวลาระหว่างสัญญาณและแหล่งสัญญาณจะต้องเท่ากัน มิฉะนั้นจะทำให้เกิดปรากฏการณ์คล้ายเสาอากาศ ทำให้พลังงานที่แผ่ออกมาเป็นส่วนหนึ่งของ EMI ในทำนองเดียวกัน ร่องรอยที่ส่งกระแสไปยัง/จากแหล่งสัญญาณควรสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ หากความยาวของเส้นทางต้นทางและเส้นทางกลับไม่เท่ากัน การเด้งกลับกราวด์จะเกิดขึ้น ซึ่งจะสร้าง EMI ด้วยเช่นกัน

4. หลีกเลี่ยงมุม 90°

เพื่อลด EMI ให้หลีกเลี่ยงการเดินสายไฟ จุดผ่าน และส่วนประกอบอื่นๆ ที่สร้างมุม 90° เนื่องจากมุมขวาจะก่อให้เกิดรังสี ที่มุมนี้ ความจุจะเพิ่มขึ้น และอิมพีแดนซ์คุณลักษณะจะเปลี่ยนไปด้วย ซึ่งนำไปสู่การสะท้อนและ EMI เพื่อหลีกเลี่ยงมุม 90° ควรวางร่องรอยไว้ที่มุมอย่างน้อย 45° สองมุม

5. ใช้จุดแวะด้วยความระมัดระวัง

ในโครงร่าง PCB เกือบทั้งหมด ต้องใช้จุดแวะเพื่อให้การเชื่อมต่อที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าระหว่างชั้นต่างๆ วิศวกรโครงร่าง PCB จำเป็นต้องระมัดระวังเป็นพิเศษ เนื่องจาก Vias จะสร้างความเหนี่ยวนำและความจุไฟฟ้า ในบางกรณี มันจะสร้างการสะท้อนเช่นกัน เนื่องจากอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะจะเปลี่ยนไปเมื่อมีการสร้างจุดผ่านในการติดตาม

โปรดจำไว้ว่าจุดแวะจะเพิ่มความยาวของการติดตามและจำเป็นต้องจับคู่กัน หากเป็นการติดตามผลต่าง ควรหลีกเลี่ยงจุดแวะให้มากที่สุด หากไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ ให้ใช้จุดแวะในการติดตามทั้งสองเพื่อชดเชยความล่าช้าในสัญญาณและเส้นทางกลับ

6. สายเคเบิลและการป้องกันทางกายภาพ

สายเคเบิลที่มีวงจรดิจิทัลและกระแสแอนะล็อกจะสร้างประจุไฟฟ้าและการเหนี่ยวนำแบบปรสิต ทำให้เกิดปัญหามากมายเกี่ยวกับ EMC หากใช้สายเคเบิลคู่บิด ระดับคัปปลิ้งจะถูกรักษาให้ต่ำ และสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นจะถูกกำจัด สำหรับสัญญาณความถี่สูง ต้องใช้สายเคเบิลที่มีฉนวนหุ้ม และด้านหน้าและด้านหลังของสายเคเบิลจะต้องต่อสายดินเพื่อกำจัดสัญญาณรบกวน EMI

การป้องกันทางกายภาพคือการห่อหุ้มระบบทั้งหมดหรือบางส่วนด้วยบรรจุภัณฑ์โลหะ เพื่อป้องกันไม่ให้ EMI เข้าสู่วงจร PCB การป้องกันชนิดนี้เปรียบเสมือนภาชนะนำไฟฟ้าที่มีการลงกราวด์แบบปิด ซึ่งจะช่วยลดขนาดลูปเสาอากาศและดูดซับ EMI