PCB tasarımında, elektromanyetik uyumluluk (EMC) ve ilgili elektromanyetik girişim (EMI), her zaman mühendislerin baş ağrısına neden olan iki büyük sorun olmuştur, özellikle günümüzün devre kartı tasarımında ve bileşen ambalajları küçülmektedir ve OEM'ler daha yüksek hızlı sistemlere ihtiyaç duymaktadır.
1. Çapraz konuşma ve kablolama kilit noktalardır
Kablolama, normal akım akışını sağlamak için özellikle önemlidir. Akım bir osilatörden veya benzeri bir cihazdan geliyorsa, akımı yer düzleminden ayrı tutmak veya akımın başka bir yola paralel ilerlemesine izin vermemek özellikle önemlidir. İki paralel yüksek hızlı sinyal, özellikle çapraz karışma olmak üzere EMC ve EMI üretecektir. Direnç yolu en kısa olmalı ve dönüş akımı yolu mümkün olduğu kadar kısa olmalıdır. Dönüş yolu izinin uzunluğu, gönderme izinin uzunluğuyla aynı olmalıdır.
EMI için bunlardan birine “ihlal edilmiş kablolama”, diğerine ise “mağdur kablolama” denir. Endüktans ve kapasitans birleşimi, elektromanyetik alanların varlığından dolayı "kurban" izini etkileyecek ve dolayısıyla "kurban izi" üzerinde ileri ve geri akımlar üretecektir. Bu durumda, sinyalin iletim uzunluğu ile alım uzunluğunun hemen hemen eşit olduğu kararlı bir ortamda dalgalar oluşturulacaktır.
İyi dengelenmiş ve istikrarlı bir kablolama ortamında, indüklenen akımlar, karışmayı ortadan kaldırmak için birbirini iptal etmelidir. Ancak kusurlu bir dünyadayız ve böyle şeyler olmayacak. Bu nedenle amacımız tüm izlerin karışmasını minimumda tutmaktır. Paralel çizgiler arasındaki genişlik, çizgilerin genişliğinin iki katı olursa, karışma etkisi en aza indirilebilir. Örneğin, iz genişliği 5 mil ise, paralel uzanan iki iz arasındaki minimum mesafe 10 mil veya daha fazla olmalıdır.
Yeni malzemeler ve yeni bileşenler ortaya çıkmaya devam ettikçe PCB tasarımcılarının elektromanyetik uyumluluk ve girişim sorunlarıyla uğraşmaya devam etmesi gerekiyor.
2. Dekuplaj kapasitörü
Dekuplaj kapasitörleri karışmanın olumsuz etkilerini azaltabilir. Düşük AC empedansını sağlamak ve gürültüyü ve karışmayı azaltmak için güç kaynağı pimi ile cihazın toprak pimi arasına yerleştirilmelidirler. Geniş bir frekans aralığında düşük empedans elde etmek için çoklu dekuplaj kapasitörleri kullanılmalıdır.
Dekuplaj kapasitörlerinin yerleştirilmesinde önemli bir prensip, iz üzerindeki endüktans etkisini azaltmak için en küçük kapasitans değerine sahip kapasitörün cihaza mümkün olduğu kadar yakın olması gerektiğidir. Bu özel kapasitör, cihazın güç pinine veya güç izine mümkün olduğu kadar yakındır ve kapasitörün pedini doğrudan geçiş veya topraklama düzlemine bağlar. İz uzunsa toprak empedansını en aza indirmek için birden fazla yol kullanın.
3. PCB'yi topraklayın
EMI'yi azaltmanın önemli bir yolu PCB yer düzlemini tasarlamaktır. İlk adım, emisyonu, karışmayı ve gürültüyü azaltabilecek PCB devre kartının toplam alanı içerisinde topraklama alanını mümkün olduğunca geniş hale getirmektir. Her bir bileşeni zemin noktasına veya zemin düzlemine bağlarken özel dikkat gösterilmelidir. Bu yapılmazsa, güvenilir bir yer düzleminin etkisizleştirme etkisinden tam olarak yararlanılmayacaktır.
Özellikle karmaşık bir PCB tasarımında birkaç kararlı voltaj bulunur. İdeal olarak, her referans voltajının kendine karşılık gelen toprak düzlemi vardır. Ancak zemin katmanının fazla olması PCB'nin üretim maliyetini artıracak ve fiyatının çok yüksek olmasına neden olacaktır. Uzlaşma, yer düzlemlerini üç ila beş farklı konumda kullanmaktır ve her bir yer düzlemi birden fazla yer parçası içerebilir. Bu yalnızca devre kartının üretim maliyetini kontrol altına almakla kalmaz, aynı zamanda EMI ve EMC'yi de azaltır.
EMC'yi en aza indirmek istiyorsanız düşük empedanslı topraklama sistemi çok önemlidir. Çok katmanlı bir PCB'de, bakır hırsızlığı veya dağınık topraklama düzlemi yerine güvenilir bir topraklama düzlemine sahip olmak en iyisidir, çünkü düşük empedansa sahiptir, bir akım yolu sağlayabilir ve en iyi ters sinyal kaynağıdır.
Sinyalin yere dönüş süresinin uzunluğu da çok önemlidir. Sinyal ile sinyal kaynağı arasındaki süre eşit olmalıdır, aksi takdirde anten benzeri bir olay meydana gelir ve yayılan enerji EMI'nin bir parçası haline gelir. Benzer şekilde, sinyal kaynağına/sinyal kaynağından akım ileten izler mümkün olduğu kadar kısa olmalıdır. Kaynak yolunun ve dönüş yolunun uzunluğu eşit değilse, yerden sıçrama meydana gelecek ve bu da EMI üretecektir.
4. 90° açıdan kaçının
EMI'yi azaltmak için 90° açı oluşturan kablolardan, yollardan ve diğer bileşenlerden kaçının çünkü dik açılar radyasyon üretecektir. Bu köşede kapasitans artacak ve karakteristik empedans da değişecek, bu da yansımalara ve ardından EMI'ye yol açacaktır. 90°'lik açılardan kaçınmak için, izler köşelere en az iki adet 45°'lik açıyla yönlendirilmelidir.
5. Viaları dikkatli kullanın
Hemen hemen tüm PCB düzenlerinde, farklı katmanlar arasında iletken bağlantılar sağlamak için yolların kullanılması gerekir. PCB yerleşim mühendislerinin özellikle dikkatli olmaları gerekir çünkü vialar endüktans ve kapasitans üretecektir. Bazı durumlarda yansıma da üretebilirler çünkü izde bir geçiş yapıldığında karakteristik empedans değişecektir.
Ayrıca via'ların izin uzunluğunu artıracağını ve eşleştirilmeleri gerektiğini de unutmayın. Diferansiyel bir iz ise vialardan mümkün olduğunca kaçınılmalıdır. Kaçınılması mümkün değilse, sinyal ve dönüş yolundaki gecikmeleri telafi etmek için her iki izdeki yolları kullanın.
6. Kablo ve fiziksel koruma
Dijital devreleri ve analog akımları taşıyan kablolar parazitik kapasitans ve endüktans üreterek EMC ile ilgili birçok soruna neden olacaktır. Çift bükümlü kablo kullanılması halinde kuplaj seviyesi düşük tutulacak ve oluşan manyetik alan ortadan kaldırılacaktır. Yüksek frekanslı sinyaller için korumalı bir kablo kullanılmalı ve EMI girişimini ortadan kaldırmak için kablonun ön ve arka tarafı topraklanmalıdır.
Fiziksel koruma, EMI'nin PCB devresine girmesini önlemek için sistemin tamamını veya bir kısmını metal bir paketle sarmaktır. Bu tür koruma, anten döngü boyutunu azaltan ve EMI'yi emen, kapalı topraklanmış iletken bir kaba benzer.