Trong thiết kế PCB, khả năng tương thích điện từ (EMC) và nhiễu điện từ liên quan (EMI) luôn là hai vấn đề lớn khiến các kỹ sư đau đầu, đặc biệt là trong thiết kế bảng mạch và bao bì linh kiện ngày nay đang bị thu hẹp, và các OEM yêu cầu hệ thống tốc độ cao hơn.

1. Nhiễu xuyên âm và nối dây là những điểm chính

Hệ thống dây điện đặc biệt quan trọng để đảm bảo dòng điện chạy bình thường. Nếu dòng điện đến từ một bộ dao động hoặc thiết bị tương tự khác, điều đặc biệt quan trọng là phải giữ dòng điện tách biệt khỏi mặt đất hoặc không để dòng điện chạy song song với một dấu vết khác. Hai tín hiệu tốc độ cao song song sẽ tạo ra EMC và EMI, đặc biệt là nhiễu xuyên âm. Đường dẫn điện trở phải ngắn nhất và đường dẫn dòng điện trở về phải càng ngắn càng tốt. Độ dài của dấu vết đường dẫn trả về phải bằng độ dài của dấu vết gửi.

Đối với EMI, một cái được gọi là “hệ thống dây bị vi phạm” và loại còn lại là “hệ thống dây bị nạn nhân”. Sự kết hợp giữa điện cảm và điện dung sẽ ảnh hưởng đến dấu vết “nạn nhân” do sự hiện diện của trường điện từ, từ đó tạo ra dòng điện thuận và ngược trên “dấu nạn nhân”. Trong trường hợp này, gợn sóng sẽ được tạo ra trong môi trường ổn định trong đó độ dài truyền và độ dài thu của tín hiệu gần như bằng nhau.

Trong môi trường nối dây cân bằng và ổn định, các dòng điện cảm ứng sẽ triệt tiêu lẫn nhau để loại bỏ nhiễu xuyên âm. Tuy nhiên, chúng ta đang ở trong một thế giới không hoàn hảo và những điều như vậy sẽ không xảy ra. Vì vậy, mục tiêu của chúng tôi là giữ nhiễu xuyên âm của tất cả các dấu vết ở mức tối thiểu. Nếu chiều rộng giữa các đường song song gấp đôi chiều rộng của đường thẳng thì ảnh hưởng của nhiễu xuyên âm có thể được giảm thiểu. Ví dụ: nếu chiều rộng vết là 5 mils thì khoảng cách tối thiểu giữa hai vạch chạy song song phải là 10 mils trở lên.

Khi các vật liệu mới và các thành phần mới tiếp tục xuất hiện, các nhà thiết kế PCB phải tiếp tục giải quyết các vấn đề về tương thích điện từ và nhiễu.

2. Tụ tách

Tụ điện tách rời có thể làm giảm tác động bất lợi của nhiễu xuyên âm. Chúng nên được đặt giữa chân nguồn và chân nối đất của thiết bị để đảm bảo trở kháng AC thấp và giảm nhiễu và nhiễu xuyên âm. Để đạt được trở kháng thấp trên dải tần rộng, nên sử dụng nhiều tụ tách rời.

Một nguyên tắc quan trọng khi đặt tụ điện tách là tụ điện có giá trị điện dung nhỏ nhất phải càng gần thiết bị càng tốt để giảm hiệu ứng điện cảm trên vết. Tụ điện đặc biệt này càng gần chân nguồn hoặc đường nguồn của thiết bị càng tốt và kết nối trực tiếp miếng đệm của tụ điện với mặt phẳng thông qua hoặc mặt đất. Nếu dấu vết dài, hãy sử dụng nhiều vias để giảm thiểu trở kháng mặt đất.

3. Nối đất PCB

Một cách quan trọng để giảm EMI là thiết kế mặt phẳng PCB. Bước đầu tiên là làm cho diện tích nối đất càng lớn càng tốt trong tổng diện tích của bảng mạch PCB, điều này có thể làm giảm phát thải, nhiễu xuyên âm và tiếng ồn. Phải đặc biệt cẩn thận khi kết nối từng bộ phận với điểm nối đất hoặc mặt phẳng nối đất. Nếu điều này không được thực hiện, tác dụng trung hòa của mặt đất đáng tin cậy sẽ không được phát huy hết.

Một thiết kế PCB đặc biệt phức tạp có một số điện áp ổn định. Lý tưởng nhất là mỗi điện áp tham chiếu có mặt đất tương ứng riêng. Tuy nhiên, nếu lớp nền quá nhiều sẽ làm tăng chi phí sản xuất PCB và khiến giá thành quá cao. Thỏa hiệp là sử dụng các mặt phẳng ở ba đến năm vị trí khác nhau và mỗi mặt phẳng có thể chứa nhiều phần mặt đất. Điều này không chỉ kiểm soát chi phí sản xuất bảng mạch mà còn giảm EMI và EMC.

Nếu bạn muốn giảm thiểu EMC, hệ thống nối đất trở kháng thấp là rất quan trọng. Trong PCB nhiều lớp, tốt nhất nên có một mặt phẳng nối đất đáng tin cậy, thay vì một mặt phẳng nối đất bằng đồng hoặc rải rác, vì nó có trở kháng thấp, có thể cung cấp đường dẫn dòng điện, là nguồn tín hiệu ngược tốt nhất.

Khoảng thời gian tín hiệu quay trở lại mặt đất cũng rất quan trọng. Thời gian giữa tín hiệu và nguồn tín hiệu phải bằng nhau, nếu không sẽ tạo ra hiện tượng giống như ăng-ten, khiến năng lượng bức xạ trở thành một phần của EMI. Tương tự, các đường truyền dòng điện đến/từ nguồn tín hiệu phải càng ngắn càng tốt. Nếu độ dài của đường dẫn nguồn và đường dẫn trở về không bằng nhau thì hiện tượng nảy lên mặt đất sẽ xảy ra và điều này cũng sẽ tạo ra EMI.

4. Tránh góc 90°

Để giảm EMI, tránh nối dây, vias và các bộ phận khác tạo thành góc 90°, vì góc vuông sẽ tạo ra bức xạ. Ở góc này, điện dung sẽ tăng lên và trở kháng đặc tính cũng sẽ thay đổi, dẫn đến phản xạ và sau đó là EMI. Để tránh các góc 90°, các dấu vết phải được định tuyến tới các góc ít nhất ở hai góc 45°.

5. Thận trọng khi sử dụng vias

Trong hầu hết các bố cục PCB, vias phải được sử dụng để cung cấp kết nối dẫn điện giữa các lớp khác nhau. Các kỹ sư bố trí PCB cần phải đặc biệt cẩn thận vì vias sẽ tạo ra điện cảm và điện dung. Trong một số trường hợp, chúng cũng sẽ tạo ra sự phản xạ, vì trở kháng đặc tính sẽ thay đổi khi thực hiện một đường xuyên qua trong đường đi.

Cũng nên nhớ rằng vias sẽ tăng độ dài của dấu vết và cần phải khớp. Nếu đó là dấu vết khác biệt, nên tránh vias càng nhiều càng tốt. Nếu không thể tránh được, hãy sử dụng vias trong cả hai dấu vết để bù đắp độ trễ trong đường dẫn tín hiệu và đường quay lại.

6. Cáp và tấm chắn vật lý

Cáp mang mạch kỹ thuật số và dòng điện tương tự sẽ tạo ra điện dung và điện cảm ký sinh, gây ra nhiều vấn đề liên quan đến EMC. Nếu sử dụng cáp xoắn đôi, mức ghép nối sẽ được giữ ở mức thấp và từ trường sinh ra sẽ bị loại bỏ. Đối với tín hiệu tần số cao, phải sử dụng cáp có vỏ bọc, mặt trước và mặt sau của cáp phải được nối đất để loại bỏ nhiễu EMI.

Che chắn vật lý là bọc toàn bộ hoặc một phần hệ thống bằng gói kim loại để ngăn EMI xâm nhập vào mạch PCB. Loại che chắn này giống như một thùng chứa dẫn điện nối đất kín, giúp giảm kích thước vòng ăng-ten và hấp thụ EMI.