6 نکته برای طراحی PCB برای جلوگیری از مشکلات الکترومغناطیسی

در طراحی PCB، سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) و تداخل الکترومغناطیسی مرتبط (EMI) به طور سنتی دو دردسر اصلی برای مهندسان بوده است، به ویژه در طراحی‌های برد مدار امروزی و بسته‌های قطعات همچنان کوچک می‌شوند، OEM ها به سیستم‌های سرعت بالاتری نیاز دارند.در این مقاله نحوه جلوگیری از مشکلات الکترومغناطیسی در طراحی PCB را به اشتراک خواهم گذاشت.

1. تداخل و همسویی تمرکز است

تراز به ویژه برای اطمینان از جریان مناسب جریان مهم است.اگر جریان از یک نوسان ساز یا دستگاه مشابه دیگر می آید، جدا نگه داشتن جریان از لایه زمین یا جلوگیری از جریان موازی با تراز دیگر بسیار مهم است.دو سیگنال پرسرعت به صورت موازی می توانند EMC و EMI، به خصوص crosstalk ایجاد کنند.مهم است که مسیرهای مقاومت تا حد امکان کوتاه و مسیرهای جریان برگشتی تا حد امکان کوتاه باشند.طول مسیر برگشت باید با طول مسیر ارسال برابر باشد.

برای EMI، یک مسیر "مسیر نقض" و دیگری "مسیر قربانی" نامیده می شود.کوپلینگ القایی و خازنی به دلیل وجود میدان های الکترومغناطیسی بر مسیر "قربانی" تاثیر می گذارد و در نتیجه جریان های رو به جلو و معکوس را در "مسیر قربانی" تولید می کند.به این ترتیب، ریپل در یک محیط پایدار ایجاد می شود که طول انتقال و دریافت سیگنال تقریباً برابر است.

در یک محیط متعادل با ترازهای پایدار، جریان های القایی باید یکدیگر را خنثی کنند و در نتیجه تداخل را از بین ببرند.با این حال، ما در یک دنیای ناقص هستیم که چنین چیزی اتفاق نمی افتد.بنابراین، هدف ما این است که تداخل باید برای همه ترازها به حداقل برسد.اگر عرض بین خطوط موازی دو برابر عرض خطوط باشد، تأثیر تداخل را می توان به حداقل رساند.به عنوان مثال، اگر عرض خط 5 میل باشد، حداقل فاصله بین دو خط موازی باید 10 میل یا بیشتر باشد.

همانطور که مواد و اجزای جدید همچنان ظاهر می شوند، طراحان PCB نیز باید با مشکلات EMC و تداخل مقابله کنند.

2. جداسازی خازن ها

خازن های جداسازی اثرات نامطلوب تداخل را کاهش می دهند.آنها باید بین پایه های برق و زمین دستگاه قرار گیرند که امپدانس AC کم را تضمین می کند و نویز و تداخل را کاهش می دهد.برای دستیابی به امپدانس پایین در محدوده فرکانس وسیع، باید از خازن های جداکننده چندگانه استفاده کرد.

یک اصل مهم برای قرار دادن خازن های جداکننده این است که خازن با کمترین مقدار ظرفیت خازنی تا حد امکان نزدیک به دستگاه قرار گیرد تا اثرات القایی روی ترازها کاهش یابد.این خازن خاص باید تا حد امکان نزدیک به پین ​​های منبع تغذیه دستگاه یا راهروی منبع تغذیه قرار گیرد و لنت های خازن باید مستقیماً به Vias یا سطح زمین متصل شوند.اگر تراز طولانی است، برای به حداقل رساندن امپدانس زمین، از چندین ویاس استفاده کنید.

3. ارت کردن PCB

یک راه مهم برای کاهش EMI طراحی لایه زمین مدار PCB است.اولین قدم این است که سطح زمین را تا حد امکان در کل مساحت برد PCB بزرگ کنید تا بتوان انتشار گازهای گلخانه ای، تداخل و نویز را کاهش داد.هنگام اتصال هر جزء به نقطه زمین یا لایه زمین باید دقت ویژه ای صورت گیرد که بدون آن نمی توان از اثر خنثی کننده یک لایه زمین قابل اعتماد به طور کامل استفاده کرد.

یک طراحی پیچیده PCB دارای چندین ولتاژ پایدار است.در حالت ایده آل، هر ولتاژ مرجع دارای لایه زمین مربوط به خود است.با این حال، لایه های زمینی زیاد هزینه های ساخت PCB را افزایش می دهد و آن را بسیار گران می کند.مصالحه این است که از لایه های زمین در سه تا پنج مکان مختلف استفاده کنید، که هر کدام می تواند چندین بخش زمین را شامل شود.این نه تنها هزینه ساخت برد را کنترل می کند، بلکه EMI و EMC را نیز کاهش می دهد.

اگر قرار است EMC به حداقل برسد، یک سیستم اتصال زمین با امپدانس کم مهم است.در PCB چند لایه ترجیح داده می شود که یک لایه اتصال به زمین قابل اعتماد به جای بلوک تعادل مس (دزد مس) یا یک لایه زمین پراکنده داشته باشد زیرا امپدانس پایینی دارد، مسیر جریان را فراهم می کند و بهترین منبع سیگنال های معکوس است.

مدت زمان بازگشت سیگنال به زمین نیز بسیار مهم است.زمان صرف شده برای انتقال سیگنال به منبع و برگشت آن باید قابل مقایسه باشد، در غیر این صورت یک پدیده آنتن مانند رخ می دهد و به انرژی تابشی اجازه می دهد تا بخشی از EMI شود.به طور مشابه، تراز جریان به/از منبع سیگنال باید تا حد امکان کوتاه باشد، اگر مسیرهای منبع و بازگشت مساوی نباشند، جهش زمین رخ می دهد و این نیز EMI را ایجاد می کند.

4. از زوایای 90 درجه اجتناب کنید

برای کاهش EMI، باید از تراز، vias و سایر اجزا برای تشکیل یک زاویه 90 درجه اجتناب شود، زیرا زاویه راست باعث ایجاد تشعشع می شود.برای جلوگیری از زاویه 90 درجه، تراز باید حداقل دو سیم کشی با زاویه 45 درجه به گوشه باشد.

5. استفاده از بیش از سوراخ نیاز به مراقب باشید

تقریباً در تمام طرح‌بندی‌های PCB، باید از vias برای ایجاد یک اتصال رسانا بین لایه‌های مختلف استفاده شود.در برخی موارد، آنها همچنین بازتاب ایجاد می کنند، زیرا امپدانس مشخصه با ایجاد vias در تراز تغییر می کند.

همچنین مهم است که به یاد داشته باشید که vias طول تراز را افزایش می دهد و باید مطابقت داده شود.در مورد ترازهای دیفرانسیل، در صورت امکان باید از گذرگاه اجتناب شود.اگر نمی توان از این امر اجتناب کرد، باید از vias در هر دو تراز برای جبران تاخیر در مسیر سیگنال و بازگشت استفاده شود.

6. کابل و محافظ فیزیکی

کابل‌های حامل مدارهای دیجیتال و جریان‌های آنالوگ می‌توانند خازن و اندوکتانس انگلی تولید کنند که باعث بسیاری از مشکلات مرتبط با EMC می‌شود.در صورت استفاده از کابل های جفت پیچ خورده، سطح پایینی از کوپلینگ حفظ می شود و میدان های مغناطیسی تولید شده حذف می شوند.برای سیگنال‌های فرکانس بالا، برای حذف تداخل EMI، باید از کابل‌های شیلددار استفاده شود که هم جلو و هم در پشت آن‌ها به زمین متصل هستند.

محافظ فیزیکی عبارت است از پوشاندن کل یا بخشی از سیستم در یک بسته فلزی برای جلوگیری از ورود EMI به مدار PCB.این محافظ مانند یک خازن بسته و رسانای زمین عمل می کند و اندازه حلقه آنتن را کاهش می دهد و EMI را جذب می کند.