Bố trí linh kiện và đi dây mạch in PCB
Bố trí linh kiện và đi dây mạch in PCB: Một số thiết kế mạch được bố trí trên những tấm Board hoặc các tấm nhựa bằng silicon và các linh kiện được kết nối với nhau bằng cáp điện.
Tuy nhiên, các mạch PCB thường là mối bận tâm của kỹ sư EMC là những mạch được đặt trên bảng epoxy sợi thủy tinh. Các bảng mạch in tương tự như bảng được minh họa trong Hình 1 có thể được tìm thấy trong hầu hết các hệ thống điện tử. Các linh kiện trong mạch có chân kim loại được nối với nhau bằng các vết đồng . Các linh kiện với công nghệ (SMT) được hàn vào Top và hoặc Bot của bảng mạch. Còn các linh kiện chân cắm được hàn vào các vết ở phía đối diện.
Các mạch một lớp với các kết nối đi dây sẽ nằm trên một mặt của tấm mạch PCB. Bảng hai lớp sẽ đi dây ở cả 2 mặt. Nhiều tấm mạch in các đường copper được ngăn cách bởi các lớp epoxy sợi thủy tinh (hoặc một chất điện môi tương tự). Chúng được gọi là mạch nhiều lớp. Số lớp thường là số chẵn. Mạch bốn lớp rất phổ biến trong các sản phẩm giá rẻ. Các mạch có hàng chục lớp đôi khi được sử dụng để kết nối các lớp với số lượng linh kiện lớn.
Bo mạch nhiều lớp thường có lớp phủ toàn đồng dành riêng cho việc phân phối điện năng cho các thành phần trên bo mạch. Các mặt phẳng này thường được đặt tên theo các chân linh kiện mà chúng được kết nối. Ví dụ, một mặt phẳng đồng kết nối tất cả các chân linh kiện V CC với nguồn điện thường được gọi là mặt phẳng V CC .
Vị trí của linh kiện và đi dây thường đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định khả năng tương thích điện từ (EMC) của các sản phẩm sử dụng bảng mạch in. Bo mạch được bố trí tốt sẽ tỏa nhiệt tốt và làm giảm thiểu dòng điện và từ trường có thể gây nhiễu cho dây cáp hoặc các vật thể khác ngoài bo mạch. Chúng cũng được sắp xếp để giảm thiểu tác động dòng điện bên ngoài hoặc từ trường ghép nối các tín hiệu gây nhiễu trên bo mạch.
Các cách Bố trí linh kiện và đi dây mạch in PCB
Hầu hết khi thiết kế bo mạch chúng ta đều sử dụng một danh sách các nguyên tắc để giúp bố trí linh kiện và đi dây. Ví dụ, một hướng dẫn điển hình có thể là “giảm thiểu độ dài của tất cả các đường đồng mang tín hiệu kỹ thuật số.” Thông thường, một nhà thiết kế không quen thuộc với lý do của hướng dẫn hoặc không hiểu đầy đủ về hậu quả của việc vi phạm hướng dẫn đối với một ứng dụng cụ thể.
Giả sử bạn đang lắp đặt một bảng mạch in nhiều lớp tốc độ cao và bạn cần định tuyến các đường mang tín hiệu tần số cao từ linh kiện kỹ thuật số đến bộ khuếch đại tương tự. Bạn muốn giảm thiểu khả năng gặp sự cố tương thích điện từ (EMC), vì vậy bạn tìm kiếm trên web các hướng dẫn thiết kế EMC và bạn tìm thấy ba hướng dẫn có vẻ phù hợp với tình huống của bạn:
- Giảm thiểu chiều dài của đường tốc độ cao.
- Luôn tạo khoảng cách giữa các mặt phẳng chứa các mạch tương tự và kỹ thuật số.
- Không bao giờ để một đường đi dây tốc độ cao vượt qua một khoảng trống.
Bạn hình dung ba cách đi dây được minh họa trong Hình 2. cách đi dây đầu tiên là đi dây trực tiếp giữa hai thành phần, nhưng để lại mặt phẳng giữa chúng. cách đi dây thứ hai tạo khoảng trống , nhưng đi dây qua khoảng trống đó. Cách thứ ba đi dây xung quanh khoảng trống. Mỗi lựa chọn thay thế này đều vi phạm một trong các nguyên tắc. Lựa chọn nào là tốt nhất?
Mỗi phương đều có điểm tốt nhưng không phải lúc nào cũng đúng trong các trường hợp khác nhau Đây là những dạng câu hỏi mà các nhà thiết kế bảng mạch phải đối mặt hàng ngày. Lựa chọn đúng có thể đáp ứng tất cả các yêu cầu.Tuy nhiên, trước khi tiết lộ câu trả lời chính xác, hãy phát triển một chiến lược để đánh giá bố cục mạch in. Với một chiến lược phù hợp, câu trả lời chính xác cho câu hỏi này sẽ trở nên rõ ràng.
Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ tìm hiểu 4 bước mà mọi kỹ sư EMC nên áp dụng khi đặt một bảng mạch in hoặc xem xét một thiết kế bảng hiện có. Các bước sau là:
- Xác định các nguồn EMI và những nơi bị ảnh hưởng
- Xác định các đường dẫn dòng điện quan trọng
- Xác định các bộ phận ăng-ten
- Khám phá các cơ chế ghép nối có thể có.
Bằng cách thực hiện các bước nêu trên trước tiên, các quyết định về vị trí linh kiện và đi sây theo dõi sẽ trở nên rõ ràng hơn. Cũng cần phải rõ ràng hơn những nguyên tắc thiết kế nào là quan trọng nhất và những nguyên tắc nào không quan trọng đối với một thiết kế cụ thể.
Xác định các nguồn EMI và những nơi bị ảnh hưởng
Một bảng mạch điển hình có thể có hàng chục, hàng trăm hoặc thậm chí hàng nghìn mạch. Mỗi mạch là một nguồn năng lượng tiềm tàng mà cuối cùng có thể được kết hợp vô tình với các mạch hoặc thiết bị khác. Mỗi mạch cũng là một nạn nhân tiềm tàng của nhiễu kết hợp không chủ ý. Tuy nhiên, một số mạch có nhiều khả năng trở thành nguồn nhiễu hơn các mạch khác và các mạch khác có nhiều khả năng là nạn nhân hơn nhiều. Các kỹ sư EMC (và nhà thiết kế bo mạch) phải có khả năng nhận ra những mạch có khả năng là nguồn tốt và những mạch có khả năng dễ bị ảnh hưởng nhất. Các mạch quan tâm đặc biệt được thảo luận dưới đây.
Mạch giao dộng kỹ thuật số
Các mạch giao động kỹ thuật số sử dụng một xung nhịp hệ thống phải được gửi đến mọi thành phần hoạt động (trên hoặc ngoài bo mạch) cần giải thích tín hiệu kỹ thuật số. Tín hiệu xung nhịp liên tục chuyển đổi và có sóng hài dải hẹp. Chúng thường nằm trong số các tín hiệu năng lượng trên bảng mạch in. Vì lý do này, không có gì lạ khi thấy các đỉnh phát xạ bức xạ dải hẹp ở các sóng hài của tần số xung, như minh họa trong Hình 3.
Trong hình này, phát xạ bức xạ rõ ràng bị chi phối bởi các sóng hài của Xung nhịp 25 MHz. Tầng nhiễu từ 200 – 1000 MHz là nhiễu nhiệt của máy phân tích phổ dùng để thực hiện phép đo (hiệu chỉnh để phản ánh hệ số anten). Để làm cho sản phẩm này tuân thủ đặc điểm kỹ thuật phát bức xạ FCC hoặc CISPR Lớp B, biên độ nguồn xung nhịp sẽ phải giảm, “ăng ten” không chủ ý hoạt động kém hiệu quả hơn hoặc đường ghép ăng ten nguồn bị suy yếu.
Trong lĩnh vực EMC, thuật ngữ Phát xạ bức xạ đề cập đến sự giải phóng năng lượng điện từ không chủ ý từ một thiết bị hoặc dụng cụ điện tử. Bất kỳ thiết bị điện tử nào cũng có thể tạo ra các trường Điện từ vô tình lan truyền ra khỏi cấu trúc của thiết bị.
Tín hiệu kỹ thuật số
Hầu hết các đường đi dây trên bảng mạch in kỹ thuật số đang mang thông tin kỹ thuật số chứ không phải tín hiệu xung nhịp. Tín hiệu kỹ thuật số không tuần hoàn như tín hiệu xung clock và bản chất ngẫu nhiên của chúng dẫn đến nhiễu có băng thông rộng hơn. Tín hiệu kỹ thuật số chuyển đổi thường xuyên hơn có thể dẫn đến bức xạ tương tự như tín hiệu clock. Ví dụ về điều này sẽ là bit ít quan trọng nhất trên bus địa chỉ của bộ vi xử lý, vì bước qua các địa chỉ liên tiếp có thể khiến tín hiệu này chuyển đổi ở tần số xung nhịp. Dạng và cường độ chính xác của bức xạ từ tín hiệu kỹ thuật số phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm phần mềm đang chạy và sơ đồ mã hóa được sử dụng. Nói chung, tín hiệu dữ liệu là một nguồn ít rắc rối hơn tín hiệu clock; tuy nhiên dữ liệu tốc độ cao vẫn có thể tạo ra một lượng nhiễu đáng kể.
Mạch nguồn chuyển đổi
Nguồn điện ở chế độ chuyển mạch và bộ chuyển đổi DC-DC tạo ra các điện áp khác nhau bằng cách bật và tắt nhanh dòng điện vào máy biến áp. Tần số chuyển mạch điển hình nằm trong khoảng 10 – 100 kHz. Các đột biến của dòng điện được tạo ra bởi việc chuyển đổi này có thể gây nhiễu cho đầu ra điện và các thiết bị khác trên bo mạch. Mặc dù tín hiệu nhiễu này tương đối tuần hoàn (tức là sóng hài dải hẹp), nhưng nó xuất hiện dưới dạng nhiễu băng rộng trong quá trình kiểm tra phát xạ bức xạ vì khoảng cách giữa các tần số sóng hài thấp hơn dải thông phân giải của phép đo.
Cái bướu nhỏ trong tầng nhiễu xung quanh 120 MHz trong Hình 3 là do nhiễu chuyển đổi nguồn. Trong sản phẩm này, nhiễu chuyển mạch là không đáng kể so với nhiễu của xung nhịp hệ thống. Tuy nhiên, trong các sản phẩm khác, nhiễu chuyển mạch nguồn có thể chiếm ưu thế, vì chỉ các sóng hài trên của nhiễu chuyển mạch mới rơi vào dải tần nơi đo phát bức xạ. nhiễu chuyển mạch luôn có thể được giảm bớt bằng cách làm chậm thời gian chuyển tiếp của mạch chuyển đổi. Tuy nhiên, điều này làm giảm hiệu quả của nguồn điện, vì vậy các phương pháp thay thế được ưu tiên hơn. Các giải pháp khả thi được thảo luận trong hướng dẫn EMI.
Tín hiệu tương tự
Tín hiệu tương tự có thể là băng rộng hoặc băng hẹp, tần số cao hoặc tần số thấp. Nếu bo mạch của bạn sử dụng tín hiệu tương tự, bạn nên làm quen với những tín hiệu này trông như thế nào trong cả miền thời gian và tần số. Các tín hiệu tương tự băng tần hẹp, tần số cao có thể đặc biệt khó hoạt động. May mắn thay, vì tín hiệu tương tự có xu hướng nhạy cảm với mức độ nhiễu thấp, các mối quan tâm về tính toàn vẹn của tín hiệu thường cho rằng chúng được bố trí theo cách sẽ giảm thiểu phát xạ bức xạ.
Nguồn DC và các tín hiệu kỹ thuật số tốc độ thấp
Nói chung, nguồn DC và các tín hiệu kỹ thuật số tốc độ thấp không có đủ công suất ở các tần số phát xạ bức xạ để gây ra nhiễu. Tuy nhiên, nó lại là nguồn gốc của các vấn đề khó khăn nhất về phát xạ bức xạ. Điều này là do điện áp và dòng điện tần số cao gây ra một cách không trên các thành phần này có thể lớn hơn hoặc lớn hơn điện áp và dòng điện trên các đường tín hiệu tốc độ cao.
Hình 4 cho thấy bản đồ của từ trường gần phía trên Memory module thường được sử dụng trong máy tính cá nhân. Từ trường gần cung cấp chỉ báo về dòng điện chạy trong khung dẫn của linh kiện. Tần số của phép đo là hài bậc ba của tần số xung clock. Lưu ý rằng dòng điện đang được lấy từ các chân cấp nguồn DC nhiều hơn dòng điện được lấy từ các chân tín hiệu.
Hình 5 cho thấy một biểu đồ tương tự của từ trường gần phía trên bộ vi xử (FPGA). Trong hình này, chúng ta thấy rằng dòng được đưa vào một số đường địa chỉ tốc độ thấp gần như mạnh bằng dòng trong tín hiệu xung clock.
Làm thế nào mà dòng điện tần số cao và điện áp xuất hiện trên đường dữ liệu tần số thấp? Có một số cách để điều này có thể xảy ra. Hầu hết đều liên quan đến việc thiết kế và bố trí các mạch tích hợp (IC) được kết nối với các các đường này. Một số vi mạch làm tạo nhiễu bên trong của chúng và những vi mạch khác thì không. Một thiết kế kém có thể gây ra dao động điện áp tần số cao trên đường đi dây đầu vào và đầu ra kết nối với vi mạch. Thiết kế tốt có thể tương đối yên tĩnh.
Khi đặt một bảng mạch in có một vi mạch không quen thuộc được tạo xung nhịp bên trong ở tần số cao, bạn nên coi mọi chân trên vi mạch đó như thể nó là một nguồn tần số cao có cùng đặc tính với xung nhịp bên trong. Nếu không, nguồn hoặc đường tín hiệu kỹ thuật số tốc độ thấp có thể là nguồn phát bức xạ đáng kể nhất.
Xác định các đường dẫn dòng điện Bố trí linh kiện và đi dây mạch in PCB
Có lẽ sự khác biệt quan trọng nhất giữa các nhà thiết kế mạch kỹ thuật số và kỹ sư EMC là các kỹ sư EMC (và tính toàn vẹn của tín hiệu) rất chú ý đến dòng điện chạy trong mạch cũng như điện áp. Đây là một điểm rất quan trọng. Hầu hết các thiết kế kém là kết quả trực tiếp của việc bỏ qua việc xem xét nơi các dòng tín hiệu có thể đi qua.
Mặc dù điều này đã được thảo luận trong phần trước, chủ đề xác định đường dẫn dòng điện là rất quan trọng đối với thiết kế bảng mạch in tốt nên đáng xem lại các khái niệm chính ở đây. Đầu tiên và quan trọng nhất,
1.Dòng điện chạy theo vòng.
Cùng một lượng dòng điện chạy ra một phía của nguồn phải được hút vào từ phía bên kia.
2. Dòng điện đi theo con đường ít trở kháng nhất.
Ở các tần số thấp (kHz và thấp hơn), trở kháng bị chi phối bởi điện trở, vì vậy dòng điện có (các) đường có điện trở ít nhất. Ở tần số cao (MHz và cao hơn), trở kháng bị chi phối bởi thuật ngữ điện cảm do đó dòng điện có đường đi của điện cảm ít nhất.
Hãy xem xét cách bố trí bảng mạch được minh họa trong Hình 6. Một tín hiệu 50 MHz lan truyền trên một đườn đi dây phía trên mặt phẳng từ Thành phần A đến Thành phần B. Chúng ta biết rằng một lượng dòng điện bằng nhau do đó phải chạy từ Thành phần B đến Thành phần A. Trong trường hợp này chúng ta sẽ giả định rằng dòng điện này thoát ra khỏi chân của Thành phần B – GND và quay trở lại chân của Thành phần A-GND. Vì một mặt phẳng được cung cấp và các chân nối đất của cả hai thành phần gần nhau, nên có thể kết luận rằng dòng điện đi theo đường ngắn nhất giữa chúng. Tuy nhiên, bây giờ chúng ta biết rằng điều này là không chính xác. Dòng điện tần số cao có đường dẫn ít điện cảm nhất hoặc đường dẫn có diện tích vòng lặp ít nhất. Do đó, phần lớn dòng tín hiệu quay trở lại chảy theo một đường hẹp (Đường dẫn 2) ngay bên dưới đường dây tín hiệu.
Nếu mặt phẳng bị cắt vì bất kỳ lý do gì, như được chỉ ra trong Hình 7, thì một khoảng trống ở vị trí 2 sẽ có ít ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của tín hiệu hoặc đối với phát xạ bức xạ. Tuy nhiên, khoảng cách ở vị trí số 1 có thể dẫn đến những vấn đề đáng kể. Dòng điện return theo đường đi dây buộc phải đi vòng quanh khoảng trống. Điều này làm tăng đáng kể diện tích vòng lặp tín hiệu.
Ở tần số thấp (thường là tần số kHz trở xuống), điện trở của các mặt phẳng có xu hướng lan truyền dòng điện ra ngoài để dòng điện chạy giữa hai điểm ở xa nhau có thể bao phủ hầu hết bảng như trong Hình 8. Trên bảng tín hiệu hỗn hợp, với tần số thấp các thành phần tương tự và kỹ thuật số tần số, điều này có thể tạo ra vấn đề. Hình 9 minh họa cách một khe hở được đặt trong mặt phẳng đất có thể bảo vệ các mạch điện nằm trong một vùng cụ thể của bảng khỏi dòng điện hồi tần số thấp chạy trong mặt phẳng.
Nhận dạng Anten
Phần về bức xạ điện từ chỉ ra rằng về cơ bản có 3 điều kiện phải được đáp ứng để hầu hết các ăng-ten không chủ ý mà một kỹ sư EMC gặp phải có thể phát bức xạ hiệu quả:
- Ăng-ten phải có hai phần;
- cả hai bộ phận không được nhỏ điện;
- vật gì đó phải tạo ra hiệu điện thế giữa 2 phần.
Hầu hết các bảng mạch in có điện năng nhỏ ở tần số dưới 100 MHz ( λ > 3 mét). Điều này ngụ ý rằng bất kỳ bộ phận ăng ten hiệu quả nào phải tương đối lớn so với hầu hết các thành phần của bo mạch. Nói chung, ở các tần số thấp, bộ phận ăng-ten duy nhất khả thi là các dây cáp đi kèm và / hoặc khung kim loại. Nếu bảng mạch in được bố trí theo cách giảm thiểu khả năng tạo ra điện áp giữa bất kỳ hai trong số các bộ phận ăng ten có thể có này, thì khả năng xảy ra sự cố phát xạ hoặc nhạy cảm với bức xạ sẽ ít hơn nhiều.
Hình 10 cho thấy hai cách bố trí bảng mạch in. Các đầu nối và kết nối khung đại diện cho các bộ phận ăng ten có thể có. Bố trí # 2 ít có khả năng gặp sự cố ghép bức xạ dưới 100 MHz, vì nó ít có khả năng phát triển điện áp đáng kể giữa bất kỳ hai dây dẫn nào có khả năng hoạt động như một ăng-ten. Điều này đạt được đơn giản bằng cách đặt hai đầu nối trên cùng một mặt của bảng.
Ở tần số trên 100 MHz, bước sóng ngắn hơn và nhiều khả năng các vật thể gắn trên bảng (hoặc chính bảng mạch) có thể đóng vai trò là bộ phận ăng ten hiệu quả. Tuy nhiên, ngay cả ở tần số lên đến vài GHz, các bộ phận ăng ten này tương đối dễ phát hiện. Ví dụ, ở 1 GHz, bước sóng trong không gian tự do là 30 cm. Một phần tư bước sóng là 7,5 cm. Do đó, một phần ăng-ten sẽ phải dài ít nhất vài cm và được điều khiển so với thứ gì đó lớn hơn. Nhớ lại rằng các dòng điện vi sai (dòng điện có đường trở lại gần đó) là các nguồn bức xạ tương đối kém hiệu quả. Điều này có nghĩa là một đường đi dây nằm ngay bên cạnh hoặc phía trên đường trở lại dòng điện của nó không phải là một phần ăng-ten. Vì vậy, nếu một nửa ăng ten của chúng ta là một mặt phẳng kim loại trên bảng, nửa còn lại phải nhô lên và cách xa mặt phẳng. Điều này giúp các bộ phận như ăng-ten này có thể dễ dàng nhận dạng ngay cả ở tần số tương đối cao. Bảng 1 liệt kê các bộ phận có thể như là ăng ten phổ biến được tìm thấy trên bảng mạch in trên và dưới 100 MHz.
Bảng 1.
Các bộ phận như là ăng ten | Các bộ phận ăng ten kém | ||
<100 MHz | > 100 MHz | <100 MHz | > 100 MHz |
Dây cáp | Tản nhiệt |
|
|
| Power planes | Trace in microstrip và Stripline | Trace in microstrip và traceStripline |
| Linh kiện cao | Những linh kiện nhỏ |
|
| Các đường nối trong hộp đựng | ||
Xác định cơ chế khớp nối – Bố trí linh kiện và đi dây mạch in PCB
Một khi chúng tôi đã xác định được các nguồn tiềm năng hoặc nạn nhân(nơi bị ảnh hưởng) và các ăng-ten tiềm năng, việc bố trí bo mạch tốt chỉ đơn giản là vấn đề giảm thiểu sự kết hợp giữa hai loại. Trước đó, chúng ta đã biết rằng chỉ có 4 loại cơ chế ghép điện từ có thể có:
- Dẫn điện, điện dung, từ tính hoặc cảm ứng và bức xạ
Vì chúng ta đang nói về việc ghép nối giữa một nguồn và ăng ten của nó trên cùng một bảng mạch in, nên chúng ta không có khả năng ghép nối bức xạ. Do đó, chỉ có ba cơ chế ghép nối mà chúng ta cần xem xét. Việc ghép nối được tiến hành sẽ chỉ xảy ra nếu nguồn mà chúng tôi đã xác định trực tiếp dẫn động một phần ăng ten hiệu quả so với phần khác. Một ví dụ về ghép nối được tiến hành sẽ là một đườn dẫn tín hiệu đủ dài để trở thành một phần ăng ten hiệu quả được điều khiển liên quan đến tín hiệu trả về nhưng không được định tuyến trên mặt phẳng đó. Trong trường hợp này, nguồn sẽ là nguồn tín hiệu và ăng-ten sẽ là cặp mặt phẳng.
Việc ghép nối được tiến hành có xu hướng dễ dàng phát hiện khi nguồn và các bộ phận ăng ten đã được xác định. Tuy nhiên, các cơ chế ghép nối trường có xu hướng ít rõ ràng hơn. Để làm cho việc ghép từ trường trực quan hơn một chút, sẽ thuận tiện hơn khi nghĩ ghép từ trường là tỷ lệ với điện áp nguồn ( điều khiển điện áp ) và ghép từ trường là tỷ lệ với dòng điện nguồn ( điều khiển dòng điện ) .
Ghép từ trường (còn gọi là ghép cảm ứng) xảy ra khi năng lượng được ghép từ mạch này sang mạch khác thông qua một từ trường. Vì dòng điện là nguồn của từ trường nên điều này rất dễ xảy ra khi trở kháng của mạch nguồn thấp
Ghép nối hướng áp – Bố trí linh kiện và đi dây mạch in PCB
Ví dụ về ghép nối hướng áp dẫn đến phát xạ bức xạ được minh họa trong Hình 11 (a), cho thấy một đường tín hiệu được định tuyến bên dưới một bộ tản nhiệt. Nếu bộ tản nhiệt không nhỏ về mặt điện, nó có khả năng là một ăng-ten. Các mặt phẳng kim loại của bo mạch là một phần ăng ten tiềm năng khác. Đường dây không kết nối trực tiếp với tản nhiệt, vì vậy không có đường dẫn ghép nối . Tuy nhiên, điện áp trên đường dẫn có hướng vào bộ tản nhiệt so với bo mạch vì đường sức điện trường giữa đường dẫn và bo mạch bị chặn bởi tản nhiệt, như minh họa trong Hình 11 (b). Sự ghép nối điện trường này có thể được biểu diễn bằng điện dung như chỉ ra trong Hình 11 (c). Điện áp gây ra trên bộ tản nhiệt so với bảng được cho bởi,
Thông thường, các nhà thiết kế bo mạch tránh định tuyến các đường tín hiệu tốc độ cao trực tiếp dưới các bộ tản nhiệt lớn. Một ví dụ khác phổ biến hơn về ghép nối hướng áp được minh họa trong Hình 12. Một thành phần hoạt động được kẹp giữa bảng mạch in và bộ tản nhiệt. Một lần nữa, cả bo mạch và bộ tản nhiệt đều không nhỏ về mặt điện ở tần số quan tâm. Điện áp trung bình trên linh kiện không bằng điện áp trên bo mạch do linh kiện đang vẽ dòng điện tần số cao qua một điện cảm kết nối hữu hạn, như được chỉ ra trong Hình 12 (a). Điện áp này dẫn động bề mặt của linh kiện so với bề mặt của bo mạch như được chỉ ra bởi mô hình trong Hình 12 (b). Không có kết nối trực tiếp giữa bộ tản nhiệt và nguồn, vì vậy chúng tôi không thể tiến hành ghép nối. Tuy nhiên,
Lưu ý rằng trong trường hợp này, một dòng điện tạo ra điện cảm tạo ra điện áp nguồn. Nói cách khác, có một từ trường tham gia vào quá trình ghép nối. Tuy nhiên, trường ghép thành phần với ăng ten là điện trường và phát xạ bức xạ tỷ lệ với điện áp của thành phần so với bo mạch. Do đó, chúng tôi vẫn gọi đây là khớp nối điều khiển điện áp.
Ghép nối hướng dòng – Bố trí linh kiện và đi dây mạch in PCB
Khi sự ghép nối giữa nguồn và anten là do từ trường và tỷ lệ với dòng tín hiệu, nó được gọi là ghép nối hướng dòng . Các nhà thiết kế vi mạch thường nghĩ đến các tín hiệu dưới dạng điện áp và do đó ít có khả năng vô tình điều khiển một ăng-ten với tín hiệu điện áp. Tuy nhiên, nếu họ bỏ qua việc xem xét dòng điện đang chạy ở đâu, thì rất có thể thiết kế của họ có thể điều khiển hai bộ phận ăng ten với từ trường.
Một ví dụ rất phổ biến về khớp nối hướng dòng điện được minh họa trong Hình 13. Một bảng được thiết kế khác có các đầu nối được gắn vào mỗi bên. Bây giờ chúng ta sẽ giả định rằng các dây cáp được bảo vệ hoàn hảo và Shielded cable (Cáp được che chắn hoặc cáp được sàng lọc là cáp điện của một hoặc nhiều dây dẫn cách điện được bao bọc bởi một lớp dẫn điện chung. Tấm khiên có thể bao gồm các sợi đồng bện, một cuộn dây xoắn không bện của băng đồng hoặc một lớp polymer dẫn) được kết nối với mặt phẳng “mặt đất” trên bảng mạch. Một mạch bao gồm một đường dẫn tín hiều microstrip(là một loại đường dây dẫn điện có thể được chế tạo bằng bất kỳ công nghệ nào trong đó dây dẫn được ngăn cách với mặt đất bởi một lớp điện môi được gọi là chất nền. Microstriplines được sử dụng để truyền tải tín hiệu vi sóng) duy nhất được điều khiển ở một đầu và kết thúc ở đầu kia .
Chúng ta đã biết rằng các đường tín hiệu microstrip không phải là nguồn phát bức xạ hiệu quả, vì vậy bộ phận ăng ten duy nhất có thể có trong thiết kế này là hai Shielded cable và chúng đều được “nối đất”. Tuy nhiên, hãy nhớ rằng một yêu cầu quan trọng đối với dây dẫn “nối đất” là nó không mang dòng điện hoặc tín hiệu có chủ đích.
Như được chỉ ra trong Hình 13 (b), mặt phẳng “mặt đất” trong thiết kế này mang các dòng tín hiệu. Trên thực tế, dòng điện chạy giữa các lớp tạo ra từ thông quấn quanh các lớp. Nếu chúng ta xem hai cáp như các bộ phận của ăng ten và biểu diễn đường dẫn dòng điện của ăng ten bằng trở kháng ăng ten, được minh họa trong Hình 13 (c), thì rõ ràng là dòng điện chạy trong mạch microstrip tạo ra điện áp trên mặt phẳng tác động một cáp so với cáp kia.
Mặc dù đúng là điện áp gây ra trên mặt phẳng thường thấp hơn một vài bậc độ lớn so với điện áp tín hiệu, nhưng một vài milivon nhiễu trên một ăng-ten là đủ để vượt quá yêu cầu về phát xạ bức xạ của FCC và CISPR. Trên thực tế, khi các thành phần kỹ thuật số tốc độ cao nằm giữa các đầu nối trên bo mạch trong một sản phẩm không được che chắn, sẽ rất khó đáp ứng các yêu cầu về phát xạ bức xạ. Mặt khác, khi hai đầu nối nằm cạnh nhau, không chắc từ trường sẽ tạo ra đủ điện áp giữa chúng để gây ra sự cố.
Ghép nối trực tiếp tới I/O – Bố trí linh kiện và đi dây mạch in PCB
Mặc dù, nói một cách chính xác, nó không phải là một cơ chế ghép nối độc lập, một vấn đề phổ biến xảy ra với bố trí bảng mạch in là ghép trực tiếp từ nguồn nhiễu đến các đường đi dây có khả năng mang nhiễu đó ra khỏi bo mạch. Ví dụ về điều này được minh họa trong Hình 14. Một đường đi dây tốc độ cao vừa phải được định tuyến cùng với một đường dẫn khác gắn vào một đầu nối. Điện áp và / hoặc dòng điện được ghép từ đường này sang đường khác (thông qua điện trường hoặc từ trường) có thể được truyền xuống đường I / O và ra khỏi bo mạch. Trong ví dụ minh họa trong hình, hai phần ăng ten có thể là cáp I / O được điều khiển so với bo mạch hoặc một dây trong cáp I / O được điều khiển so với phần còn lại.
Bạn có thể nghĩ rằng đây là một vấn đề hiếm gặp, bởi vì nó khá rõ ràng khi bạn nhìn thấy nó. Tuy nhiên, trên một bảng có hàng trăm hoặc hàng nghìn đường dây do máy tính tự động đặt ra, tình huống này xảy ra thường xuyên hơn mức bình thường. Nếu máy tính tự động của bạn không thể kiểm tra các dấu vết I / O được định tuyến trong vùng lân cận của các dấu vết tốc độ cao, thì bạn nên thực hiện thủ công. Điều tương tự cũng áp dụng cho các dấu vết I / O được định tuyến trong vùng lân cận của các dấu vết kết nối với các đầu vào dễ bị tổn thương, vì cách dễ nhất để nhiễu bức xạ đi vào bo mạch là thông qua I / O.
Nguyên tắc thiết kế bảng mạch in
Như đã chỉ ra trước đó trong các ghi chú này, nhiều nhà thiết kế bo mạch sử dụng một danh sách các hướng dẫn để giúp đặt các thành phần và định tuyến. Bây giờ chúng ta đã biết thêm một chút về nguồn nhiễu, ăng-ten và cơ chế ghép nối trên bảng mạch in, chúng ta có thể xem xét kỹ hơn một số hướng dẫn thiết kế này và hiểu tại sao và khi nào chúng lại quan trọng. Dưới đây là danh sách 16 hướng dẫn thiết kế EMC cho bảng mạch in cùng với lời giải thích ngắn gọn cho từng nguyên tắc.
1. Độ dài của các đường mang tín hiệu hoặc xung nhịp thuật số tốc độ cao nên được giảm thiểu.
Xung nhịp và tín hiệu kỹ thuật số tốc độ cao thường là nguồn nhiễu mạnh nhất. Những đường dẫn này càng lâu thì càng có nhiều cơ hội để kết nối năng lượng khỏi những đường dẫn này. Cũng nên nhớ rằng, khu vực vòng lặp đó thường quan trọng hơn độ dài đường dẫn. Đảm bảo rằng có một đường trở lại dòng điện tần số cao tốt ở rất gần mỗi đường dẫn.
2. Chiều dài của các đường gắn trực tiếp vào các kết nối (đường I / O) nên được giảm thiểu.
3. Không nên định tuyến các tín hiệu có tần số cao bên dưới các thành phần được sử dụng I / O của bo mạch.
Các đường dẫn được định tuyến trong một thành phần có thể ghép năng lượng điện cảm hoặc cảm ứng cho thành phần đó.
4. Tất cả các đầu nối nên được đặt ở một cạnh hoặc trên một góc của bảng.
Các đầu nối đại diện cho các bộ phận ăng-ten hiệu quả nhất trong hầu hết các thiết kế. Việc định vị chúng trên cùng một cạnh của bảng giúp việc kiểm soát điện áp ở chế độ chung dễ dàng hơn nhiều có thể dẫn động một đầu nối này sang một đầu nối khác.
5. Không nên đặt mạch tốc độ cao giữa các kết nối I / O.
Ngay cả khi hai đầu nối nằm trên cùng một cạnh của bảng mạch, mạch tốc độ cao nằm giữa chúng có thể tạo ra đủ điện áp ở chế độ chung để điều khiển một đầu nối so với đầu nối kia, dẫn đến phát xạ bức xạ đáng kể.
6. Các đường tín hiệu quan trọng hoặc xung nhịp nên được đi giữa các lớp nguồn/đất.
Định tuyến một đường trên một lớp giữa hai mặt phẳng thực hiện một công việc tuyệt vời trong việc chứa các trường từ các đường này và ngăn chặn sự ghép nối không mong muốn.
7. Chọn các thành phần kỹ thuật số đang hoạt động có thời gian chuyển đổi off-chip tối đa .
Nếu thời gian chuyển đổi của dạng sóng kỹ thuật số nhanh hơn mức cần thiết, thì công suất ở các sóng hài trên có thể cao hơn nhiều so với mức cần thiết. Nếu thời gian chuyển tiếp của logic được sử dụng nhanh hơn mức cần thiết, chúng thường có thể bị chậm lại bằng cách sử dụng điện trở nối tiếp hoặc ferrites.
8. Tất cả các giao tiếp ngoài bo mạch từ một thiết bị duy nhất phải được định tuyến qua cùng một đầu nối.
Nhiều thành phần (đặc biệt là các thiết bị VLSI lớn) tạo ra một lượng đáng kể nhiễu chế độ chung giữa các chân I / O khác nhau. Nếu một trong những thiết bị này được kết nối với nhiều hơn một đầu nối,nhiễu ở chế độ chung này có khả năng làm hỏng một ăng-ten . (Thiết bị cũng sẽ dễ bị nhiễu bức xạ hơn trên ăng-ten này.)
9. Các đường độ cao (hoặc sense) nên được định tuyến ít nhất 2X từ mép Bo mạch, trong đó X là khoảng cách giữa đường dẫn và đường dòng điện return của nó
Nhiễu xuyên âm và ghép nối đến và đi từ anten có xu hướng lớn hơn từ các đường này.
10. Các cặp đường tín hiệu vi sai nên được định tuyến cùng nhau và duy trì cùng khoảng cách với bất kỳ mặt lớp nào.
Tín hiệu vi sai ít bị nhiễu hơn và ít có khả năng tạo ra bức xạ phát xạ nếu chúng được cân bằng (nghĩa là chúng có cùng chiều dài và duy trì cùng một trở kháng so với các dây dẫn khác).
11. Tất cả các mặt phẳng nguồn (ví dụ: điện áp) được tham chiếu đến cùng một mặt phẳng trở lại nguồn (ví dụ: mặt đất), nên được định tuyến trên cùng một lớp.
Ví dụ, nếu một bảng sử dụng ba điện áp 3,3 volt, 3,3 volt analog và 1,0 volt; thì thường mong muốn giảm thiểu sự ghép nối tần số cao giữa các mặt phẳng này. Đặt các mặt phẳng điện áp trên cùng một lớp sẽ đảm bảo rằng không có sự chồng chéo. Nó cũng sẽ giúp thúc đẩy bố trí hiệu quả, vì các thiết bị đang hoạt động không có khả năng yêu cầu hai điện áp khác nhau ở bất kỳ vị trí nào trên bảng.
12. Khoảng cách giữa hai mặt phẳng nguồn bất kỳ trên một lớp nhất định phải ít nhất là 3 mm.
Nếu hai mặt phẳng quá gần nhau trên cùng một lớp, có thể xảy ra hiện tượng ghép tần số cao đáng kể. Trong các điều kiện bất lợi, hồ quang hoặc quần ngắn cũng có thể là một vấn đề nếu các mặt phẳng đặt quá gần nhau.
13. Trên bảng có nguồn và đất, không được sử dụng đường dẫn để nối với nguồn hoặc đất. Kết nối phải được thực hiện bằng cách sử dụng qua liền kề với nguồn điện hoặc pad của linh kiện.
Các đường trên một kết nối đến một mặt phẳng nằm trên một lớp khác chiếm không gian và thêm điện cảm vào kết nối. Nếu trở kháng tần số cao là một vấn đề (như với các kết nối tách bus nguồn), điện cảm này có thể làm giảm đáng kể hiệu suất của kết nối.
14. Nếu thiết kế có nhiều hơn một lớp đất, thì bất kỳ kết nối nào với đất tại một vị trí nhất định phải được thực hiện cho tất cả các lớp đất tại vị trí đó.
Nguyên tắc hướng dẫn tổng thể ở đây là dòng điện tần số cao sẽ đi theo con đường có lợi nhất (điện cảm thấp nhất) nếu được phép. Đừng cố định hướng dòng chảy của các dòng điện này bằng cách chỉ kết nối với các mặt phẳng cụ thể.
15. Không được có khe hở hoặc khe trên mặt phẳng đất.
Tốt nhất là bạn nên có một lớp GND (tín hiệu trả về) và một lớp dành riêng cho mặt phẳng này. Bất kỳ nguồn điện hoặc tín hiệu bổ sung nào trở lại phải được cách ly DC khỏi mặt đất phải được định tuyến trên các lớp khác với lớp dành cho mặt đất.
16. Tất cả các dây dẫn nguồn hoặc dây nối đất trên bo mạch tiếp xúc với (hoặc cặp với) khung máy, dây cáp hoặc các “bộ phận ăng ten” tốt khác phải được liên kết với nhau ở tần số cao.
Các điện áp ngoài dự kiến giữa các dây dẫn khác nhau được gọi là “đất” trên danh nghĩa là nguồn chính của các vấn đề về cảm nhiễm và phát xạ bức xạ.
Ngoài 16 hướng dẫn ở trên, các nhà thiết kế bảng thường sử dụng các hướng dẫn cụ thể cho ngành của họ. Ví dụ: “Các mạch tạo xung sử dụng các vòng khóa pha phải có nguồn cách ly riêng của chúng lấy từ nguồn của bo mạch thông qua hạt ferit.” Những hướng dẫn này dựa trên kinh nghiệm có thể là vô giá đối với nhà thiết kế bo mạch am hiểu. Tuy nhiên, những hướng dẫn tương tự này được áp dụng cho các thiết kế khác mà không có khái niệm về nguồn gốc của chúng hoặc lý do tại sao chúng hoạt động có thể dẫn đến lãng phí công sức và các bảng không chức năng. Điều rất quan trọng là phải hiểu vật lý cơ bản đằng sau mỗi và mọi hướng dẫn đang được áp dụng.
Điều quan trọng nữa là phải xác định các nguồn nhiễu tiềm ẩn, ăng-ten và đường dẫn ghép nối với mọi thiết kế mà bạn đánh giá. Thiết kế tốt nhất sẽ không phải là thiết kế tuân thủ các nguyên tắc nhất. Thiết kế tốt nhất là thiết kế đáp ứng tất cả các thông số kỹ thuật với chi phí thấp nhất và độ tin cậy cao nhất.
Ví dụ 1: Bố cục bảng một lớp đơn giản
Harvey phát minh ra một thiết bị ghi lại các cuộc điện thoại được thực hiện từ điện thoại của mình. Thiết kế tương đối đơn giản và được thể hiện trong Hình 15. Tuy nhiên, khi nó được nối vào đường dây điện thoại, bức xạ từ thiết bị sẽ cản trở việc thu sóng TV của anh ta.
Thiết kế lại bo mạch của Harvey để giảm EMI bức xạ. Bạn có thể di chuyển các thành phần và / hoặc thêm các thành phần, nhưng bạn phải sử dụng bảng một mặt.
Chúng ta nên bắt đầu bằng cách xác định các nguồn và anten tiềm năng. Chắc chắn, tín hiệu xung nhịp 8 MHz là một nguồn tiềm năng và các đường dữ liệu cũng vậy. Thiết bị này cũng có thể gây ra tiếng ồn đáng kể trên các đường nguồn. Bộ phận ăng-ten tiềm năng là ba đầu nối. Không có gì khác trên bảng này đủ lớn để trở thành một nguồn bức xạ hiệu quả.
Khi chúng ta bắt đầu sắp xếp lại các thành phần, chúng ta nên cố gắng đặt tất cả các bộ phận ăng-ten (tức là các đầu nối) về một phía của bo mạch. Chúng ta cũng nên định hướng lại các thành phần để giảm thiểu độ dài của dấu vết. Cuối cùng, chúng ta nên lấp đất trống trên bảng và đảm bảo rằng mỗi dấu vết tín hiệu có một đường trở lại gần đó.
Một giải pháp cho vấn đề này được thể hiện trong Hình 16. Hãy thử theo dõi đường đi của dòng tín hiệu 8 MHz trong cách bố trí của Hình 15 so với đường tương tự trong Hình 16. Dòng điện này chảy ra chân đầu ra xung nhịp của bộ dao động, vào chân đầu vào xung nhịp của IC trên, ra chân nối đất của IC trên và vào chân nối đất của bộ dao động. Khu vực vòng lặp này nhỏ hơn đáng kể trong cách bố trí Hình 16. Cũng lưu ý rằng không có dòng điện tần số cao nào quay trở lại trên phần mặt phẳng giữa hai đầu nối bất kỳ trong sơ đồ Hình 16- Bố trí linh kiện và đi dây mạch in PCB.
Bố trí linh kiện và đi dây mạch in PCB trong Hình 15 không có khả năng đáp ứng đặc điểm kỹ thuật phát xạ bức xạ và do đó không thể được tiếp thị hoặc bán. Thiết kế trong Hình 16 phải đáp ứng hầu hết các thông số kỹ thuật về khí thải bức xạ của bất kỳ quốc gia nào mà không cần bất kỳ vật liệu che chắn hoặc các thành phần chi phí cao nào. Lưu ý rằng chúng tôi có thể đã cung cấp các miếng đệm để gắn các thành phần bộ lọc trên đường dây điện thoại nếu chúng tôi cảm thấy cần thiết.
