• Differenzstrom und Gleichtaktstrom
a. Differentielle Übertragung und Gleichtaktübertragung
Jede Schaltung enthält Gleichtaktstrom (CM) und Gegentaktstrom (DM). Beide bestimmen das Ausmaß der HF-Übertragung. Tatsächlich besteht ein großer Unterschied zwischen ihnen. Wenn ein Adernpaar oder Leiterbahnen und eine Referenz-Rückleitung vorhanden sind, kann jede der beiden Stromarten auftreten. Allgemein gesprochen tragen DM-Signale Daten oder nützliche Informationen. Der Gleichtakt hingegen verursacht die meisten EMV-Probleme als negative Auswirkung des DM-Stroms. DM-Übertragung wird üblicherweise als Übertragung von Leitung zu Leitung definiert, während CM-Übertragung üblicherweise als Übertragung von Leitung zu Masse definiert wird. Die maximale Feldstärke, die von einer geschlossenen Schleife erzeugt wird, kann mit der Formel berechnet werden
.Ebezieht sich auf die maximale Feldstärke (μV/m);rbezieht sich auf den Abstand zwischen geschlossener Schleife und Messantenne (m);fbezieht sich auf die Frequenz (MHz);Ichsbezieht sich auf den aktuellen Wert (mA); A bezieht sich auf die Fläche der Schleife (cm²).
Basierend auf der obigen Formel ist eindeutig ersichtlich, dass die Feldstärke direkt proportional zur Schleifenfläche ist. Um den DM-Übertragungspegel (TL) zu verringern, sollte die Schleifenfläche zusätzlich zur Reduzierung des Quellstroms verkleinert werden.
CM-Strahlung entsteht durch einen Spannungsabfall, der dazu führt, dass die teilweise Erdungsspannung höher ist als die Bezugserde. Ein mit einem einflussreichen Erdungssystem verbundenes Kabel wird als Antenne betrachtet, die ein Bestandteil der CM-Strahlung ist. Die Fernfeldkomponente kann durch die folgende Formel beschrieben werden
,Kbezieht sich auf den Transmissionskoeffizienten;Ichbezieht sich auf CM-Strom (A);lbezieht sich auf die Kabellänge (m);fbezieht sich auf die Übertragungsfrequenz (MHz);rbezieht sich auf die Entfernung (m).
Diese Formel zeigt eindeutig, dass die Feldstärke direkt proportional zur Kabellänge ist. Die Reduzierung der Gleichtaktübertragung hängt von der Verringerung des Gleichtaktstroms und der Verkürzung der Kabellänge ab.
b. Umrechnung zwischen CM und DM
DM und CM können gegenseitig ineinander umgewandelt werden, wenn zwei Signalleitungen mit unterschiedlicher Impedanz vorhanden sind. Die Impedanz wird hauptsächlich durch Leitungen oder kammförmige Kondensatoren und Induktivitäten bestimmt, die mit der physischen Leiterführung zusammenhängen. Bei der Leiterführung der meisten PCBs sollten parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten gut kontrolliert und auf ein Minimum reduziert werden, damit CM und DM nicht erzeugt werden. Daher müssen Schaltungen, die empfindlich auf die Umgebung reagieren, durch eine bestimmte Methode ins Gleichgewicht gebracht werden, sodass die Leitungen oder die kammförmigen Kapazitäten jedes Leiters den parasitären Kapazitäten entsprechen.
c. Allgemeine Methode zur Unterdrückung von Gleichtakt- und Gegentaktstörungen
Die grundlegende Richtlinie zur Unterdrückung von Gleichtakt- (CM) und Gegentaktströmen (DM) sowie HF‑Störungen beruht auf dem Ausgleich der Stromkapazität oder der Minimierung der Stromkapazität. Wenn Strom durch Leiterbahnen fließt, werden magnetische Kraftlinien erzeugt, was zur Entstehung eines elektrischen Feldes führt. Beide Felder sind in der Lage, HF‑Energie abzustrahlen. Wenn die magnetischen Kraftlinien ausgeglichen oder auf ein Minimum reduziert werden, existiert keine HF‑Energie mehr, wodurch die Störungen letztendlich unterbunden werden. Konkrete Maßnahmen oder Regeln, an die man sich halten kann, werden im späteren Teil dieses Artikels erläutert.
• Übersprechen
Als ein entscheidendes Element des Leiterplattendesigns muss Übersprechen in jedem Schritt des gesamten Prozesses sorgfältig berücksichtigt werden. Übersprechen bezeichnet unerwünschte elektromagnetische Kopplungen zwischen Leiterbahnen, Anschlüssen, Kabelbündeln, Bauteilen oder anderen elektronischen Komponenten, die dazu neigen, von elektromagnetischen Störungen beeinflusst zu werden.
Als führender Übertragungsmechanismus für EMI (elektromagnetische Störungen) neigt Übersprechen dazu, Störungen zwischen Leiterbahnen zu verursachen. Übersprechen lässt sich in kapazitive Kopplung und induktive Kopplung einteilen. Erstere resultiert in der Regel daraus, dass sich eine Leiterbahn über anderen Leiterbahnen oder einer Referenzebene befindet. Letztere entsteht üblicherweise durch Leiterbahnen, die sich physisch nahe beieinander befinden. Bei parallelen Leiterbahnen tritt Übersprechen in zwei Modi auf: vorwärts und rückwärts. Bei Leiterplatten ist rückwärtiges Übersprechen stärker zu berücksichtigen als vorwärtsgerichtetes Übersprechen. In Schaltungen gilt: Je größer die Impedanz zwischen der Störquelle (Versorgung) und den gestörten Leiterbahnen ist, desto höher ist das Übersprechpegel. Induktives Übersprechen kann kontrolliert werden, indem der Kantenabstand zwischen Leiterbahnen sowie Übertragungsleitungen oder Anschlüssen vergrößert oder der Abstand zwischen Leiterbahnen und Referenzebene minimiert wird.
• Digitale Signalspektrumanalyse
a. Digitale Signale
Ein Merkmal digitaler Signale ist die Rechteckwelle, und Rechteckwellensignale setzen sich aus der Grundwelle und vielen harmonischen Sinusschwingungen zusammen. Die Fourier-Transformation kann angewendet werden, um den Frequenzbereichsverlauf digitaler Signale zu erfassen. Daher gilt: Je kürzer die Pulswiederholperiode ist, desto höher ist ihre Wiederholfrequenz und desto höher sind auch die Oberwellenfrequenzen. Theoretisch ist die Anstiegszeit einer Rechteckwelle gleich Null, sodass der Oberwellenanteil unendlich ist. In der Praxis handelt es sich jedoch um eine trapezförmige Wellenform mit sowohl ansteigender als auch abfallender Flanke.
b. Umwandlung im Zeit- und Frequenzbereich des Pulses (Fourier-Transformation)
Die Fourier-Transformation zerlegt einen Rechteckimpuls in Kosinus- oder Sinuswellen gemäß der Formel
. In dieser Gleichung,ADnbezieht sich auf die Amplitude jeder Kosinuswelle;nbezieht sich auf die Anzahl der harmonischen Wellen;wbezieht sich auf die Kreisfrequenz.
• Entkopplung und Erdung
a. Entkopplungsdesign
Ein aus Induktivität und Kapazität aufgebauter Tiefpassfilter ist in der Lage, hochfrequente Störsignale zu filtern. Die parasitäre Induktivität auf Leitungen verlangsamt die Stromversorgung, sodass der Ausgangsstrom der Treiberbausteine abnimmt. Eine geeignete Platzierung des Entkopplungskondensators und die Nutzung der Energiespeicherfunktion von Induktivität und Kapazität ermöglichen es, die Bauteile genau in den Ein- und Ausschaltmomenten mit Strom zu versorgen. In einem Gleichstromkreis ruft eine Laständerung Störgeräusche in der Versorgung hervor. Eine geeignete Konfiguration der Entkopplungskondensatoren kann verhindern, dass durch Laständerungen Störungen entstehen.
b. Erdungsdesign
Für elektronische Geräte ist die Erdung eine entscheidende Methode zur Kontrolle von Störungen. Wenn die Erdung korrekt mit Abschirmungsmaßnahmen kombiniert wird, lassen sich die meisten Störungsprobleme lösen.
• Komponentenlayout und -führung
Das Schaltkreis-Layout bestimmt direkt das Ausmaß der elektromagnetischen Störungen und die Stärke der Störfestigkeit. Eine geeignete Anordnung erhöht nicht nur die Effizienz der Schaltung, sondern verbessert auch die EMV des gesamten Systems. Je höher die Arbeitsfrequenz einer einzelnen Schaltung wird, desto höher ist die Geschwindigkeit und desto vielfältiger wird das Signalspektrum. Folglich gilt: Je höher der Anteil der Hochfrequenzanteile ist, desto stärker sind die Störungen. Aus Frequenzsicht kommt zuerst die Hochfrequenzschaltung, dann die Mittelfrequenzschaltung und schließlich die Niederfrequenzschaltung. Aus Sicht der Logikgeschwindigkeit kommt jedoch zuerst die Hochgeschwindigkeitsschaltung, dann die Mittelgeschwindigkeitsschaltung und schließlich die Niedriggeschwindigkeitsschaltung. Entsprechend dieser Theorie sollte das Schaltkreis-Layout gemäß dem folgenden Design umgesetzt werden.
Abgesehen von der Klassifizierung nach Häufigkeit oder Geschwindigkeit können auch Funktion und Typ als Klassifikationskriterien verwendet werden. Die konkreten Maßnahmen, die zu ergreifen sind, werden im weiteren Verlauf dieses Artikels ausführlich besprochen. Lesen Sie weiter, und Sie werden sie im Detail erfahren.
Da die Störquellen, die eine Beeinträchtigung der EMV-Leistung von Schaltungen verursachen, ermittelt wurden, sollten entsprechende EMV-Designregeln ausgearbeitet werden, die auf diese Quellen zugeschnitten sind. Im Folgenden sind PCB-Designregeln aufgeführt, um EMV-Erfolg zu erzielen.
• Oberflächenlayout
a.Die Leiterplattengröße muss berücksichtigt werden. Bei Leiterplatten mit außergewöhnlich großer Größe müssen Leiterbahnen sehr lang geführt werden, wodurch die Impedanz steigt, die Störfestigkeit abnimmt und die Herstellungskosten zunehmen. Bei Leiterplatten mit außergewöhnlich kleiner Größe treten Probleme bei der Wärmeableitung auf, und es kommt leicht zu Übersprechen zwischen benachbarten Leiterbahnen. Empfohlen wird eine rechteckige Leiterplattengröße mit einem Längen-Breiten-Verhältnis von 3:2 oder 4:3. Außerdem muss bei einer Leiterplattengröße von mehr als 200 mm × 150 mm die mechanische Festigkeit der Leiterplatte berücksichtigt werden. Daher ist es sehr wichtig, die Größenbeschränkungen Ihres Leiterplattenherstellers zu kennen. PCBCart kann beispielsweise Leiterplatten mit einer Mindestgröße von 6 × 6 mm und einer Maximalgröße von 600 × 700 mm fertigen. Prüfen Sie seinekundenspezifische LeiterplattenfertigungFähigkeiten für weitere Details.
b.Die Partitionierung sollte bei der Gestaltung des Bauteillayouts sorgfältig berücksichtigt werden. Digitale Schaltungen, analoge Schaltungen und Rauschquellen sollten unabhängig voneinander auf der Leiterplatte platziert werden, und Hochfrequenzschaltungen sollten von Niederfrequenzschaltungen isoliert werden. Außerdem sollte auf die Verteilung von Bauteilen mit starken und schwachen Signalen sowie auf die Richtung der Signalübertragung geachtet werden.
c.Das Layout sollte sich in jedem Funktionsschaltkreis auf die Kernkomponente konzentrieren, um sicherzustellen, dass die Komponenten ordentlich und kompakt in derselben Richtung angeordnet sind. Um die Bildung von Kopplungen zwischen Signalen zu verhindern, sollten Komponenten, die leicht durch Störungen beeinflusst werden, nicht in unmittelbarer Nachbarschaft platziert werden.
d.Empfindliche Signalkomponenten sollten weit entfernt von Strom- und Hochleistungsgeräten platziert werden, und empfindliche Signalleitungen dürfen niemals über Hochleistungsgeräte geführt werden. Thermisch empfindliche Komponenten sollten weit entfernt von Wärmequellen positioniert werden, während temperaturempfindliche Komponenten in dem Bereich mit der niedrigsten Temperatur angeordnet werden sollten.
e.Der Abstand zwischen Bauteilen mit hoher Potentialdifferenz sollte vergrößert werden, um die Möglichkeit eines Kurzschlusses zu vermeiden. Außerdem sollten Hochleistungsbauteile nach Möglichkeit an Stellen angeordnet werden, die bei Tests nicht mit der Hand berührt werden können, und sie sollten eine Isolationsschutzmaßnahme durchlaufen.
f.Eine Durchkontaktierung bringt eine verteilte Kapazität von 0,5 pF mit sich, daher ist eine Verringerung der Anzahl von Durchkontaktierungen vorteilhaft für die Verbesserung der Betriebsgeschwindigkeit.
•Komponentenlayout
a.Im Vergleich zu diskreten Bauelementen sollten IC-Bauelemente aufgrund ihrer Vorteile wie hervorragende Gehäusetechnik, weniger Lötstellen und niedriger Ausfallrate vorrangig ausgewählt werden. Darüber hinaus sollten Bauelemente mit einer relativ flachen Signalflanke ausgewählt werden, sodass die durch Signale erzeugten Hochfrequenzanteile reduziert werden können. Der Einsatz von oberflächenmontierten Bauelementen kann die Leiterbahnlänge verringern, wodurch die Impedanz reduziert und die EMV verbessert wird.
b.Komponenten sollten auf Grundlage derselben Klassifizierung positioniert werden. Inkompatible Komponenten sollten unabhängig voneinander platziert werden, um sicherzustellen, dass sie sich im Raum nicht gegenseitig beeinträchtigen.
c.Bauteile mit einem Gewicht von über 15 g sollten erst dann gelötet werden, wenn sie durch eine Halterung fixiert worden sind. Bauteile, die sowohl groß und schwer sind als auch viel Wärme erzeugen, sollten nicht auf der Leiterplatte montiert werden; stattdessen sollten sie auf der Bodenplatte des fertigen Gehäuses montiert werden. Darüber hinaus muss die Wärmeableitung sichergestellt sein, und wärmeempfindliche Bauteile sollten weit entfernt von wärmeerzeugenden Bauteilen platziert werden.
d.Bei verstellbaren Komponenten wie Potentiometern, einstellbaren Induktivspulen, variablen Kondensatoren und Mikroschaltern sollte die strukturelle Anforderung des Gesamtsystems berücksichtigt werden. Diese Komponenten sollten auf der Leiterplatte platziert werden, wenn eine interne Justierung erforderlich ist, während sie an Positionen angebracht werden sollten, die mit der Gerätefrontplatte kompatibel sind, wenn eine externe Justierung benötigt wird.
• Routing-Design
Die allgemeine Routing-Regel entspricht der folgenden Reihenfolge:
Abgesehen von dieser allgemeinen Routing-Regel sollten einige Details niemals ignoriert werden:
a.Um Strahlungsstörungen zu minimieren, sollten mehrlagige Leiterplatten so ausgelegt werden, dass die Innenlagen als Versorgungsebene und Masseebene definiert sind, sodass die Impedanz der Stromversorgungsschaltung verringert und die gemeinsame Impedanzstörung unterbunden werden kann, während gleichzeitig eine gleichmäßige Massefläche für Signalleitungen erzeugt wird. Dies spielt eine Schlüsselrolle bei der Unterdrückung von Strahlung, indem die verteilte Kapazität zwischen Signalleitungen und Massefläche verbessert wird. Weitere Gestaltungshinweise für mehrlagige Leiterplatten sind im folgenden Abschnitt „PCB-Lagen und EMV-Design“ beschrieben.
b.Bei Hochfrequenzsignalen sollte eine niedrige Impedanz über Versorgungsleitungen, Masseleitungen und Leiterbahnen auf der Leiterplatte aufrechterhalten werden. Wenn die Frequenz so hoch ist, werden Versorgungsleitungen, Masseleitungen und Leiterbahnen auf der Leiterplatte zu kleinen Antennen, die für das Empfangen und Senden von Störungen verantwortlich sind. Um solche Störungen zu unterdrücken, ist es im Vergleich zum Hinzufügen von Filterkondensatoren wichtiger, die Hochfrequenzimpedanz der Versorgungsleitungen, Masseleitungen und Leiterbahnen auf der Leiterplatte zu verringern. Daher sollten Leiterbahnen auf der Leiterplatte kurz, breit und gleichmäßig angeordnet sein.
c.Stromleitungen, Erdungsleitungen und Leiterbahnen sollten so angeordnet werden, dass sie kurz und geradlinig verlaufen, um die von Signalleitungen und Rückleitungen gebildete Schleifenfläche zu minimieren.
d.Der Taktgenerator sollte so nah wie möglich an den Taktgeräten platziert werden.
e.Das Gehäuse des Quarzkristall-Oszillators sollte mit Masse verbunden werden.
f.Die Taktdomäne sollte von Masseleitungen umschlossen werden, und die Taktleitungen sollten so kurz wie möglich sein.
g.Gebrochene Leiterbahnen mit einem Winkel von 45° statt 90° sollten auf der Leiterplatte verwendet werden, um die Übertragung und Kopplung hochfrequenter Signale zu verringern.
h.Eine Einpunktverbindung mit der Versorgungsspannung und eine Einpunktverbindung mit Masse sollten bei einlagigen und doppellagigen Leiterplatten angewendet werden. Sowohl Versorgungsleitungen als auch Masseleitungen sollten so dick wie möglich ausgeführt werden.
i.Die I/O-Treiberschaltung sollte sich in der Nähe der Steckverbinder am Rand der Leiterplatte befinden.
j.Schlüsselleitungen sollten möglichst dick sein, und auf beiden Seiten sollte ein Schutzleiter hinzugefügt werden. Hochgeschwindigkeitsleitungen sollten kurz und gerade verlaufen.
k.Die Anschlussdrähte von Bauteilen sollten so kurz wie möglich sein; insbesondere bei Entkopplungskondensatoren empfiehlt es sich, Kondensatoren ohne Anschlussdrähte zu verwenden.
l.Bei A/D‑Komponenten dürfen die Masseleitungen im Digitalteil und im Analogteil nicht gekreuzt werden.
m.Takt-, Bus- und Chip-Select-Signale sollten weit von I/O-Leitungen und Steckverbindern entfernt sein.
n.Analoge Spannungseingangsleitungen und Referenzspannungsklemmen sollten weit von den Signalleitungen der Digitalschaltung entfernt sein, insbesondere von der Taktleitung.
o.Störungen sind geringer, wenn Taktleitungen senkrecht zu I/O-Leitungen verlaufen, als wenn sie parallel zu I/O-Leitungen verlaufen. Außerdem sollten die Pins der Taktkomponenten weit von den I/O-Kabeln entfernt sein.
p.Leiterbahnen sollten niemals unter Quarzkristallen oder geräuschempfindlichen Bauteilen verlegt werden.
q.Der Stromkreis sollte niemals um Schwachsignalschaltungen oder Niederfrequenzschaltungen herum geführt werden.
r.Kein Signal sollte eine entstehende Schleife verursachen. Wenn eine Schleife eingerichtet werden muss, sollte sie so klein wie möglich sein.
• Traceroute
a.Die parallele Verlegung sollte für Stromsignale mit demselben Ausgang, jedoch entgegengesetzten Richtungen durchgeführt werden, um magnetische Störungen zu beseitigen.
b.Die Unterbrechung gedruckter Leiterbahnen sollte auf ein Minimum reduziert werden. Zum Beispiel sollte sich die Leiterbahnbreite nicht abrupt ändern, und die Ecken der Leiterbahnen sollten 90° nicht überschreiten.
c.EMI wird meist von Taktsignalleitungen erzeugt, und Taktsignalleitungen sollten im Routing-Prozess nahe an der Masseführung liegen.
d.Der Bus-Treiber sollte sich neben dem zu fahrenden Bus befinden. Wenn es um Leitungen geht, die von Leiterplatten wegführen, sollten die Treiber neben den Steckverbindern platziert werden.
e.Da Signalleitungen von Taktleitungen, Zeilentreibern oder Bustreibern üblicherweise große transiente Ströme führen, sollten gedruckte Leiterbahnen so kurz wie möglich sein. Bei diskreten Bauelementen kann die Breite der gedruckten Leiterbahnen etwa 1,5 mm betragen. Bei ICs sollte die Breite der gedruckten Leiterbahnen jedoch zwischen 0,2 mm und 1,0 mm liegen.
f.Großflächige Kupferfolie sollte nicht in der Nähe von thermischen Bauteilen oder Leitungen mit hohem Stromfluss verwendet werden, da sonst bei längerem Verbleib der Produkte in einer thermischen Umgebung Probleme wie das Aufblähen oder Ablösen der Kupferfolie auftreten können. Wenn der Einsatz großflächiger Kupferfolie unvermeidlich ist, ist es besser, ein Gittermuster zu verwenden, da dies dazu beiträgt, entweichende Gase abzuleiten, die durch die thermische Haftung zwischen Kupferfolie und Substrat entstehen.
g.Die Öffnung in der Mitte des Pads sollte entsprechend größer sein als die der Bauteilanschlüsse. Trockene Lötstellen neigen dazu aufzutreten, wenn die Pads zu groß sind.
• Leistungsdesign
Ein unangemessenes Leistungsdesign führt zu einer starken Geräuschentwicklung, die letztendlich die Leistung der Produkte verringert. Zwei Hauptfaktoren verursachen eine instabile Stromversorgung:
#1: Im Zustand des Hochgeschwindigkeitsschaltens ist der transiente Austauschstrom zu groß;
#2: Induktivität ist im Stromrücklauf vorhanden.
Daher sollte die Integrität der Stromversorgung im PCB-Design umfassend berücksichtigt werden; darüber hinaus sollten auch die folgenden Regeln strikt eingehalten werden.
a. Entkopplungsfilter-Design für die Stromversorgung
Die Überbrückung eines Entkopplungskondensators mit einer Kapazität von 0,01 μF bis 0,1 μF an zwei Anschlüssen der IC-Chip-Versorgung kann das Rauschen und den Stoßstrom auf der gesamten Leiterplatte erheblich reduzieren. Wenn der Stromausgleich erfüllt ist, gilt: Je geringer die Entkopplungskapazität, desto besser. Montagekondensatoren sollten aufgrund ihrer geringen Anschlussinduktivität optimal eingesetzt werden.
Die wirksamste Methode zur Filterung der Leistung besteht in der Anordnung des Filters an der Wechselstromversorgungsleitung. Um ein gegenseitiges Einkoppeln der Leitungen oder die Bildung von Schleifen zu verhindern, sollten die Ein- und Ausgangsleitungen des Filters von beiden Seiten der Leiterplatte geführt werden, und die Leitungen sollten so kurz wie möglich sein.
b. Entwurf des Leistungsschutzes
Das Design des Leistungsschutzes umfasst Überstromschutz, Unterspannungssignal, Sanftanlauf und Überspannungsschutz. Der Überstromschutz kann im Leistungsbereich der Leiterplatte durch den Einsatz einer Sicherung realisiert werden. Damit die Sicherung während des Schmelzvorgangs keine anderen Module beeinträchtigt, sollte auch die Eingangsspannung so ausgelegt werden, dass die Kapazität aufrechterhalten bleibt. Um zu verhindern, dass Überspannung versehentlich Bauteile beschädigt, sollte zwischen Verteilungsleitung und Erdpotenzial ein gleiches Potenzial durch Schutzvorrichtungen wie Funkenstrecke und Varistor hergestellt werden, um den Überspannungsschutz zu realisieren.
• Bodengestaltung
Bei einem Gerät mit äquipotentiellem Potential und einem Bezugspunkt für das elektrische Potential weisen Erdungsleiter ein veränderliches Potential auf. Bei der Messung des Potentials zwischen Punkten auf den Erdungsleitern mit einem Messgerät können relativ große Unterschiede festgestellt werden, was letztlich zu Fehlern im Betrieb der Schaltung führt.
Der Hauptgrund für EMI durch Erdungsleiter liegt im Impedanzverhalten der Erdungsleiter. Wenn Strom durch Erdungsleiter fließt, wird eine Spannung erzeugt, die in Wirklichkeit Erdungsrauschen darstellt. Unter dem Einfluss dieser Spannung entsteht ein Schleifenstrom in den Erdungsleitern, der anschließend Erdschleifenstörungen verursacht. Wenn zwei Schaltungen denselben Erdungsleiter gemeinsam nutzen, tritt eine gemeinsame Impedanzkopplung auf.
Lösungen für Erdschleifenstörungen umfassen das Auftrennen von Erdschleifen, das Hinzufügen von Erdschleifenimpedanz und die Anwendung von symmetrischen Schaltungen. Methoden zur Beseitigung von Kopplungen über gemeinsame Impedanzen bestehen in der Verringerung der Impedanz auf der gemeinsamen Erdleitung oder in paralleler Einpunkt-Erdung. Spezifische Regeln für die Gestaltung der Erdleitung lauten wie folgt.
a. Trennung zwischen digitaler Masse und analoger Masse
Wenn sowohl analoge Schaltungen als auch lineare Schaltungen auf der Leiterplatte vorhanden sind, sollten sie voneinander isoliert werden. Niederfrequenzschaltungen sollten sich stärker auf eine einpunktige parallele Erdung stützen. Wenn im praktischen Leiterplattenlayout Probleme auftreten, kann vor der parallelen Erdung teilweise eine serielle Erdung umgesetzt werden. Hochfrequenzschaltungen neigen dazu, auf mehrpunktige serielle Erdung angewiesen zu sein, und Erdungsleitungen sollten kurz und dick sein. Gitterförmige Kupferfolie sollte großzügig um Hochfrequenzbauteile herum eingesetzt werden.
b. Erdungskabel sollten so dick wie möglich sein
Erdungsleiter sollten so dick wie möglich sein, damit ein Strom fließen kann, der doppelt so hoch ist wie der zulässige Strom der Leiterplatte, um die Störfestigkeit zu erhöhen. Wenn Kupferflächen zur Herstellung von Erdungsleitern verwendet werden, sollte „totes“ Kupfer vermieden werden. Außerdem sollte Kupfer mit ähnlichen Funktionen über dicke Leiterbahnen miteinander verbunden werden, damit die Qualität der Erdungsleiter sichergestellt und das Rauschen reduziert wird.
c. Geschlossener Stromkreis, der durch Erdungsleiter gebildet wird
Bei Leiterplatten, die nur digitale Schaltungen enthalten, kann die Störfestigkeit erhöht werden, indem die Masseleitung als geschlossener Ring ausgeführt wird.
• Angemessene Anzahl von Leiterplattenlagen
In Bezug auf die Anzahl der Schichten,einlagige Leiterplatten, doppellagige Leiterplatten und mehrlagige Leiterplatten.
a.Einschichtige Leiterplatten (PCBs) und doppelschichtige Leiterplatten sind für Leiterführungen mit mittlerer/niedriger Dichte oder für Schaltungen mit geringer Integrität geeignet. Aus Gründen der Herstellungskosten setzen die meisten Unterhaltungselektronikprodukte auf ein- oder doppelschichtige Leiterplatten. Dennoch erzeugen beide aufgrund struktureller Mängel viel EMI und sind zudem empfindlich gegenüber äußeren Störeinflüssen.
b.Mehrlagige Leiterplatten (PCBs) werden eher in hochdichten Leiterführungen und Hochintegritäts-Chip-Schaltungen eingesetzt. Daher sollten bei hohen Signalfrequenzen und einer hohen Packungsdichte elektronischer Bauteile mindestens 4-lagige Leiterplatten gewählt werden. Beim Design von mehrlagigen Leiterplatten sollten die Versorgungsebene und die Masseebene gezielt angeordnet und der Abstand zwischen Signalleitungen und Masseleitungen verringert werden. Dadurch kann die Schleifenfläche aller Signale erheblich reduziert werden. Aus EMC-Sicht sind mehrlagige Leiterplatten in der Lage, die Abstrahlung wirksam zu verringern und die Störfestigkeit zu verbessern.
• Einlagiges Leiterplattendesign
Einschichtige Leiterplatten arbeiten in der Regel bei einer niedrigen Frequenz von einigen hundert kHz, da viele Hochfrequenz-Designbedingungen durch niederfrequente Einschränkungen begrenzt sind, wie etwa das Fehlen einer HF-Rückführung und der für eine vollständige Schirmung erforderlichen Steuerbedingungen, ein ausgeprägter Leitungshaut-Effekt oder unvermeidbare magnetische und Schleifenantennenprobleme. Daher neigen einschichtige Leiterplatten dazu, empfindlich auf HF-Störungen wie statische Elektrizität, schnelle Impulse, Strahlung oder eingekoppelte HF zu reagieren. Beim Design von einschichtigen Leiterplatten werden Signalintegrität und Abschlussanpassung nicht berücksichtigt. Zuerst erfolgt das Design von Stromversorgungs- und Masseleitungen, dann das Design der hochkritischen Signale, die neben der Masseleitung platziert werden sollten. Je näher, desto besser. Abschließend erfolgt das Design der übrigen Leitungen. Zu den konkreten Designmaßnahmen gehören:
a.Strom- und Erdungsleitungen müssen im wichtigen Schaltkreissignalnetz entlang der Erdungspunkte der Stromversorgung geführt werden.
b.Leiterbahnen sollten entsprechend den Unterfunktionen geführt werden, und die Designanforderungen müssen bei empfindlichen Komponenten sowie den zugehörigen Ein-/Ausgangsanschlüssen und Steckverbindern kritisch berücksichtigt werden.
c.Alle Komponenten im kritischen Signalnetzwerk sollten benachbart platziert werden.
d.Wenn Leiterplatten mehrere Erdungspunkte erfordern, stellen Sie sicher, dass diese Punkte gegenseitig miteinander verbunden sind und berücksichtigen Sie die Auslegung der Verbindungsmethode.
e.Für andere Leitungsführungen sollten Leitungen mit höherer HF-Belastbarkeit eine Mini-Pass-Designmethode verwenden, bei der der HF-Rückstrompfad auf dem gesamten Weg frei bleibt.
• Doppel-/Mehrlagen-Leiterplatten-Design
a.Die zentrale Versorgungsebene sollte benachbart zur entsprechenden Masseebene angeordnet werden, sodass eine Kopplungskapazität entsteht. In Zusammenarbeit mit den Entkopplungskondensatoren auf der Leiterplatte trägt die zentrale Versorgungsebene zur Reduzierung der Impedanz der Versorgungsebene bei und erzielt eine hervorragende Filterwirkung.
b.Schlüsselsignale auf benachbarten Ebenen dürfen die Trennzone nicht überqueren, um eine Vergrößerung von Signalschleifen zu verhindern, die starke Abstrahlung zu verringern und die Störempfindlichkeit zu reduzieren.
c.Wichtige Signale wie Taktsignale, Hochfrequenzsignale und Hochgeschwindigkeitssignale erfordern eine benachbarte Massefläche. Beispielsweise kann eine Signallage, die an eine Massefläche angrenzt, als optimale Ebene für die Signalleitung betrachtet werden, sodass die Signalschleifenfläche und die abgestrahlte Störung verringert werden können.
d.Die Versorgungsebene sollte in der Regel kleiner sein als die Masseebene, üblicherweise zur Einhaltung der 20H-Regel.
