Die neuen Generationen elektronischer Technologien führen zu immer höheren Flankengeschwindigkeiten der Bauelemente. Die Verbesserung der Arbeitsgeschwindigkeit von Schaltungen stellt immer höhere Anforderungen an das PCB-Design. Die Qualität des PCB-Designs bestimmt sogar die Arbeitsleistung der Bauelemente und der gesamten Schaltung. Insbesondere unter Berücksichtigung von Kosten, PCB-Fläche und Funktionalität der integrierten Schaltung werden die Quellen der EMI- (Electromagnetic Interference) Erzeugung immer vielfältiger und die Mechanismen immer komplexer.
EMI-Mechanismus und Lösungen
Die Hauptelemente der elektromagnetischen Störung (EMI) umfassen die Quelle der elektromagnetischen Störung, den Übertragungsweg und das gestörte Objekt. Nachdem die Elemente, die zum Auftreten von EMI führen, festgelegt wurden, ist es notwendig zu bestimmen, welche Elemente sich leicht beheben lassen und welche im Prozess des PCB-Designs nur teilweise gelöst werden können, damit sie bei der Gestaltung von Layout, Leiterführung und Erdung berücksichtigt werden können.
• Layout
Im Hinblick aufPCB-LayoutBereiche sollten entsprechend ihrer unterschiedlichen Funktionen unterteilt werden. Unterschiedliche Funktionen werden auf verschiedene Bereiche verteilt, wobei besondere Aufmerksamkeit auf sensible Einheiten in Funktionsbereichen zu richten ist.
Im Allgemeinen sind für das PCB-Layout die folgenden Grundsätze zu beachten:
a.In Hochgeschwindigkeitsschaltungen müssen die Parameter der Pinverteilung von Bauteilen berücksichtigt werden, und die verteilte Kapazität der Bauteilpins ist insbesondere für Hochgeschwindigkeits-Taktsignale von großer Bedeutung. Gleichzeitig muss die verteilte Induktivität berücksichtigt werden, da sie möglicherweise zu Signaloszillationen führt, was einen Funktionsausfall der Schaltung verursachen kann. Daher muss im Layoutprozess die Verteilung mit hoher Dichte angeordnet und die Leiterlänge für die spätere Verdrahtung verringert werden, um den Einfluss von EMI zu reduzieren.
b.Wenn sowohl analoge als auch elektronische Komponenten in einer Schaltung verbleiben, müssen sie im Layoutprozess unabhängig voneinander angeordnet werden. Da die Signale digitaler Komponenten komplexe Zusammensetzungen mit mehreren vorhandenen Oberwellen aufweisen, wird ein großer Einfluss auf analoge Signale ausgeübt. Daher müssen sie mit großer Sorgfalt berücksichtigt werden.
c.Takteinheiten sind in Hochgeschwindigkeitsschaltungen unverzichtbar. Der Arbeitsmechanismus einer Takteinheit ist im Grunde einer Rauschquelle gleichzusetzen, was bedeutet, dass diese Einheit zu schwingen beginnt, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind. Als eine wichtige Quelle für leitungsgebundene Störungen und Strahlungsstörungen darf die Takteinheit nicht am Rand der Leiterplatte platziert werden. Andernfalls würden die EMV-Probleme sehr gravierend werden. Es ist notwendig, Takteinheiten in der Mitte der Leiterplatte zu platzieren, was die elektromagnetischen Störungen in Schaltungen erheblich reduzieren kann.
• Routing
Im Prozess derLeiterplattenroutingUnter der Voraussetzung niedriger Kosten kann die Ground-Ebene so weit wie möglich vergrößert werden, um den Einfluss von EMI zu verringern. Wenn jedoch die Kosten streng kontrolliert werden müssen, ist die Anzahl der PCB-Lagen und die Stapelreihenfolge sorgfältig zu berücksichtigen. Darüber hinaus müssen die Signaltypen berücksichtigt werden, und die Leiterführung für Hochgeschwindigkeitssignale und Niedriggeschwindigkeitssignale muss getrennt erfolgen. Zusätzlich sind weitere Faktoren zu beachten, darunter die Rauschquellen und die Verstärkung der Rauschunterdrückung, Fragen der Impedanzanpassung (Hochgeschwindigkeitssignale ohne geeignete Anpassung führen zwangsläufig zu Signalreflexionen und verringern die Zuverlässigkeit der Schaltungen) sowie die Netzliste.
a. Grundprinzipien des Routings
Die allgemeinen Grundsätze, die bei der Weiterleitung befolgt werden, umfassen:
1).Breakpoints sollten beim Routing vermieden werden, was bedeutet, dass rechte Winkel vermieden werden sollten, wie in Abbildung 1 unten gezeigt.
Da ein rechter Winkel möglicherweise zu Reflexionen führt, sollte der Wendepunkt glatt gestaltet werden, um dieses Phänomen zu vermeiden. Gleichzeitig dürfen Schlüsselsignale nicht über getrennte Bereiche hinausgehen, da die EMI sonst sofort verstärkt wird. Die häufigste Form der Signalumgehung besteht darin, verschiedene getrennte Versorgungsbereiche zu überqueren.
2). Im Layoutprozess müssen analoge und digitale Komponenten voneinander getrennt werden, was bedeutet, dass ihre Leitungsführungen getrennt sein sollten. Gleichzeitig sollte die Breite der Masseleitungen und Versorgungsleitungen vergrößert werden, wobei allgemein gilt, dass die Masseleitungen breiter als die Versorgungsleitungen und diese wiederum breiter als die Signalleitungen sein sollten. Darüber hinaus sollten bei der Führung von Signalleitungen die 3W-Regeln umfassend berücksichtigt werden, während bei Mehrlagenplatinen das 20H-Prinzip für die Innenlagen zu beachten ist. Die Umsetzung der oben genannten Maßnahmen kann 70 % der EMI vermeiden. Für analoge empfindliche Leitungen können Maßnahmen wie Erdung umgesetzt werden.
3). Für das Routing von USB2.0- oder anderen hochgeschwindigen differentiellen Leitungen sollte ein gekoppeltes Routing angewendet und die Integrität der Referenzfläche zwischen den differentiellen Paaren sichergestellt werden. Da differentielle Paare im Allgemeinen Hochgeschwindigkeitssignale sind, sollte das Routing nicht am Rand der Leiterplatte angeordnet werden.
b. Schleifen
Schleifen lassen sich im PCB-Design niemals vermeiden. Schleifen entstehen durch Signale, die hinaus- und wieder hineinfließen, und jede dieser Schleifen wirkt in der Funktionalität als Antenne. Um EMI auf der Leiterplatte zu reduzieren, müssen sowohl die Anzahl der Schleifen als auch die Antennenwirkung der Schleifen verringert werden. Das bedeutet, dass die Flussrichtung jedes Signals im PCB-Design beachtet werden sollte und die Schleifenfläche für Hochgeschwindigkeitssignale verkleinert werden muss.
In Schaltungen liegen die am häufigsten verwendeten Schleifen in den Leistungsschleifen, die von Entkopplungskondensatoren begrenzt werden, wie in Abbildung 2 gezeigt.
Wenn der Entkopplungskondensator wie in der linken Abbildung in Bild 2 platziert wird, entstehen relativ große Stromschleifen mit deutlich ausgeprägten EMI-Phänomenen. Im Gegensatz dazu wird in der rechten Abbildung von Bild 2, in der der Entkopplungskondensator dicht neben dem Chip platziert ist, eine äußerst kleine Entkopplungsschleife erzeugt, deren Hauptfunktion in der Reduzierung von EMI besteht. Die zur Verringerung der Schleifen einzuhaltenden Prinzipien sind:
1).Zwischen zwei Punkten auf jeder Signalleitung ist nur ein einziger Pfad gewährleistet.
2).Die Massefläche sollte so angewendet werden, dass keine Unterbrechung in den Signalschleifen entsteht.
c. Erdungsleiter der Leiterplatte
1).Im System der PCB-Erdung sollten die Unterschiede zwischen digitaler Masse, analoger Masse und System-Schirmmasse klargestellt werden. Ferritperlen und Kondensatoren werden eingesetzt, um digitale Masse und analoge Masse zu trennen, und digitale Masse und Feldmasse sollten direkt verbunden werden.
2).Wenn möglich, sollten Erdungsleiter auf der Leiterplatte verbreitert werden.
3).Geschlossene Stromkreise bilden durchErdungsdrähtesodass die Störfestigkeit erhöht und der elektrische Pegelunterschied zwischen den Systemen verringert wird.
• Filterentwurf
In Hochgeschwindigkeits‑Leiterplatten kann die Filterverarbeitung an Versorgungsleitungen und Signalleitungen implementiert werden. Zu den gängigen Maßnahmen gehören das Hinzufügen magnetischer Filterbauelemente, EMI‑Filtern und Entkopplungskondensatoren.
a. Auswahl des Entkopplungskondensators
1).In einem Stromkreis trägt der Entkopplungskondensator dazu bei, die Versorgungsspannung zu glätten und die Störfestigkeit zu erhöhen. Im Allgemeinen wird aufgrund seiner hohen Stabilität, hohen Genauigkeit, geringen Baugröße und niedrigen ESR (Equivalent Series Resistance, äquivalenter Serienwiderstand) ein Keramikkondensator als Entkopplungskondensator ausgewählt. Beim Schaltungsdesign wird der Kapazitätswert im Bereich von 1 μF bis 100 μF gewählt, während die Spannungsfestigkeit entsprechend der Schaltung berücksichtigt werden muss.
2).Der Entkopplungskondensator muss dicht neben den Bauteilen platziert werden.
b. Auswahl von magnetischen Komponenten
Magnetische Bauelemente lassen sich in Induktivitäten und Ferritperlen einteilen. Im Allgemeinen wird die Induktivität am Ende des Stromversorgungsanschlusses eingesetzt, während Ferritperlen zwischen Signalleitungen verwendet werden. Im Prozess derKomponentenauswahlmüssen die Sättigungsparameter berücksichtigt werden. Sobald magnetische Bauteile die Sättigung erreichen, werden sie zerstört. Darüber hinaus müssen sowohl die Qualitäts- als auch die DCR-Parameter der magnetischen Bauteile berücksichtigt werden.
Ein häufig verwendetes Verfahren bei Signalleitungen ist der Einsatz von Ferritperlen auf seriellen Leitungen, um die EMV-Festigkeit zu erhöhen.
c. Auswahl des EMI-Filters
Der Bereich mit starker Gleichtaktstörung befindet sich dort, wo die Versorgungsspannung eingespeist und Signalleitungen herausgeführt werden. Übliche Maßnahmen zur Vermeidung von Gleichtaktstörungen umfassen das Hinzufügen einer Gleichtaktdrossel, eines Varistors, eines LC‑Schaltkreises und spezieller EMI‑Filter. In Hochgeschwindigkeitsschaltungen muss das EMI‑Problem für die Hochgeschwindigkeitsübertragung auf digitalen Schnittstellen wie USB und HDMI berücksichtigt werden.
• Signalreflexion
Bei der Signalübertragung wird stets erwartet, dass die Energie am Quellanschluss vollständig zum Lastanschluss übertragen wird, was bedeutet, dass ZL gleich ZO sein sollte. Wenn sie nicht gleich sind, wird ein Teil der Energie reflektiert.
Wenn die Übertragungsverzögerung der Leitungen relativ lang ist, werden stärkere Signale an das Quellterminal zurückreflektiert. Dann muss bei der Erzeugung des Klingelns ein relativ großer Betrag zur Kompensation geändert werden, wie in Abbildung 5 unten gezeigt.
Wenn beim Umschalten Klingeln auftritt, erreicht die elektromagnetische Störung (EMI) ihren höchsten Schweregrad. Um ein solches Phänomen im PCB-Design zu vermeiden, befolgen Sie bitte die in Tabelle 1 aufgeführten Grundsätze.
|
Signalflankenzeit (ns)
|
Länge der Signalleitungen (Zoll)
|
| 5 |
8,6 |
| 4 |
6,9 |
| 3 |
5.1 |
| 2 |
3,4 |
| 1 |
1,7 |
EMI-Test
Nach dem Produktdesign werden trotz zahlreicher Maßnahmen zur Vermeidung von EMI Probleme erst bei der Durchführung von Tests entdeckt. Anschließend können einige Änderungen vorgenommen werden, um die Probleme zu lösen.
Der EMI-Test umfasst Testmethode, Geräte und Testposition. Testmethoden sollten unter Bezugnahme auf alle Punkte durchgeführt werden. Wenn die Geräte den Standard nicht erreichen, kann ein Spektrometer für einen qualitativen Test eingesetzt werden. Wenn ein spezifischer EMI-Wert der Geräte erforderlich ist, müssen professionelle Geräte verwendet werden. Was die Testposition betrifft, ist es am besten, den Test in einem Dunkelraum durchzuführen.
