Influenza del layout PCB sulle prestazioni EMC dei prodotti elettronici

Massa in PCB

• Influenza dell’interferenza di codice comune sul segnale interno del PCB

Le linee stampate interne del circuito stampato (PCB) presentano parametri parassiti rispetto al piano di massa di riferimento e, quando i segnali funzionali vengono trasmessi all'interno del PCB, lo stesso nodo equipotenziale nella stessa rete del circuito non è più equipotenziale. La correnteioall'interno del PCB parte dall'estremità di origine, attraversa una serie di conduttori e ritorna alla sorgente del segnale, formando un segnale. Inoltre,iotende a fluire lungo il percorso a bassa impedenza in modo cheiodi solito rimane invariato con la stabilità dell’impedenza.

La Figura 1 indica il processo in cui il disturbo in modo comune viene trasformato in disturbo in modo differenziale all'interno del PCB. io_dsi riferisce alla corrente in modalità differenziale che scorre all'interno del PCB mentreio_comsi riferisce alla corrente di modo comune che o parte dall’esterno del PCB e fluisce nel PCB attraverso il piano di massa di riferimento, oppure parte dall’interno del PCB e ritorna all’interno del PCB attraverso il piano di massa di riferimento. Alta frequenzaio_comha due percorsi: il primo va dal puntoAindicareBall'interno del PCB a partire da GND; il secondo è dal puntoAindicareBa partire dalla porta S₁al PCB interno tramite la capacità C. Impedenza di massaZ_ABporta alla generazione di Δu_AB, quindi quando il segnale normale viene inviato all'IC₂, si verificherà una deformazione per segnalare e l’interferenza in modo comune viene trasformata in interferenza in modo differenziale, che produce un’influenza sul segnale normale in base alla formula che èu₂=u₁-Δu_AB.

Pertanto, non appenaio_comentra all'interno del PCB attraverso la porta I/O o per radiazione nello spazio; la capacità del filtro in modo differenziale sulle linee di segnale del PCB può solo deviare l'interferenza verso GND. Il presupposto di questo risultato è che GND sia considerato a bassa impedenza per il ritorno del segnale e che la corrente fluisca sempre verso la direzione di minore impedenza.

• Chiave per l’implementazione del design EMC: impedenza di massa nel PCB

La ragione della generazione di EMC da parte dei segnali ad alta frequenza risiede nel fatto che il livello di riferimento del segnale GND non riesce a mantenere la sua caratteristica di bassa impedenza. Con l’aumento dell’impedenzaZ_GNDdel livello di riferimento, anche la qualità della trasmissione del segnale diminuisce. Per risolvere il problema delle interferenze ad alta frequenza, vengono comunemente utilizzati metodi inProgettazione EMCcome filtro, massa e schermo che sono strettamente collegati alla “massa”.

Il filtro può essere considerato come un condensatore verso massa, con due strutture: una consiste nel collegare il condensatore X alla massa di riferimento del segnale e l’altra nel collegare il segnale al guscio metallico tramite un condensatore Y o tramite un diverso collegamento di massa all’interno del PCB. Lo schermo può essere considerato come il risultato dell’espansione nello spazio della massa del PCB. Lo scopo del filtro o dello schermo è di far passare l’interferenza di modo comune ad alta frequenza attraverso il bypass a bassa impedenza, in modo da evitare che fluisca nel segnale di normale funzionamento. Analogamente, tutti questi metodi non funzionano se la massa non ha bassa impedenza.

La Figura 2 indica l'effetto dell'impedenza di terra sul filtro del circuito. io_comfluisce secondo la sequenza dell'IC₁→IC₂→IC₁e quando fluisce fino al puntoP,io_comfluirà nei circuiti derivati dell'IC₁eC₁attraverso il quale scorre dal puntoAaB. Se l'impedenza tra il puntoAeBcioèZ_AB, è molto inferiore all'impedenza tra il puntoPe CI₁. In questo momento,io_comfluisce dal puntoPaA, CI₁il filtro può essere realizzato. Quandoio_comflussi verso il puntoB, si verificheranno circuiti derivati che sonoB→CeB→D. Se il layout del PCB non è ben controllato, l'impedenza tra il puntoBeC, cioèZ_BC,Z_BC>>Z_C2+Z_D.Z_Dsi riferisce all'impedenza tra il puntoDe CI₂.io_comfluisce all'indietro verso l'IC₂porta di ingresso attraversoC₂quando la capacità che era originariamente utilizzata esclusivamente per i circuiti integrati₂svolge un ruolo nell'interferenza dell'invasione del segnale.

Per rendere il livello di riferimento a bassa impedenza, di solito lo si progetta come una superficie. In generale, un conduttore il cui rapporto lunghezza-larghezza è inferiore a 5 può essere considerato a bassa impedenza nel campo dell’ingegneria. L’impedenza delle piste stampate non è determinata dal loro grado di lunghezza o spessore. Nella tradizionalePrincipi di progettazione PCB, il collegamento a massa a punto singolo nei circuiti analogici è fortemente raccomandato quindiPrincipio di layout PCBil collegamento a massa multipunto dei circuiti digitali e il collegamento a massa misto dei moduli di circuito digitali non sono più soluzioni efficaci per affrontare i problemi EMC.

Poiché tutti i ritorni di tutti i segnali devono garantire una massa integrata a bassa impedenza, i circuiti stampati a 4 strati o multistrato con piano di massa integrato sono in grado di soddisfare questo requisito, mentre le schede a singolo strato a basso costo non lo sono. Quando, per limitazioni di costo, è necessario utilizzare una scheda a doppio strato, è opportuno progettare un piano di massa relativamente integrato per i segnali all’interno del PCB. Nelle applicazioni pratiche, l’impedenza di massa del PCB è influenzata sia dalla sua forma sia dai fori di passaggio dei conduttori di segnale, dalle fratture e dalle fresature. Le Figure 3a e 3b mostrano rispettivamente un cattivo e un eccellente progetto di piano di massa a bassa impedenza.

In questa figura, tutti i componenti si trovano sul lato anteriore del PCB mentre il piano di massa è sul retro. I chip sono collegati tramite piste stampateabsul lato anteriore ecdsono stampate linee sul lato posteriore. Sotto la pressione dell’interferenza di modo comune ad alta frequenza dall’esterno, la scanalatura formata dacdporterà all'aumento diZ_GNDriflusso delle linee stampate.Z_GNDfluttua nel processo di trasmissione del segnale, portando a una bassa qualità del segnale. Pertanto, strati di linee stampate tracdpuò essere scambiato più e più volte attraverso i fori nel processo di progettazione del layout PCB in modo cheZ_GNDsarà diminuito. Inoltre, due CI_Si segnali sensibili possono essere disposti insieme in modo da rendere il GND un piano di massa localmente relativamente integrato, per garantire che il segnale non venga disturbato durante il processo di trasmissione. Prestare attenzione al fatto che i fori passanti non possono essere disposti con eccessiva densità, altrimenti si causeranno fratture sul piano di massa, portando anche all’escalation diZ_GND.

Progettazione dell’impilamento dei PCB

La progettazione EMC è ideale per PCB a 4 strati. Dal punto di vista dell’EMS, sia il guscio metallico sia la schermatura metallica dei circuiti localmente sensibili sono in grado di risolvere i problemi di interferenza. Dal punto di vista dell’EMI, talvolta le schede a 4 strati non riescono a soddisfare i requisiti di limitazione delle emissioni irradiate e il numero di strati deve essere aumentato, poiché le schede multistrato possono rendere i segnali con alta d_u/d_te d_io/d_tgarantire un'area dell'anello del segnale più piccola nel processo di trasmissione, fornendo un percorso di ritorno a bassa impedenza per i segnali ad alta velocità.

Il principio di base diProgettazione dell’impilamento PCBconsiste nel disporre lo strato di segnale ad alta velocità e il piano di alimentazione adiacenti al piano di massa. La Figura 4 mostra il progetto di impilamento di schede a 4 strati e a 6 strati. S₁nella Figura 4a si fa riferimento allo strato di segnale ad alta velocità, mentre le Figure 4b, 4c e 4d sono tre comuni progettazioni di PCB a 6 strati.

Tra i 3 progetti di PCB a 6 strati, progettabè il peggiore e S₂lo strato dovrebbe essere uno strato di segnale ad alta velocità. S₂strato nel designcedè uno strato di segnale ad alta velocità. Progettazionecè il migliore perché ogni strato di segnale è strettamente adiacente al piano di massa per garantire il percorso di ritorno del segnale più breve e S₂e gli strati P sono schermati da GND₁e GND₂. Rispetto al designc, S₃in designdè lontano dallo strato GND e P può ottenere solo l’effetto su un solo lato invece dell’effetto su entrambi i lati causato dal designc.

Antenna Equivalente nei PCB

La funzione fondamentale di un’antenna è irradiare e ricevere onde radio senza fili. Nel processo di irradiazione, la corrente ad alta frequenza può essere trasformata in onda elettromagnetica; nel processo di ricezione, l’onda elettromagnetica viene trasformata in corrente ad alta frequenza. L’irradiazione nel campo EMC si riferisce principalmente all’irradiazione in campo lontano. La formazione di un’antenna dipende da due condizioni di base: la sorgente di segnale RF e una certa lunghezza di conduttori collegati alla sorgente di segnale RF. Nel campo dell’ingegneria, si ritiene che l’effetto antenna si manifesti quando la lunghezza del conduttore è conforme alla formula che èl=λ/20. Quandol=(λ/4)n, l'effetto antenna è massimo conncome numero naturale.

Quando il segnale viene trasmesso all’interno del PCB, l’anello interno ha lo stesso effetto di un’antenna a loop. Più grande è l’area dell’anello, più forte sarà l’effetto antenna. Un rigoroso controllo dei loop nel PCB può fermare efficacemente le interferenze in modalità differenziale, il che è praticabile nella pratica. Tuttavia, l’aumento della lunghezza delle piste stampate causerà un evidente effetto di antenna a stilo, quindi la lunghezza dei segnali di interconnessione dovrebbe essere ridotta il più possibile durante il processo di layout del PCB.

Quando relativamente altoZ_GNDavviene sul percorso di riflusso dell’alta du/dtsegnali trasmessi all'interno del PCB, sorgente del driver in modo comuneu_comavrà luogo conio_comche scorre oltreZ_GND, insieme alle linee stampate collegate o alle stabili di I/O, che possono irradiare verso l'esterno.

Se le PCB sono relativamente piccole in dimensioni, le piste interne non possono soddisfare i requisiti di radiazione dell’antenna a causa della limitazione in lunghezza. In queste condizioni, il cavo di I/O può essere considerato come un’estensione delle piste stampate, e il requisito di radiazione può essere soddisfatto. Anche se non esiste una connessione diretta a un I/O stabile, l’accoppiamento per diafonia tra i cavi di I/O deve essere impedito.

Diafonia all'interno del PCB e i suoi rimedi

• Accoppiamento tra le piste stampate del PCB e il piano di massa di riferimento

Poiché l’EMC tratta principalmente segnali di modo comune ad alta frequenza, i parametri distribuiti non possono essere evitati né all’interno né all’esterno del PCB. Si verifica un accoppiamento capacitivo tra il PCB e il piano di massa di riferimento, la cui capacità distribuita è composta dalla capacità di armatura e dalla capacità naturale all’interno dello spazio più ridotto. La capacità di armatura è direttamente proporzionale alle dimensioni del PCB e inversamente proporzionale alla distanza tra il PCB e il piano di massa. La capacità naturale all’interno dello spazio più ridotto è direttamente proporzionale al diametro equivalente delle piste stampate all’interno del PCB. Pertanto, indipendentemente da dove sia collocato il PCB, anche se molto lontano dal piano di massa all’infinito, esiste sempre una capacità distribuita tra le piste interne e il piano di massa. In un PCB, la capacità distribuita di un piano di massa (GND) relativamente integrato rispetto al piano di massa di riferimento è approssimativamente di 10 pF e la capacità distribuita delle piste interne rispetto al piano di massa di riferimento è approssimativamente compresa tra 0,001 pF e 0,1 pF o inferiore. La capacità distribuita delle piste situate al centro del PCB è molto inferiore a quella delle piste situate sul bordo del PCB.

• Accoppiamento all'interno del PCB

a. Teoria dell’accoppiamento all’interno del PCB e la sua influenza sul segnale

L’accoppiamento all’interno del PCB consiste in accoppiamento capacitivo e accoppiamento induttivo, la cui teoria è mostrata in Figura 5.

In questa figura, entrambiABeCDsono linee stampate parallele con un piccolo spazio tra due linee. Z₀si riferisce al conduttore della linea di segnale 1 mentre Z₁e Z₂fare rispettivamente riferimento ai conduttori della linea di segnale 2. In Figura 5a, quando la tensione di picco del segnale sulla linea stampataABèu, il tempo di salita del segnale è Δt e la frequenza angolare è ω, la tensione di Z₂sarai tu_v=[Z₁Z₂/(Z₁+Z₂)]cΔu/Δt. Sebbene_cha un valore molto basso, il valore di Δu/dtpuò essere molto elevata e il loro prodotto non può essere evitato. In Figura 5b, quando la corrente di picco del segnale suABsono io_c, il tempo di salita del segnale è Δte la pulsazione è ω, l’induttanza mutuampasserà tra 2 linee stampateCDsu cui la tensione indotta è u_v=mωi_c. Sebbene il valore dimè così piccolo che la frequenza del segnale può essere aumentata. Pertanto, il loro prodotto non può essere evitato.

Di conseguenza, sia l'accoppiamento capacitivo che quello induttivo sono correlati al parametro distribuito delle due linee stampatecom. Durante il layout del PCB, i valori dicempuò essere ridotto aumentando la distanza tra le linee parallele. In un circuito pratico, l’accoppiamento capacitivo rappresenta la maggior parte del circuito digitale e quandoPiano PCBse non sono presenti irregolarità, scanalature o crepe, il diafonismo induttivo avrà un’influenza maggiore rispetto al diafonismo capacitivo. Tuttavia, quando l’area del PCB è limitata, il diafonismo non può essere gestito solo aumentando la distanza tra le linee parallele. Per mantenere i parametri distribuiti minimi tra due linee parallele adiacenti, è necessario predisporre un piano integrato nell’area di proiezione ed è preferibile avere piani di massa sia in alto che in basso.

b. Influenza del filo di terra schermato sulla riduzione del diafonia

Il grado di diafonia è determinato da molti elementi, come la frequenza del segnale, il tempo di salita del segnale, la distanza tra le linee di segnale, la porta di pilotaggio e le caratteristiche elettriche della porta di ricezione, nonché il numero di strati del PCB. La diafonia può essere ridotta predisponendo un piano di massa integrato sotto le piste stampate e aggiungendo un filo di massa schermato tra i segnali.

Nel processo di layout PCB, due aspetti possono essere utili per fermare il crosstalk. In primo luogo, il circuito interno sensibile e il circuito esterno dovrebbero essere isolati. In secondo luogo, il crosstalk tra il circuito interno o il circuito di rumore e gli altri segnali dovrebbe essere eliminato. Nel layout PCB pratico, è necessario effettuare test dettagliati sullo stesso strato o tra strati diversi del PCB per rilevare se esiste o meno un rischio di crosstalk.

Durante la procedura di layout del PCB, alcune linee di segnale con lo stesso attributo devono seguire un instradamento contemporaneo e nella stessa direzione, mantenendo una certa densità. Se la limitazione dello spazio sul PCB fa sì che i componenti di filtro non possano essere posizionati sulla stessa linea, è probabile che si generi diafonia tra i segnali. Questa situazione è illustrata nella Figura 6 qui sotto.

c. Influenza del filo di terra dello schermo sull'effetto di bordo

Quando linee di segnale altamente sensibili o linee di segnale con alta du/dt, dio/dtsono disposte lungo il bordo del PCB, subiranno un rischio EMC maggiore rispetto a quelle disposte al centro del PCB. È più facile per le linee di segnale sul bordo ricevere interferenze ad alta frequenza o radiazioni esterne a causa di una maggiore capacità parassita.

A causa della limitazione dell’area del PCB, è estremamente difficile disporre il PCB secondo i principi 20H nel file di progettazione. Si può utilizzare il “packet” per ridurre le interferenze e le radiazioni verso l’esterno. Le linee di packet non devono soddisfare requisiti specifici come spessore e forma. Di solito, quando una linea di segnale è troppo vicina al bordo del PCB per poter placcare il rame, si può aggiungere una linea di massa con una larghezza compresa tra 7 e 10 mil come schermatura.

d. Interferenza reciproca tra circuiti digitali e analogici

Quando un PCB contiene circuiti digitali ad alta velocità e segnali analogici di basso livello, in caso di un cattivo layout del PCB il rumore digitale genera di solito diafonia sui segnali analogici. L’interferenza reciproca tra circuiti digitali e analogici è causata dai seguenti motivi. In primo luogo, il rumore di diafonia è causato da capacità parassite e induttanze parassite. In secondo luogo, il cattivo disaccoppiamento dell’increspatura di alimentazione e dell’alimentazione dei chip digitali porterà a rumore di alimentazione. In terzo luogo, l’impedenza di massa e la disposizione del riferimento di massa del sistema causano rumore. Il problema del rumore dovrebbe essere affrontato nell’ordine: alimentazione, segnale e massa.

Risorse utili:
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