Con il continuo sviluppo della tecnologia dell'informazione, i prodotti elettronici stanno diventando sempre più complessi in termini di funzioni, categorie e strutture, spingendoProgettazione PCBverso la direzione di più strati e alta densità. Di conseguenza, è necessario prestare molta attenzione all’EMC (Compatibilità Elettromagnetica) nella progettazione dei PCB, poiché la progettazione EMC del PCB non solo garantisce il funzionamento normale e stabile di tutti i circuiti sulla scheda, in modo che non si interferiscano reciprocamente, ma riduce anche efficacemente la trasmissione per irradiazione e l’emissione condotta del PCB, al fine di impedire che i circuiti siano disturbati da radiazioni ed interferenze condotte esterne. L’interferenza è il principale nemico dell’EMC. Ma, ingegneri, da questo articolo in poi non dovreste più preoccuparvi.
Classificazione delle interferenze dei PCB
L'interferenza PCB può essere classificata in tre categorie:
1). Interferenza di layoutsi riferisce alle interferenze causate da un posizionamento inadeguato dei componenti sul PCB.
2). Interferenza di impilamentosi riferisce all'interferenza del rumore causata da un'impostazione non scientifica.
3). Interferenza di instradamentosi riferisce alle interferenze causate da un’impostazione impropria della distanza tra le linee di segnale PCB, le linee di alimentazione e le linee di messa a terra, dalla larghezza delle linee o da metodi non scientificiInstradamento PCBmetodo.
In termini di classificazione delle interferenze PCB, è possibile adottare alcune misure di soppressione rispettivamente dal punto di vista delle regole di layout, della strategia di impilamento e delle regole di instradamento, in modo da ridurre o addirittura eliminare l’influenza dovuta alle interferenze del PCB, garantendo così la conformità agli standard di progettazione EMC.
Misure di soppressione corrispondenti per le interferenze PCB in base alla loro classificazione
• Misure di soppressione per l'interferenza del layout
Il privilegio di interrompere l'interferenza del layout risiede nella ragionevolezzaLayout PCBche dovrebbe essere conforme alle seguenti sei regole:
1).La posizione nel circuito di ciascun modulo funzionale dovrebbe essere impostata in modo ragionevole in base alla posizione della corrente di segnale e i loro sensi di flusso dovrebbero essere mantenuti il più possibile uguali.
2).Il componente principale nel circuito del modulo dovrebbe essere posizionato al centro e i collegamenti tra i componenti dovrebbero essere accorciati il più possibile, in particolare per i componenti ad alta frequenza.
3).L’integrazione tra elementi termosensibili e chip dovrebbe essere effettuata lontano dagli elementi riscaldanti.
4).La posizione del connettore deve essere determinata in base alla posizione dei componenti sulla scheda. I connettori devono essere posizionati su un lato del PCB per evitare che i cavi vengano fatti uscire da due lati e per ridurre l’irradiazione di corrente in modo comune (CM).
5).Il driver di I/O dovrebbe essere posizionato molto vicino al connettore per evitare il percorso a lunga distanza dei segnali di I/O sulla scheda.
6).Gli elementi termosensibili non devono essere posizionati troppo vicini tra loro e anche i componenti di ingresso e di uscita devono essere lontani da essi.
• Misure di soppressione per l'interferenza di impilamento
Innanzitutto, le informazioni di progettazione del PCB devono essere padroneggiate tenendo conto di elementi completi, tra cui la densità delle linee di segnale, la classificazione di alimentazione e massa, al fine di determinare la potenza e il numero di strati che garantiscono l’implementazione della funzione del circuito. La qualità della strategia di impilamento è essenzialmente correlata alla tensione transitoria del piano di massa o del piano di alimentazione e alla schermatura elettromagnetica di alimentazione e segnali. In base all’esperienza pratica di progettazione dello stack, la progettazione dello stack dovrebbe conformarsi alle seguenti regole:
1).Il piano di massa e il piano di alimentazione devono essere adiacenti tra loro e la distanza tra di essi deve essere il più piccola possibile.
2).Il piano di segnale dovrebbe essere strettamente vicino al piano di massa o al piano di alimentazione. Va bene sia con un singolo strato che con più strati.
Nel processo di progettazione di PCB a singolo strato o a doppio strato, le linee di alimentazione e le linee di segnale devono essere progettate con attenzione. Per ridurre l’area dell’anello della corrente di alimentazione, le linee di massa e le linee di alimentazione devono essere strettamente ravvicinate tra loro e mantenute reciprocamente parallele. Per i PCB a singolo strato, le linee di messa a terra di protezione devono essere disposte su entrambi i lati delle linee di segnale importanti. Da un lato, ciò mira a ridurre l’area dell’anello dei segnali. Dall’altro lato, si può evitare la diafonia tra le linee di segnale.
Per i PCB a doppio strato, è anche possibile impostare linee di messa a terra di protezione oppure implementare una messa a terra su un’ampia area sul piano immagine dei segnali significativi. SebbeneProduzione di PCBe il debug dell'assemblaggio sono semplici e convenienti, non è accettabile simulare direttamente PCB complessi come circuiti digitali e circuiti misti digitale-analogico perché la radiazione aumenterà con l'aumentare dell'area dell'anello senza piano di riferimento.
Si consigliano PCB multistrato se il budget lo consente. Nel processo di progettazione di PCB multistrato devono essere seguite tre regole:
1).Per line di segnale significative, come linee di bus o di clock con forte radiazione e linee ad alta sensibilità, il routing dovrebbe essere implementato tra due piani di massa o sul piano di segnale strettamente accoppiato al piano di massa, il che è utile per ridurre l’area dell’anello di segnale, diminuire l’intensità di radiazione e rafforzare la resistenza alle interferenze.
2).Si deve garantire che la radiazione di bordo sia mantenuta sotto controllo efficace. Rispetto al piano di massa adiacente, il piano di alimentazione dovrebbe essere ridotto internamente di 5–20H (dove H indica lo spessore del dielettrico).
3).. Se esistono linee di segnale ad alta frequenza tra lo strato inferiore e quello superiore, esse dovrebbero essere disposte tra lo strato superiore e il piano di massa per impedire la radiazione delle linee di segnale ad alta frequenza nello spazio.
• Misure di soppressione per l'interferenza di instradamento
Per vietare interferenze, devono essere rispettate le seguenti regole in termini di instradamento:
1).I conduttori al terminale di uscita e al terminale di ingresso dovrebbero evitare di essere paralleli per una lunga distanza. Il diafonia parallela può essere ridotta aggiungendo linee di messa a terra o aumentando la distanza tra le linee.
2).La larghezza di instradamento non può mai essere modificata improvvisamente. L’angolo dovrebbe essere ad arco o con un angolo di 135°.
3).L’irradiazione esterna di un anello percorso da corrente aumenta (diminuisce) con l’aumentare (il diminuire) dell’area dell’anello, della corrente e della frequenza del segnale, quindi è necessario ridurre l’area dell’anello dei conduttori quando scorre corrente.
4).La lunghezza dei conduttori dovrebbe essere ridotta mentre la larghezza aumentata, al fine di diminuire l’impedenza dei conduttori.
5).Per ridurre al minimo l’accoppiamento di rumore e il crosstalk tra le linee adiacenti, eseguire un’adeguata separazione tra le linee per garantire l’isolamento del routing.
6).Il segnale chiave di isolamento dello shunt deve essere impostato e i segnali chiave sono protetti da circuiti di protezione.
Inoltre, durante il instradamento delle linee di segnale, delle linee di alimentazione e delle linee di messa a terra, seguire le regole di instradamento in conformità con le loro caratteristiche e funzioni specifiche:
a.Le linee di massa pubbliche devono essere disposte sul bordo del PCB con un pattern a maglia o ad anello; le linee di massa devono essere il più spesse possibile e si dovrebbe applicare una maggiore quantità di foglio di rame per rafforzare l’effetto di schermatura; la massa analogica deve essere isolata dalla massa digitale e, per la massa a bassa frequenza della massa analogica, si deve adottare un collegamento parallelo a punto singolo. Per la massa ad alta frequenza si deve adottare un collegamento in serie multipunto. Nel routing pratico, il collegamento in serie può essere combinato con il collegamento in parallelo.
b.La larghezza delle linee di alimentazione dovrebbe essere aumentata ogni volta che è possibile e la resistenza dell’anello dovrebbe essere ridotta, in modo da garantire la sincronizzazione tra la direzione delle linee di massa e delle linee di alimentazione e quella della trasmissione dei dati. Per i PCB multistrato, la distanza tra le linee di alimentazione e il piano di massa o il piano di alimentazione dovrebbe essere ridotta. L’alimentazione dovrebbe essere fornita in modo indipendente a ciascuna unità funzionale e i circuiti alimentati dalla stessa sorgente comune dovrebbero essere vicini e compatibili tra loro.
c.Le linee di segnale devono essere il più corte possibile, in modo da garantire la riduzione del percorso di accoppiamento dei segnali di interferenza. Le linee del segnale di clock e le linee di segnale sensibili devono essere instradate per prime, poi le linee di segnale ad alta velocità e infine le linee di segnale non significative. Se le linee di segnale non sono compatibili tra loro, è necessario implementare un trattamento di isolamento per impedire la generazione di interferenze per accoppiamento. L’instradamento dei segnali chiave non può oltrepassare l’area di separazione o addirittura lo spazio del piano di riferimento causato da pad e via passanti. In caso contrario, l’area dell’anello di segnale aumenterà. Nel frattempo, per evitare la radiazione di bordo, la distanza tra le linee di segnale chiave e il piano di riferimento non può essere inferiore a 3H (H indica l’altezza tra le linee di segnale chiave e il piano di riferimento).
L’unica cosa di cui dobbiamo avere paura è la paura stessa. Per gli ingegneri elettronici, nel processo di progettazione PCB, forse le interferenze sono sempre motivo di delusione. Tuttavia, finché sappiamo da dove derivano le interferenze e adottiamo misure efficaci, le interferenze saranno sicuramente ridotte e le prestazioni del PCB pienamente realizzate.
Con l’aumento della complessità dei dispositivi elettronici, una buona Compatibilità Elettromagnetica (EMC) nella progettazione dei PCB è fondamentale per prevenire interferenze che degradano la funzionalità. Grazie alla consapevolezza e alla riduzione delle interferenze del PCB tramite metodi di layout, impilamento e instradamento, le prestazioni e l’affidabilità del dispositivo possono essere notevolmente migliorate. Attraverso azioni appropriate, le interferenze possono essere ridotte al minimo, consentendo di sfruttare appieno il potenziale dei PCB e garantendo il funzionamento impeccabile dei sistemi elettronici avanzati.
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