Pengaruh Susun Atur PCB terhadap Prestasi EMC Produk Elektronik

Ground dalam PCB

• Pengaruh Gangguan Kod Umum terhadap Isyarat Dalaman PCB

Cecair bercetak papan litar bercetak (PCB) dalaman mempunyai parameter parasit relatif kepada papan tanah rujukan dan apabila isyarat fungsi dihantar di dalam PCB, nod equipotensi yang sama dalam rangkaian yang sama dalam litar tidak lagi equipotensi. Arussayadi dalam PCB bermula dari hujung sumber, melalui satu siri pembawa dan kembali ke sumber isyarat, membentuk satu isyarat. Selain itu,sayacenderung mengalir sepanjang laluan dengan impedans rendah supayasayabiasanya kekal tidak berubah dengan kestabilan impedans.

Rajah 1 menunjukkan proses apabila gangguan mod sepunya ditukarkan kepada gangguan mod pembezaan di dalam PCB. saya_dmerujuk kepada arus mod pembezaan yang mengalir di dalam PCB semasasaya_commerujuk kepada arus mod biasa yang sama ada bermula dari luar PCB dan mengalir masuk ke PCB melalui papan rujukan tanah atau bermula dari dalam PCB dan kembali ke dalam PCB melalui papan rujukan tanah. Frekuensi tinggisaya_commempunyai dua laluan: yang pertama adalah dari titikAmenudingBdi dalam PCB bermula dari GND; yang kedua adalah dari titikAmenudingBbermula dari pelabuhan S₁ke dalam PCB melalui kapasitans C. Impedans bumiZ_ABmenyebabkan penjanaan Δu_AB, jadi apabila isyarat biasa dihantar ke IC₂, ubah bentuk akan berlaku untuk memberi isyarat dan gangguan mod biasa ditukar kepada gangguan mod pembezaan, yang menghasilkan pengaruh kepada isyarat biasa berdasarkan formula iaituu₂=u₁-Δu_AB.

Oleh itu, sebaik sahajasaya_commemasuki bahagian dalam PCB melalui port I/O atau sinaran ruang, kapasitans penapis mod pembezaan pada talian isyarat PCB hanya boleh menekan gangguan untuk memintas ke GND. Prasyarat bagi hasil ini ialah GND dianggap sebagai impedans rendah untuk aliran balik isyarat dan arus sentiasa mengalir ke arah impedans yang rendah.

• Kunci Pelaksanaan Reka Bentuk EMC: Impedans Bumi dalam PCB

Punca penjanaan EMC oleh isyarat frekuensi tinggi terletak pada kegagalan aras rujukan isyarat GND untuk mengekalkan ciri impedans rendahnya. Dengan peningkatan impedansZ_GNDtahap rujukan, kualiti penghantaran isyarat juga berkurangan. Untuk menyelesaikan masalah gangguan frekuensi tinggi, kaedah biasa digunakan dalamReka bentuk EMCseperti penapis, bumi dan perisai yang disambungkan rapat kepada "bumi".

Penapis boleh dianggap sebagai kapasitor ke bumi, dengan dua struktur iaitu satu menjadikan kapasitor X disambungkan ke bumi rujukan isyarat dan satu lagi menjadikan isyarat disambungkan ke sarung logam melalui kapasitor Y atau sambungan bumi yang berbeza di dalam PCB. Perisai boleh dianggap sebagai hasil pengembangan bumi PCB ke ruang. Tujuan penapis atau perisai adalah untuk membolehkan gangguan mod sepunya frekuensi tinggi melalui pintasan dengan impedans rendah supaya ia tidak mengalir ke dalam isyarat operasi biasa. Begitu juga, semua kaedah ini tidak akan berfungsi melainkan bumi mempunyai impedans yang rendah.

Rajah 2 menunjukkan kesan impedans bumi terhadap penapis litar. saya_commengalir mengikut turutan IC₁→IC₂→IC₁dan apabila ia mengalir ke titikP,saya_comakan mengalir ke dalam litar cabang IC₁danC₁melaluinya ia mengalir dari titikAkeB. Jika impedans antara titikAdanBiaituZ_AB, adalah jauh lebih kecil daripada impedans antara titikPdan IC₁. Pada saat ini,saya_commengalir dari titikPkeA, IC₁penapis boleh direalisasikan. Apabilasaya_commengalir ke titikB, litaran cabang akan berlaku yang manaB→CdanB→S. Jika susun atur PCB tidak dikawal dengan baik, impedans antara titikBdanCiaituZ_BC,Z_BC>>Z_C2+Z_S.Z_Qmerujuk kepada impedans antara titikSdan IC₂.saya_commengalir ke belakang ke IC₂port input melaluiC₂apabila kapasitans yang pada asalnya digunakan semata-mata untuk IC₂memainkan peranan dalam gangguan pencerobohan isyarat.

Untuk menjadikan aras rujukan berimpedans rendah, ia biasanya direka bentuk sebagai satu permukaan. Secara umumnya, konduktor yang nisbah panjang-lebarnya kurang daripada 5 boleh dianggap sebagai berimpedans rendah dalam bidang kejuruteraan. Impedans talian bercetak tidak ditentukan oleh darjah panjang atau ketebalannya. Dalam reka bentuk tradisionalPrinsip reka bentuk PCB, pembumian titik tunggal litar analog sangat disyorkan supayaPrinsip susun atur PCBpembumian berbilang titik litar digital dan pembumian campuran litar modul digital tidak lagi berkesan untuk menangani masalah EMC.

Memandangkan semua aliran balik bagi semua isyarat mesti dipastikan mempunyai tanah bersepadu dengan impedans rendah, papan 4 lapisan atau berbilang lapisan dengan satah tanah bersepadu mampu memenuhi keperluan tersebut manakala papan tunggal kos rendah tidak mampu. Apabila papan dua lapisan terpaksa digunakan kerana had kos, satu satah tanah yang agak bersepadu perlu direka untuk isyarat di dalam PCB. Dalam aplikasi praktikal, impedans tanah PCB dipengaruhi oleh bentuknya serta oleh lubang melalui wayar isyarat, rekahan dan pemotongan. Rajah 3a dan 3b masing-masing menunjukkan reka bentuk satah tanah impedans rendah yang tidak baik dan yang sangat baik.

Dalam rajah ini, semua komponen berada di bahagian hadapan PCB manakala satah bumi berada di bahagian belakang. Cip disambungkan melalui garisan bercetak.abdi bahagian hadapan dancddicetak garisan di bahagian belakang. Di bawah tekanan gangguan mod sepunya frekuensi tinggi dari luar, slot yang dibentuk olehcdakan membawa kepada peningkatanZ_GNDaliran balik garis bercetak.Z_GNDberubah-ubah dalam proses penghantaran isyarat, menyebabkan kualiti isyarat yang rendah. Oleh itu, lapisan garisan bercetak antaracdboleh ditukar berkali-kali melalui lubang dalam proses reka bentuk susun atur PCB supayaZ_GNDakan dikurangkan. Selain itu, dua IC_Sdengan isyarat sensitif boleh disusun bersama supaya GND menjadi satah bumi yang agak bersepadu secara setempat untuk memastikan isyarat tidak akan terganggu dalam proses penghantaran isyarat. Perhatikan bahawa lubang melalui tidak boleh disusun terlalu padat, jika tidak satah bumi akan retak juga, sekali gus membawa kepada peningkatanZ_GND.

Reka Bentuk Susunan PCB

Reka bentuk EMC adalah paling sesuai untuk PCB 4 lapisan. Dari perspektif EMS, sama ada perumah logam atau perisai perumah logam bagi litar setempat yang sensitif mampu menyelesaikan masalah gangguan. Dari perspektif EMI, kadangkala papan 4 lapisan gagal memenuhi keperluan had pancaran radiasi dan bilangan lapisan perlu ditingkatkan kerana papan berbilang lapisan boleh menjadikan isyarat dengan d_u/d_tdan d_saya/d_tmemastikan kawasan gelung isyarat yang lebih kecil dalam proses penghantaran, menyediakan aliran balik dengan impedans rendah untuk isyarat berkelajuan tinggi.

Prinsip asas bagiReka bentuk susunan PCBial berkelajuan tinggi dan satah kuasa bersebelahan dengan satah tanah. Rajah 4 menunjukkan reka bentuk susunan papan 4 lapisan dan 6 lapisan.₁dalam Rajah 4a merujuk kepada lapisan isyarat berkelajuan tinggi manakala Rajah 4b, 4c dan 4d ialah tiga reka bentuk PCB 6 lapisan biasa.

Dalam kalangan 3 reka bentuk PCB 6-lapisan, reka bentukbadalah yang paling teruk dan S₂lapisan hendaklah merupakan lapisan isyarat berkelajuan tinggi. S₂lapisan dalam reka bentukcdandialah lapisan isyarat berkelajuan tinggi. Reka bentukcadalah yang terbaik kerana setiap lapisan isyarat bersebelahan rapat dengan satah tanah bagi memastikan laluan balik aliran isyarat yang paling pendek dan S₂dan lapisan P dilindungi oleh GND₁dan GND₂. Berbanding dengan reka bentukc, S₃dalam reka bentukdjauh dari lapisan GND dan P hanya boleh mencapai kesan sebelah tunggal dan bukannya kesan dua belah yang disebabkan oleh reka bentukc.

Antena Setara dalam PCB

Fungsi asas antena adalah untuk memancarkan dan menerima gelombang radio tanpa wayar. Dalam proses pancaran, arus frekuensi tinggi boleh diubah menjadi gelombang elektromagnet; dalam proses penerimaan, gelombang elektromagnet diubah menjadi arus frekuensi tinggi. Pancaran dalam bidang EMC terutamanya merujuk kepada pancaran medan jauh. Pembentukan antena bergantung pada dua syarat asas: sumber isyarat RF dan panjang konduktor tertentu yang disambungkan kepada sumber isyarat RF. Dalam bidang kejuruteraan, dipercayai bahawa kesan antena akan muncul apabila panjang konduktor mematuhi formula iaitul=λ/20. Apabilal=(λ/4)n, kesan antena adalah yang terbesar dengannsebagai nombor semula jadi.

Apabila isyarat dihantar di dalam PCB, gelung dalaman mempunyai kesan yang sama seperti antena gelung. Semakin besar kawasan gelung, semakin kuat kesan antena tersebut. Kawalan gelung PCB yang ketat boleh dengan berkesan menghentikan gangguan mod pembezaan, yang boleh dilaksanakan dalam amalan. Walau bagaimanapun, pertambahan panjang garisan tercetak akan menyebabkan kesan antena rod yang ketara, jadi panjang isyarat antara sambungan hendaklah dipendekkan sebanyak mungkin dalam proses susun atur PCB.

Apabila agak tinggiZ_GNDberlaku pada laluan aliran balik d tinggiu/dtisyarat dihantar di dalam PCB, sumber pemacu mod sepunyau_comakan berlangsung dengansaya_commengalir melepasiZ_GND, bersama dengan garisan bercetak atau I/O stabil yang disambungkan, yang boleh memancar ke luar.

Jika saiz PCB agak kecil, talian bercetak dalaman tidak dapat memenuhi keperluan radiasi antena kerana had panjangnya. Dalam keadaan ini, kabel I/O boleh dianggap sebagai sambungan talian bercetak, dan keperluan radiasi dapat dipenuhi. Walaupun tiada sambungan terus ke I/O yang stabil, gandingan gangguan silang antara kabel I/O harus dihentikan.

Crosstalk di dalam PCB dan Penawarnya

• Gandingan antara garisan bercetak PCB dan tanah rujukan

Oleh kerana EMC terutamanya membincangkan isyarat mod sepunya frekuensi tinggi, parameter taburan tidak dapat dielakkan sama ada di dalam atau di luar PCB. Gandingan kapasitif berlaku antara PCB dan tanah rujukan, di mana kapasitans teragihnya terdiri daripada kapasitans kepingan dan kapasitans semula jadi dalam ruang terkecil. Kapasitans kepingan berkadar terus dengan saiz PCB dan berkadar songsang dengan jarak antara PCB dan tanah. Kapasitans semula jadi dalam ruang terkecil berkadar terus dengan diameter setara bagi jejak bercetak di dalam PCB. Oleh itu, tidak kira di mana PCB diletakkan, walaupun sangat jauh daripada tanah pada jarak tak terhingga, kapasitans teragih sentiasa wujud antara jejak bercetak di dalam dan tanah. Dalam sebuah PCB, kapasitans teragih satah GND yang agak bersepadu terhadap papan tanah rujukan adalah lebih kurang 10pF dan kapasitans teragih jejak bercetak di dalam terhadap papan tanah rujukan adalah kira-kira dalam julat dari 0.001pF hingga 0.1pF atau lebih rendah. Kapasitans teragih jejak bercetak di bahagian tengah PCB adalah jauh lebih rendah berbanding jejak bercetak di bahagian tepi PCB.

• Penggandingan di dalam PCB

a. Teori gandingan di dalam PCB dan pengaruhnya terhadap isyarat

Gandingan di dalam PCB terdiri daripada gandingan kapasitif dan gandingan induktif yang teorinya ditunjukkan dalam Rajah 5.

Dalam rajah ini, kedua-duanyaABdanCDialah garisan bercetak selari dengan jarak kecil antara dua garisan. Z₀merujuk kepada pembawa talian isyarat 1 manakala Z₁dan Z₂merujuk masing-masing kepada pembawa talian isyarat 2. Dalam Rajah 5a, apabila voltan puncak isyarat pada talian bercetakABialahu, masa naik isyarat ialah Δt, dan frekuensi sudut ialah ω, voltan Z₂akan menjadi awak_v=[Z₁Z₂/(Z₁+Z₂)]cΔu/Δt. Walaupun_cmempunyai nilai yang sangat rendah, nilai Δu/dtboleh menjadi sangat tinggi dan hasil darabnya tidak dapat dielakkan. Dalam Rajah 5b, apabila arus puncak isyarat padaABadalah saya_c, masa naik isyarat ialah Δt, dan frekuensi sudut ialah ω, induktansi bersamamakan melalui antara 2 garisan bercetakCDpada mana voltan teraruh ialah u_v=mωi_c. Walaupun nilaimadalah sangat kecil, frekuensi isyarat boleh ditingkatkan. Oleh itu, hasil darabnya tidak dapat dielakkan.

Akibatnya, kedua-dua gandingan kapasitif dan gandingan induktif berkaitan dengan parameter teragih bagi dua jalur bercetak.cataum. Semasa susun atur PCB, nilai-nilaicdanmboleh dikurangkan dengan meningkatkan jarak antara garisan selari. Dalam litar praktikal, gandingan kapasitif menyumbang kepada sebahagian besar litar digital dan apabilaSatah PCBtidak licin atau terdapat slot atau retak, gangguan silang induktif akan mempunyai lebih banyak pengaruh berbanding gangguan silang kapasitif. Walau bagaimanapun, apabila kawasan PCB adalah terhad, gangguan silang tidak boleh ditangani hanya dengan membesarkan jarak antara garisan selari. Untuk mengekalkan parameter teragih yang paling kecil antara dua garisan selari bersebelahan, reka bentuk satah bersepadu harus disusun dalam kawasan unjuran dan adalah paling baik untuk mempunyai lapisan tanah di bahagian atas dan bawah.

b. Pengaruh wayar bumi perisai untuk mengurangkan gangguan silang

Tahap gangguan silang ditentukan oleh banyak unsur seperti frekuensi isyarat, masa tepi naik isyarat, jarak antara talian isyarat, port pemacu dan ciri elektrik port penerima serta bilangan lapisan PCB. Gangguan silang boleh dikurangkan dengan menetapkan satah bumi bersepadu di bawah talian bercetak dan wayar bumi perisai boleh ditambah di antara isyarat.

Dalam proses susun atur PCB, dua aspek boleh membantu menghentikan gangguan silang. Pertama, litar dalaman sensitif dan litar luaran harus diasingkan. Kedua, gangguan silang antara litar dalaman atau litar hingar dan isyarat lain harus dihentikan. Dalam susun atur PCB secara praktikal, ujian terperinci perlu dijalankan pada lapisan yang sama atau antara lapisan berbeza dalam PCB untuk mengesan sama ada wujud risiko gangguan silang atau tidak.

Semasa prosedur susun atur PCB, beberapa talian isyarat dengan atribut yang sama hendaklah mengikut penghalaan pada masa yang sama dan arah yang sama dengan ketumpatan tertentu. Jika had ruang PCB menyebabkan komponen penapis tidak dapat diletakkan pada laluan yang sama, gangguan silang antara isyarat cenderung untuk berlaku. Keadaan ini ditunjukkan dalam Rajah 6 di bawah.

c. Pengaruh wayar bumi perisai terhadap kesan tepi

Apabila talian isyarat yang sangat sensitif atau talian isyarat dengan d tinggiu/dt, dsaya/dtdisusun di sepanjang tepi PCB, ia akan menghadapi lebih banyak risiko EMC berbanding yang disusun di tengah PCB. Garis isyarat di tepi lebih mudah menerima gangguan frekuensi tinggi atau pancaran luar disebabkan oleh kapasitans parasit yang lebih besar.

Di bawah had kawasan PCB, adalah amat sukar untuk mereka bentuk susun atur PCB mengikut prinsip 20H dalam fail reka bentuk. "Packet" boleh digunakan untuk mengurangkan gangguan dan pancaran luaran. Garisan packet tidak perlu memenuhi keperluan khusus seperti ketebalan dan bentuk. Biasanya apabila satu garisan isyarat terlalu hampir dengan tepi PCB untuk penyaduran kuprum, satu garisan tanah dalam julat 7 hingga 10 mil boleh ditambah sebagai perisai.

d. Gangguan bersama antara litar digital dan analog

Apabila PCB mengandungi litar digital berkelajuan tinggi dan isyarat analog aras rendah, gangguan silang biasanya terhasil kepada isyarat analog oleh hingar digital di bawah susun atur PCB yang tidak baik. Gangguan saling antara litar digital dan analog disebabkan oleh sebab-sebab berikut. Pertama, hingar gangguan silang disebabkan oleh kapasitans parasit dan induktans parasit. Kedua, penyahgandingan yang tidak baik bagi riak kuasa dan bekalan kuasa cip digital akan menyebabkan hingar kuasa. Ketiga, impedans tanah dan penempatan tanah sistem menyebabkan hingar. Masalah hingar harus ditangani mengikut turutan kuasa, isyarat dan tanah.

Sumber yang Berguna:
•Pengenalan Paling Komprehensif tentang Alat Automasi EMI dan EMC
•Memastikan Kejayaan Kali Pertama dalam Reka Bentuk EMC PCB
•Peraturan Reka Bentuk Pembahagian PCB untuk Penambahbaikan EMC
•Reka Bentuk PCB untuk Litar Frekuensi Radio dan Keserasian Elektromagnetik
•Tiga Pertimbangan Reka Bentuk untuk Memastikan EMC bagi PCB Komputer Riba
•Perkhidmatan Pembuatan PCB Ciri Penuh daripada PCBCart - Pelbagai Pilihan Nilai Tambah
•Perkhidmatan Pemasangan PCB Termaju daripada PCBCart - Bermula dari 1 keping