Generasi baharu teknologi elektronik membawa kepada peningkatan kelajuan tepi komponen yang tinggi. Peningkatan kelajuan kerja litar menyebabkan keperluan yang semakin tinggi terhadap reka bentuk PCB. Kualiti reka bentuk PCB malah menentukan prestasi kerja komponen dan keseluruhan litar. Terutamanya apabila kos, keluasan PCB dan fungsi litar bersepadu diambil kira, punca penjanaan EMI (Antara Muka Elektromagnet) menjadi semakin meluas dengan mekanisme yang rumit.
Mekanisme EMI dan Penyelesaian
Elemen utama EMI merangkumi sumber gangguan elektromagnet, laluan penghantaran dan objek yang terganggu. Dengan elemen yang membawa kepada kemunculan EMI telah dikenal pasti, adalah perlu untuk menentukan elemen yang mudah diselesaikan dan elemen yang hanya boleh diselesaikan sebahagiannya dalam proses reka bentuk PCB supaya ia dapat diambil kira dalam proses susun atur, peroutingan dan pembumian.
• Susun atur
Dari segiSusun atur PCB, kawasan harus dibahagikan mengikut fungsi yang berbeza. Fungsi yang berbeza diagihkan ke kawasan yang berbeza sementara perhatian khusus perlu diberikan kepada unit sensitif dalam kawasan fungsi.
Secara umumnya, prinsip-prinsip berikut perlu dipatuhi untuk susun atur PCB:
a.Dalam litar berkelajuan tinggi, parameter taburan pin komponen perlu dipertimbangkan dan keupayaan teragih pada pin komponen adalah sangat penting terutamanya untuk isyarat jam berkelajuan tinggi. Pada masa yang sama, induktans teragih perlu diambil sebagai rujukan kerana ia berkemungkinan menyebabkan ayunan isyarat, yang membawa kepada kegagalan fungsi litar. Oleh itu, dalam proses susun atur, taburan perlu diatur dengan ketumpatan tinggi dengan panjang lead dipendekkan untuk pemfaktoran laluan masa hadapan dan mengurangkan pengaruh EMI.
b.Jika kedua-dua komponen analog dan komponen elektronik berada dalam satu litar, komponen tersebut perlu diedarkan secara berasingan dalam proses susun atur. Oleh kerana isyarat komponen digital mempunyai gabungan yang rumit dengan pelbagai gelombang harmonik, ia akan menghasilkan pengaruh yang besar terhadap isyarat analog. Oleh itu, ia perlu dipertimbangkan dengan sangat teliti.
c.Unit jam adalah penting dalam litar berkelajuan tinggi. Mekanisme kerja unit jam sebenarnya bersamaan dengan satu sumber hingar, yang bermaksud unit ini akan berayun apabila syarat tertentu dipenuhi. Sebagai sumber penting gangguan kekonduksian dan gangguan sinaran, unit jam tidak boleh diletakkan di tepi PCB. Jika tidak, EMI akan menjadi sangat serius. Adalah perlu untuk meletakkan unit jam di tengah PCB, yang boleh mengurangkan EMI dalam litar dengan ketara.
• Penghalaan
Dalam prosesPendawaian PCBDalam keadaan kos yang rendah, satah bumi boleh dibesarkan sebanyak mungkin untuk mengurangkan pengaruh EMI. Namun, dalam keadaan di mana kos perlu dikawal dengan ketat, bilangan lapisan PCB dan turutan susunan lapisan perlu dipertimbangkan dengan teliti. Selain itu, jenis isyarat perlu dipertimbangkan dan pendawaian perlu dilakukan secara berasingan untuk isyarat berkelajuan tinggi dan isyarat berkelajuan rendah. Di samping itu, elemen lain yang perlu dipertimbangkan termasuk punca hingar dan cara mengukuhkan penindasan hingar, isu pemadanan impedans (isyarat berkelajuan tinggi tanpa pemadanan yang sesuai pasti akan menyebabkan pantulan isyarat dan mengurangkan kebolehpercayaan litar), serta senarai rangkaian.
a. Prinsip asas penghalaan
Prinsip umum yang diikuti dalam penghalaan termasuk:
1).Titik putus harus dielakkan dalam penghalaan, yang bermaksud sudut tepat harus dielakkan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1 di bawah.
Oleh kerana sudut tepat berkemungkinan menyebabkan pantulan, titik infleksi hendaklah direka dengan lancar untuk mengelakkan fenomena ini. Pada masa yang sama, isyarat utama tidak boleh melepasi kawasan yang dibahagi, jika tidak EMI akan serta-merta meningkat. Kaedah pintasan isyarat yang paling biasa ialah melintasi kawasan pembahagian kuasa yang berbeza.
2). Dalam proses susun atur, komponen analog dan komponen digital perlu dipisahkan antara satu sama lain, yang bermaksud laluan jejak mereka harus dipisahkan. Pada masa yang sama, lebar wayar tanah dan wayar kuasa perlu dibesarkan dengan peraturan umum bahawa lebar wayar tanah adalah lebih besar daripada wayar kuasa dan wayar kuasa adalah lebih besar daripada wayar isyarat. Selain itu, prinsip 3W harus diambil kira sepenuhnya pada laluan wayar isyarat manakala untuk papan berbilang lapisan, prinsip 20H harus dipertimbangkan pada lapisan dalaman. Penyempurnaan kerja di atas mampu mengelakkan 70% EMI. Bagi wayar sensitif analog, langkah seperti pembumian boleh dilaksanakan.
3).Untuk penghalaan USB2.0 atau talian pembezaan berkelajuan tinggi yang lain, penghalaan berpasangan hendaklah digunakan dan keutuhan permukaan rujukan antara pasangan pembezaan hendaklah dipastikan. Oleh kerana pasangan pembezaan lazimnya merupakan isyarat berkelajuan tinggi, penghalaan tidak boleh diatur di bahagian tepi PCB.
b. Gelung
Gelung tidak dapat dielakkan dalam reka bentuk PCB. Gelung terbentuk daripada isyarat yang mengalir keluar hingga mengalir masuk dan setiap gelung memainkan peranan sebagai antena dalam fungsi. Untuk mengurangkan EMI dalam PCB, kedua-dua bilangan gelung dan keupayaan antena gelung perlu dikurangkan. Ini bermakna arah aliran setiap isyarat perlu diberi perhatian dalam reka bentuk PCB dan kawasan gelung mesti dikurangkan untuk isyarat berkelajuan tinggi.
Dalam litar, gelung yang paling kerap digunakan ialah gelung kuasa yang terkandung dalam kapasitor nyahganding, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2.
Jika kapasitor nyahganding diletakkan seperti dalam rajah kiri dalam Rajah 2, gelung arus yang agak besar akan terhasil dengan fenomena EMI yang ketara. Sebaliknya, dalam rajah kanan Rajah 2 di mana kapasitor nyahganding diletakkan rapat bersebelahan cip, satu gelung nyahganding yang amat kecil terhasil dengan fungsi utama untuk mengurangkan EMI. Prinsip-prinsip yang perlu diikuti ditunjukkan untuk mengurangkan gelung:
1).Hanya satu laluan yang dipastikan wujud antara dua titik pada setiap talian isyarat.
2). Pesawat bumi harus digunakan tanpa sebarang sekatan dalam gelung isyarat yang dipastikan.
c. Wayar bumi PCB
1). Perbezaan perlu diperjelaskan antara tanah digital, tanah analog dan tanah perisai sistem dalam sistem pembumian PCB. Manik magnet dan kapasitor digunakan untuk mengasingkan tanah digital dan tanah analog, dan tanah digital serta tanah medan hendaklah disambungkan secara terus.
2).Jika dibenarkan, wayar bumi hendaklah dilebarkan dalam PCB.
3).Membentuk litar tertutup denganwayar bumisupaya keupayaan anti-gangguan akan dipertingkatkan dan perbezaan aras elektrik antara sistem dikurangkan.
• Reka bentuk penapis
Dalam PCB berkelajuan tinggi, pemprosesan penapis boleh dilaksanakan pada wayar kuasa dan wayar isyarat. Langkah biasa termasuk penambahan komponen penapis magnetik, penapis EMI dan kapasitor nyahganding.
a. Pemilihan kapasitor nyahganding
1).Dalam satu litar, kapasitor nyahganding membantu menjadikan bekalan kuasa lebih stabil dan menguatkan keupayaan anti-gangguan. Secara amnya, kapasitor seramik dipilih sebagai kapasitor nyahganding kerana kestabilan tinggi, ketepatan tinggi, saiz yang kecil dan ESR (Rintangan Siri Setara) yang rendah. Dalam reka bentuk litar, nilai kapasitans biasanya dipilih dalam julat dari 1μF hingga 100μF manakala keupayaan menahan voltan perlu dipertimbangkan mengikut litar.
2).Kapasitor nyahganding perlu diletakkan rapat bersebelahan dengan komponen.
b. Pemilihan komponen magnetik
Komponen magnet boleh dikelaskan kepada induktor dan manik magnet. Secara amnya, induktor dipasang di hujung terminal kuasa manakala manik magnet di antara talian isyarat. Dalam prosespemilihan komponen, parameter ketepuan perlu diambil kira. Setelah komponen magnet mencapai ketepuan, ia akan rosak terbakar. Selain itu, kedua-dua kualiti dan parameter DCR bagi komponen magnet perlu dipertimbangkan.
Langkah yang biasa digunakan pada talian isyarat ialah penggunaan manik magnet pada talian bersiri untuk menguatkan keupayaan EMI.
c. Pemilihan penapis EMI
Kawasan dengan gangguan mod biasa yang serius terletak di tempat yang mempunyai bekalan kuasa masuk dan talian isyarat keluar. Langkah biasa untuk mengelakkan gangguan mod biasa termasuk penambahan induktor mod biasa, piezoresistor, litar LC dan penapis EMI khusus. Dalam litar berkelajuan tinggi, masalah EMI perlu dipertimbangkan untuk penghantaran berkelajuan tinggi pada antara muka digital seperti USB dan HDMI.
• Pantulan isyarat
Dalam penghantaran isyarat, tenaga pada terminal sumber sentiasa diharapkan dihantar ke terminal beban, yang bermaksud bahawa ZL hendaklah sama dengan ZO. Jika kedua-duanya tidak sama, sebahagian tenaga akan dipantulkan.
Jika kelewatan penghantaran talian adalah agak panjang, isyarat yang lebih kuat akan dipantulkan kembali ke terminal sumber. Maka sejumlah pelarasan yang agak besar perlu dibuat untuk pampasan apabila deringan dijana, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 5 di bawah.
Apabila deringan berlaku pada isyarat, EMI mencapai tahap keterukan yang paling tinggi. Untuk mengelakkan fenomena sedemikian dalam reka bentuk PCB, sila ikut prinsip dalam Jadual 1.
|
Masa tepi isyarat (ns)
|
Panjang talian isyarat (inci)
|
| 5 |
8.6 |
| 4 |
6.9 |
| 3 |
5.1 |
| 2 |
3.4 |
| 1 |
1.7 |
Ujian EMI
Selepas reka bentuk produk, walaupun banyak langkah telah diambil untuk mengelakkan EMI, masalah tidak akan ditemui sehinggalah pelaksanaan ujian. Kemudian, beberapa pengubahsuaian boleh dibuat untuk menyelesaikan masalah.
Ujian EMI merangkumi kaedah ujian, peranti dan kedudukan ujian. Kaedah ujian hendaklah dijalankan dengan merujuk kepada semua item. Jika peranti gagal mencapai piawaian, spektrometer boleh digunakan untuk ujian kualitatif. Jika nilai EMI khusus bagi peranti diperlukan, peranti profesional perlu digunakan. Bagi kedudukan ujian, adalah paling baik untuk menjalankan ujian di dalam bilik gelap.
