ปัญหาการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี EMC ในการออกแบบ PCB ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และกลยุทธ์

ในการพัฒนาที่ยั่งยืนของการออกแบบและการผลิต IC (วงจรรวม) ความเด่นชัดของปัญหาบางประการ เช่น ความล่าช้าในการส่งสัญญาณและสัญญาณรบกวน มีบทบาทในการส่งผลต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องให้ความสนใจอย่างเพียงพอต่อปัญหาเหล่านี้ในกระบวนการของการออกแบบแผงวงจรพิมพ์และกระบวนการไหลของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์จะต้องได้รับการกำกับดูแล เช่น ขั้นตอนการทดลองผลิตและการผลิต นอกจากนี้ การออกแบบ PCB ควรได้รับการปรับปรุงเพื่อแก้ไขปัญหาที่เด่นชัดเหล่านี้ภายใต้โมดูลการออกแบบแบบดั้งเดิม และเพื่อให้เกิดการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี EMC (Electro Magnetic Compatibility) อย่างเหมาะสม บทความนี้กล่าวถึงกลยุทธ์การประยุกต์ใช้เทคโนโลยี EMC ในการออกแบบ PCB สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เป็นหลัก

ภาพรวมและปัญหา EMC

EMC หมายถึงความสามารถประเภทหนึ่งที่อุปกรณ์หรือระบบสามารถทำงานได้ตามปกติโดยไม่ถูกรบกวนจากสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า และไม่ก่อให้เกิดสัญญาณรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าต่อส่วนใดส่วนหนึ่งในสภาพแวดล้อมของวงจร

เมื่อออกแบบแผงวงจรพิมพ์ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ปัญหาการรบกวนของสัญญาณมักเกิดขึ้นพร้อมกับความหลากหลายของแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน ดังนั้น ในระหว่างการส่งสัญญาณ เทคโนโลยี EMC ที่มีฟังก์ชันการแยก การกรอง การป้องกันสัญญาณรบกวน และการต่อลงดิน จะช่วยยกระดับคุณภาพการออกแบบ PCB โดยรวม

ในกระบวนการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี EMC เพื่อเพิ่มประสิทธิผลโดยรวมของการใช้งาน จำเป็นต้องทำการทดสอบคุณภาพของอุปกรณ์ประกอบ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในกระบวนการสร้างระบบ EMC จะต้องทำการทดสอบอุปกรณ์ประกอบที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยี EMC ในด้านความสามารถในการทนแรงดันไฟฟ้าและความจุผ่านวิธีการทดลอง ในขณะเดียวกัน ในกระบวนการตรวจสอบเชิงทดลอง ควรให้ความสำคัญกับความครบถ้วนของปัญหาที่เด่นชัดและการจัดการที่เหมาะสมในกระบวนการใช้งานอุปกรณ์ประกอบ

ในการออกแบบ PCB ปัญหา EMC หลักได้แก่ การรบกวนแบบการนำ การรบกวนแบบครอสทอล์ก และการรบกวนแบบการแผ่รังสี

• การรบกวนการนำสัญญาณ

การรบกวนแบบการนำส่งมีผลกระทบต่อวงจรอื่น ๆ ผ่านการแยกสัญญาณของสายลีดและการแยกอิมพีแดนซ์โหมดร่วม ตัวอย่างเช่น สัญญาณรบกวนจะเข้าสู่ระบบผ่านวงจรจ่ายไฟ ซึ่งวงจรสนับสนุนต่าง ๆ จะได้รับผลกระทบจากสัญญาณรบกวนดังกล่าว

รูปที่ 1 แสดงการแยกสัญญาณรบกวนผ่านอิมพีแดนซ์โหมดร่วม วงจรที่ 1 และวงจรที่ 2 ต่างได้รับแรงดันไฟเลี้ยงและลูปกราวด์ผ่านสายเส้นเดียวกัน หากแรงดันของวงจรใดวงจรหนึ่งต้องการการปรับปรุงอย่างกะทันหัน แรงดันของอีกวงจรจะลดลงเนื่องจากการใช้แหล่งจ่ายไฟร่วมกันและอิมพีแดนซ์ระหว่างลูปทั้งสอง

• การรบกวนแบบครอสทอล์ก

สัญญาณรบกวนครอสทอล์กหมายถึงการรบกวนจากสายสัญญาณหนึ่งไปยังสายสัญญาณที่อยู่ติดกัน ซึ่งมักเกิดขึ้นบนวงจรและตัวนำที่อยู่ข้างเคียง และมีลักษณะเป็นค่าคาปาซิแตนซ์ร่วมและอิมพีแดนซ์ร่วมระหว่างวงจรกับตัวนำ ตัวอย่างเช่น เส้นสตริปลายน์บนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่มีสัญญาณระดับต่ำ และเมื่อสายที่ขนานกันมีความยาวมากกว่า 10 ซม. การครอสทอล์กจะเกิดขึ้น เนื่องจากครอสทอล์กสามารถถูกกระตุ้นได้โดยสนามไฟฟ้าผ่านค่าคาปาซิแตนซ์ร่วม และโดยสนามแม่เหล็กผ่านอิมพีแดนซ์ร่วม ปัญหาสำคัญอันดับแรกคือการระบุว่าการคัปปลิงแบบใดมีบทบาทหลัก คือการคัปปลิงของสนามไฟฟ้า (ค่าคาปาซิแตนซ์ร่วม) หรือการคัปปลิงของสนามแม่เหล็ก (อิมพีแดนซ์ร่วม) ผลคูณของอิมพีแดนซ์ของแหล่งจ่ายและอิมพีแดนซ์ของตัวรับสามารถถือเป็นค่ามาตรฐานอ้างอิงได้ ซึ่งขึ้นอยู่กับโครงสร้างระหว่างวงจรและความถี่

• การรบกวนจากรังสี

การรบกวนจากการแผ่รังสีหมายถึงการรบกวนที่เกิดจากการแผ่รังสีซึ่งปล่อยออกมาจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอิสระ การรบกวนจากการแผ่รังสีใน PCB หมายถึงการรบกวนจากการแผ่รังสีแบบโหมดร่วม (common mode) ระหว่างสายเคเบิลกับลายวงจรภายใน เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าส่องกระทบสายส่ง จะเกิดปัญหาการคัปปลิงจากสนามไฟฟ้าไปยังสาย โดยมีแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าขนาดเล็กแบบกระจาย ซึ่งจำแนกได้เป็น CM (โหมดร่วม, common mode) และ DM (โหมดดิฟเฟอเรนเชียล, differential mode) กระแส CM หมายถึงกระแสที่ไหลในตัวนำสองเส้นซึ่งมีแอมพลิจูดเกือบเท่ากันและมีเฟสเท่ากัน ในขณะที่กระแส DM หมายถึงกระแสที่ไหลในตัวนำสองเส้นซึ่งมีแอมพลิจูดเท่ากันแต่มีเฟสตรงข้ามกัน

กลยุทธ์การประยุกต์ใช้ EMC ในการออกแบบ PCB ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

• การป้องกัน ESD (Electro-static discharge)

เมื่อออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ การคายประจุไฟฟ้าสถิต (ESD) มีผลกระทบต่อเสถียรภาพของกระแสที่ไหลอยู่ ทั้งในลักษณะการนำตรงหรือการคัปปลิงแบบอุปนัย ซึ่งทำให้จำเป็นต้องมีการป้องกัน ESD เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ นักออกแบบ PCB ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต้องมั่นใจว่าเทคโนโลยี EMC ถูกบูรณาการอยู่ในกระบวนการออกแบบ PCB ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ กล่าวคือ ในกระบวนการพัฒนาผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ใหม่ ควรกำหนดตำแหน่งรูทะลุชุบโลหะ (plated-through holes) บน PCB และในกระบวนการออกแบบรูทะลุชุบโลหะ วงจรด้านนอกบนเปลือกโลหะควรเชื่อมต่อกับวงจรด้านใน และต้องติดตั้งสกรูยึดที่จุดเชื่อมต่อนั้น เป้าหมายสูงสุดคือการสร้างสภาพแวดล้อมศักย์ไฟฟ้าเท่ากันที่ดีระหว่างด้านในและด้านนอก เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิด ESD เด่นชัดซึ่งจะนำไปสู่ความล้มเหลวของวงจร ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บางประเภทให้ความสำคัญกับการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี EMC และควรจัดให้มีรูทะลุชุบโลหะ 6 รู เพื่อให้มั่นใจถึงการเชื่อมต่อที่ดีระหว่างวงจรภายในกับโครง LCD ทำให้การออกแบบ PCB โดยรวมได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ประเภทนี้ยังจัดวางอุปกรณ์ป้องกัน ESD ไว้ที่ตำแหน่งอินพุตและเอาต์พุตสัญญาณ และติดตั้งวงแหวนป้องกันไฟฟ้าสถิตเข้าไปด้วย เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิด ESD เด่นชัดที่อาจลดทอนเสถียรภาพของการทำงานของวงจร

• การกำหนดค่าคาปาซิเตอร์สำหรับการแยกสัญญาณ

ในกระบวนการออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ระบบจ่ายพลังงานมีบทบาทสำคัญต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณ ดังนั้นจึงต้องให้ความสำคัญกับการประยุกต์ใช้ทฤษฎี EMC ในกระบวนการกำหนดค่าตัวเก็บประจุแบบดีคัปปลิง สามารถจำลองการทำงานของวงจรได้ ซึ่งระหว่างนั้นสามารถทำความเข้าใจปรากฏการณ์สัญญาณรบกวนได้ ทำให้สามารถควบคุมปัญหาสัญญาณรบกวนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะเดียวกัน ในกระบวนการกำหนดค่าตัวเก็บประจุแบบดีคัปปลิง ช่างเทคนิคจำเป็นต้องตรวจสอบขั้วอินพุตของตัวเก็บประจุกรองไฟอย่างเคร่งครัด ซึ่งควรรักษาให้อยู่ในช่วง 10 ถึง 100F เพื่อให้เป็นไปตามเงื่อนไขของเทคโนโลยี EMC นอกจากนี้ ความถี่ของระบบควรถูกควบคุมให้น้อยกว่า 15MHz เพื่อเพิ่มระดับการประยุกต์ใช้งานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และการกำหนดค่าตัวเก็บประจุแบบดีคัปปลิงควรจัดวางไว้ที่ตำแหน่งของชิปแบบบูรณาการ

• การออกแบบทางความร้อน

การออกแบบทางความร้อนเป็นหนึ่งในองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดที่มีผลต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ภายใต้อิทธิพลของการแผ่รังสีความร้อนและการระบายอากาศ ระยะห่างระหว่างชิ้นส่วนกับแหล่งกำเนิดความร้อนจะต้องถูกควบคุมให้อยู่ในช่วงมาตรฐาน และระดับความร้อนของชิ้นส่วนจะต้องได้รับการตรวจสอบเป็นระยะ ๆ ในระหว่างกระบวนการประกอบชิ้นส่วน เช่น ตัวเก็บประจุ นอกจากนี้ เมื่อประกอบชิ้นส่วนที่มีกำลังไฟสูง ต้องมั่นใจว่าชิ้นส่วนเหล่านั้นถูกติดตั้งไว้ด้านบนของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เพื่อให้สามารถออกแบบการจัดการความร้อนได้ดีที่สุด และช่วยยกระดับคุณภาพการออกแบบ PCB โดยรวม

• การออกแบบความยาวและความกว้างของเส้น

ในกระบวนการออกแบบ EMC ของแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ความกว้างและความยาวของลายวงจรมีความสัมพันธ์โดยตรงกับประสิทธิภาพการส่งสัญญาณ นักออกแบบ PCB ควรให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับผลของความหน่วงในการส่งสัญญาณ ซึ่งเป็นพื้นฐานในการบรรลุการออกแบบวงจรที่ดีที่สุด ผลของความเหนี่ยวนำของลายวงจรพิมพ์ทำให้เกิดสัญญาณรบกวน และความยาวของลายวงจรพิมพ์ก็แปรผันตามระดับของสัญญาณรบกวน ดังนั้นลายวงจรพิมพ์จึงควรถูกควบคุมให้สั้นและกว้างเพื่อให้สอดคล้องกับความต้องการด้านการพัฒนาของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รุ่นใหม่ ตัวอย่างเช่น ในกระบวนการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บางประเภท ได้มีการพิจารณาออกแบบความยาวและความกว้างของลายวงจรอย่างรอบคอบ โดยจัดให้ขา XIN หมายเลข 9 ของ EM78860 อยู่ในตำแหน่งของออสซิลเลเตอร์ และทำให้ลายวงจรบริเวณ DL16521 มีความสั้น ซึ่งทั้งหมดนี้ช่วยยกระดับภาพรวมของการออกแบบ EMC ดังนั้น การเน้นย้ำถึงความเป็นวิทยาศาสตร์และความมีเหตุผลของความยาวและความกว้างของลายวงจรจึงเป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง เพื่อให้สามารถตอบสนองความต้องการด้านการพัฒนาของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รุ่นใหม่ได้อย่างเต็มที่

จากการพัฒนาที่รวดเร็วของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ การออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ได้รับความสนใจมากขึ้นในด้านประสิทธิภาพสูงและความเสถียรของแผงวงจร ซึ่งนำไปสู่การให้ความสำคัญกับบทบาทของเทคโนโลยี EMC ปัญหาสำคัญที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยี EMC ควรได้รับการจัดการจากมุมมองของการออกแบบความยาวและความกว้างของลายวงจร การกำหนดค่าตัวเก็บประจุแบบดีคัปปลิง และ ESD เพื่อให้ได้ผลลัพธ์การออกแบบที่ดีที่สุด ซึ่งจะช่วยผลักดันการพัฒนาอย่างมีนัยสำคัญของการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์:
•บทนำที่ครอบคลุมที่สุดเกี่ยวกับเครื่องมืออัตโนมัติด้าน EMI และ EMC
•อิทธิพลของการจัดวางแผงวงจรพิมพ์ (PCB Layout) ต่อสมรรถนะ EMC ของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์
•การออกแบบ EMC ของแผงวงจรพิมพ์ให้ประสบความสำเร็จตั้งแต่ครั้งแรก
•กฎการออกแบบการแบ่งส่วน PCB เพื่อปรับปรุง EMC
•การอภิปรายเกี่ยวกับเพาเวอร์และกราวด์ในความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
•บริการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) แบบครบทุกฟังก์ชันจาก PCBCart - ตัวเลือกเสริมเพิ่มมูลค่าหลากหลาย
•บริการประกอบแผงวงจรพิมพ์ขั้นสูงจาก PCBCart - เริ่มต้นเพียง 1 ชิ้น