EMC ซึ่งย่อมาจาก Electro-Magnetic Compatibility หมายถึงสภาวะการอยู่ร่วมกันที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สามารถทำงานตามหน้าที่ของตนเองได้ภายในสภาพแวดล้อมแม่เหล็กไฟฟ้าเดียวกัน กล่าวอย่างง่าย ๆ EMC ทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สามารถทำงานได้อย่างอิสระและเป็นปกติ โดยไม่รบกวนซึ่งกันและกัน กล่าวคือ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เหล่านั้นสามารถทำงานเข้ากันได้ภายในระบบทั้งหมด เนื่องจาก EMC บรรลุได้ด้วยการควบคุม EMI (Electro-Magnetic Interference) จึงมีการพัฒนาร่วมกับชุดของการศึกษาเกี่ยวกับ EMI เช่น บทนำเกี่ยวกับ EMI การวิจัย EMI วิธีการป้องกัน EMI และการจัดการ EMI
หลักการพื้นฐานของ EMC
เพื่อให้ลดการรบกวนระหว่างสัญญาณดิจิทัลและสัญญาณแอนะล็อก คุณจำเป็นต้องรู้หลักการพื้นฐานสองข้อของ EMC ก่อน
หลักการที่ 1: ควรลดพื้นที่ลูปของวงจรให้เหลือน้อยที่สุด.
หลักการที่ 2: สามารถใช้ระนาบอ้างอิงได้เพียงหนึ่งระนาบเท่านั้นในระบบ.
เมื่อหลักการที่ 1 ไม่ได้รับการปฏิบัติตามและสัญญาณต้องผ่านพื้นที่ลูปขนาดใหญ่ จะเกิดเสาอากาศลูปขนาดใหญ่ขึ้น อย่างไรก็ตาม เมื่อหลักการที่ 2 ไม่ได้รับการปฏิบัติตามและมีระนาบอ้างอิงสองระนาบอยู่ จะเกิดเสาอากาศไดโพลขึ้น ซึ่งผลลัพธ์ทั้งสองอย่างไม่ใช่สิ่งที่คาดหวัง
กฎการแบ่งพาร์ทิชัน PCB แบบผสมสัญญาณและการประยุกต์ใช้งาน
มีคำแนะนำว่าควรแยกกราวด์ดิจิทัลและกราวด์แอนะล็อกออกจากกันบนบอร์ดมิกซ์สัญญาณแผ่นเดียวกันเพื่อให้เกิดการแยกตัวระหว่างกัน แม้ว่าวิธีนี้จะสามารถทำได้ แต่จะเกิดปัญหาแฝงจำนวนมาก ซึ่งจะเด่นชัดเป็นพิเศษในระบบขนาดใหญ่ ปัญหาสำคัญอยู่ที่ไม่สามารถวางลายวงจรให้พาดผ่านรอยแยกระหว่างกราวด์ดิจิทัลและกราวด์แอนะล็อกได้ หากมีการวางลายวงจรพาดผ่านรอยแยกดังกล่าว การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและการครอสทอล์กของสัญญาณจะเพิ่มสูงขึ้นอย่างมากปัญหาที่พบได้บ่อยในการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)เกิด EMI เนื่องจากสายสัญญาณตัดผ่านกราวด์หรือเพาเวอร์ที่ถูกแยกส่วน
รูปที่ 1 ด้านล่างแสดงสถานการณ์ที่ได้อธิบายไว้ข้างต้น
จากวิธีการแยกแบบนี้ สายสัญญาณจำเป็นต้องพาดผ่านรอยแยกระหว่างกราวด์ดิจิทัลและกราวด์แอนะล็อก แล้วเส้นทางกลับของวงจรสัญญาณจะมีลักษณะอย่างไร? สมมติว่ากราวด์ที่ถูกแยกทั้งสองถูกเชื่อมต่อเข้าด้วยกันที่จุดเดียว และภายใต้สถานการณ์นี้ วงจรกราวด์จะก่อให้เกิดลูปขนาดใหญ่ หลังจากนั้นวงจรความถี่สูงการไหลผ่านลูปขนาดใหญ่จะทำให้เกิดลูปขนาดใหญ่ที่มีค่าความจุกราวด์สูงและการแผ่รังสีที่เกิดขึ้น หากวงจรแอนะล็อกระดับต่ำไหลผ่านลูปขนาดใหญ่ ก็จะถูกรบกวนได้ง่ายโดยสัญญาณภายนอก สถานการณ์ที่เลวร้ายที่สุดจะเกิดขึ้นเมื่อกราวด์แยกถูกเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ ซึ่งจะทำให้เกิดลูปวงจรที่มีขนาดใหญ่มาก นอกจากนี้ เสาอากาศไดโพลจะถูกสร้างขึ้นเมื่อกราวด์แอนะล็อกและกราวด์ดิจิทัลถูกเชื่อมต่อเข้าด้วยกันผ่านสายลีดที่ยาว ดังนั้น วิศวกรจึงควรรู้เส้นทางและวิธีการของวงจรส่งกลับในสัญญาณผสมการเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบ PCBอย่างไรก็ตาม วิศวกรจำนวนมากมองเฉพาะเส้นทางการไหลของสัญญาณโดยไม่คำนึงถึงเส้นทางเฉพาะของวงจร หากจำเป็นต้องแบ่งระนาบกราวด์ออกเป็นส่วน ๆ และต้องจัดวางลายวงจรให้พาดผ่านบริเวณที่แบ่งนั้น อาจทำการเชื่อมต่อแบบจุดเดียวระหว่างกราวด์ที่ถูกแบ่งทั้งสองส่วนก่อน โดยสร้างเป็นสะพานเชื่อม เพื่อให้มีเส้นทางกระแสตรงย้อนกลับอยู่ใต้แต่ละเส้นสัญญาณ พร้อมทั้งทำให้เกิดพื้นที่ลูปขนาดเล็ก ดังที่แสดงในรูปที่ 2
การใช้ตัวแยกสัญญาณแบบออปติคัลหรือหม้อแปลงยังสามารถทำให้สัญญาณส่งผ่านข้ามช่องแยกได้ เมื่อกล่าวถึงอุปกรณ์แยกสัญญาณแบบออปติคัล จะเป็นสัญญาณแสงที่ส่งผ่านข้ามช่องแยก ส่วนเมื่อกล่าวถึงหม้อแปลง จะเป็นสนามแม่เหล็กที่ส่งผ่านข้ามช่องแยก วิธีการที่ใช้ได้อีกวิธีหนึ่งคือการใช้สัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียล สัญญาณจะไหลเข้าสู่สายหนึ่งและไหลกลับจากสายสัญญาณอีกเส้นหนึ่ง ภายใต้เงื่อนไขนี้ ไม่จำเป็นต้องใช้กราวด์เป็นเส้นทางกลับของสัญญาณ
การแบ่งพาร์ทิชันแบบแยกสามารถนำไปใช้ได้ในสามกรณีต่อไปนี้:
สถานการณ์ที่ 1: อุปกรณ์ทางการแพทย์บางชนิดต้องการกระแสรั่วไหลต่ำระหว่างวงจรที่เชื่อมต่อกับผู้ป่วยและระบบ.
สถานการณ์ที่ 2: อินพุตจากอุปกรณ์ควบคุมกระบวนการอุตสาหกรรมบางชนิดอาจเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ไฟฟ้าเชิงกลที่มีสัญญาณรบกวนและกำลังไฟสูง.
สถานการณ์ที่ 3:เลย์เอาต์ PCBประสบกับข้อจำกัดบางประการ.
โดยทั่วไปแล้ว แหล่งจ่ายไฟดิจิทัลและแอนะล็อกแบบแยกอิสระมักมีให้ใช้งานบนแผงวงจรผสมสัญญาณ (mixed-signal PCB) และสามารถพึ่งพาและควรพึ่งพาระนาบจ่ายไฟที่แยกออกจากกันได้ อย่างไรก็ตาม เส้นสัญญาณที่อยู่ใกล้กับระนาบจ่ายไฟจะไม่สามารถวิ่งข้ามรอยแยกระหว่างแหล่งจ่ายไฟได้ และเส้นสัญญาณทั้งหมดที่ต้องวิ่งข้ามรอยแยกนี้จำเป็นต้องอยู่ใกล้กับระนาบตัวนำที่มีพื้นที่กว้าง ในบางกรณี ปัญหาการแยกระนาบจ่ายไฟสามารถหลีกเลี่ยงได้โดยการออกแบบแหล่งจ่ายไฟแอนะล็อกให้เป็นลายทองแดงเชื่อมต่อบน PCB แทนที่จะใช้เป็นระนาบเดียว
วิธีการจัดวางระนาบกราวด์และการประยุกต์ใช้ในแผงวงจรพิมพ์แบบสัญญาณผสม
ในการอภิปรายเกี่ยวกับสัญญาณรบกวนที่สัญญาณดิจิทัลทิ้งไว้บนสัญญาณแอนะล็อก จำเป็นต้องทำความเข้าใจก่อนถึงคุณลักษณะของกระแสความถี่สูง กระแสความถี่สูงจะขึ้นอยู่กับเส้นทางที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำสุด (ค่าความเหนี่ยวนำต่ำสุด) เสมอ และจะไหลอยู่ใต้สัญญาณโดยตรง ดังนั้น เส้นทางกระแสย้อนกลับจึงจะไหลผ่านระนาบวงจรรอบข้างไม่ว่าระนาบนั้นจะเป็นระนาบจ่ายไฟหรือระนาบกราวด์ก็ตาม ในการใช้งานจริง มักใช้ระนาบกราวด์ร่วมกับแผงวงจรที่ถูกแบ่งออกเป็นส่วนแอนะล็อกและส่วนดิจิทัล สัญญาณแอนะล็อกจะถูกวางอยู่ในส่วนแอนะล็อกของทุกระนาบ ในขณะที่สัญญาณดิจิทัลจะอยู่ในพื้นที่วงจรดิจิทัล ในสถานการณ์นี้ กระแสย้อนกลับของสัญญาณดิจิทัลจะไม่ไหลเข้าสู่กราวด์ของสัญญาณแอนะล็อก ตราบใดที่มีการวางเลย์เอาต์สัญญาณดิจิทัลเหนือส่วนแอนะล็อก หรือมีการวางเลย์เอาต์สัญญาณแอนะล็อกเหนือส่วนดิจิทัลบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) สัญญาณรบกวนที่เกิดจากสัญญาณดิจิทัลต่อสัญญาณแอนะล็อกก็จะถูกสร้างขึ้น
การเกิดปัญหาดังกล่าวไม่ได้มีสาเหตุมาจากการไม่มีการแยกกราวด์ แต่เกิดจากการจัดวางสัญญาณดิจิทัลที่ไม่เหมาะสม เมื่อกล่าวถึงการออกแบบ PCB การใช้ระนาบกราวด์ การแบ่งส่วนระหว่างวงจรดิจิทัลและวงจรแอนะล็อก และการจัดวางสัญญาณอย่างเหมาะสม มักช่วยแก้ปัญหาที่ยุ่งยากเกี่ยวกับการจัดวางและการแบ่งส่วนได้ นอกจากนี้ ยังสามารถหลีกเลี่ยงปัญหาที่อาจเกิดขึ้นจากการแยกกราวด์ได้อีกด้วย ดังนั้น การจัดวางและการแบ่งส่วนของอุปกรณ์จึงกลายเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดคุณภาพของการออกแบบ PCB หากการจัดวางและการแบ่งส่วนเหมาะสมเพียงพอ กระแสในกราวด์ดิจิทัลจะถูกจำกัดให้อยู่ในส่วนดิจิทัลบนแผงวงจร โดยสัญญาณแอนะล็อกจะไม่ถูกรบกวน การจัดวางในลักษณะดังกล่าวจำเป็นต้องได้รับการตรวจสอบและเช็กอย่างรอบคอบเพื่อให้มั่นใจว่ามีกฎการจัดวางที่ปฏิบัติตามอย่างครบถ้วน มิฉะนั้น แม้แต่การจัดวางเส้นสัญญาณที่ไม่เหมาะสมเพียงเส้นเดียวก็อาจทำให้แผงวงจรทั้งแผ่นล้มเหลวได้
เมื่อขาอนาล็อกกราวด์และดิจิทัลกราวด์ของตัวแปลง A/D ถูกต่อเข้าด้วยกัน ผู้ผลิตตัวแปลง A/D ส่วนใหญ่จะแนะนำให้ต่อขา AGND และ DGND เข้ากับกราวด์เดียวกันด้วยอิมพีแดนซ์ต่ำผ่านลายวงจรที่สั้นที่สุด เนื่องจากขาเหล่านี้มักจะไม่ได้เชื่อมต่อกันภายในไอซีตัวแปลง A/D และอิมพีแดนซ์ภายนอกใด ๆ ที่ต่อกับ DGND จะทำให้สัญญาณรบกวนดิจิทัลถูกรวมเข้ากับวงจรอนาล็อกภายในไอซีผ่านคาปาซิแตนซ์ปรสิต ดังนั้น ขา AGND และ DGND ของตัวแปลง A/D จึงควรถูกต่อเข้ากับกราวด์อนาล็อก อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้จะทำให้เกิดประเด็นตามมาว่า ควรต่อกราวด์อนาล็อกหรือกราวด์ดิจิทัลเข้ากับขากราวด์ของตัวเก็บประจุสำหรับการดีคัปปลิงของสัญญาณดิจิทัล
เมื่อพูดถึงระบบที่ใช้ตัวแปลง A/D เพียงตัวเดียว ปัญหาที่กล่าวถึงข้างต้นสามารถแก้ไขได้อย่างง่ายดาย เมื่อมีการแยกกราวด์ ส่วนกราวด์อนาล็อกและส่วนกราวด์ดิจิทัลจะถูกเชื่อมต่อเข้าด้วยกันใต้ตัวแปลง A/D เมื่อใช้วิธีนี้ สะพานเชื่อมระหว่างกราวด์ทั้งสองควรกว้างเท่ากับตัว IC และไม่ควรมีสายสัญญาณใด ๆ พาดผ่านรอยแยก
เมื่อพูดถึงระบบที่มีตัวแปลง A/D จำนวนไม่มาก เช่น 10 ตัว เราควรต่อวงจรอย่างไร? หากเราใช้วิธีการเดียวกับที่กล่าวไว้ข้างต้น คือการต่อกราวด์อนาล็อกและกราวด์ดิจิทัลเข้าด้วยกันใต้ตัวแปลง A/D จะทำให้เกิดจุดเชื่อมต่อหลายจุด ส่งผลให้การแยกกราวด์อนาล็อกและกราวด์ดิจิทัลหมดความหมาย หากไม่ต่อแบบนี้ก็จะไม่เป็นไปตามข้อกำหนดของผู้ผลิต วิธีที่เหมาะสมที่สุดคือการใช้กราวด์รวมเดียวกันที่แบ่งออกเป็นส่วนอนาล็อกและส่วนดิจิทัล การจัดวางลักษณะนี้ไม่เพียงแต่เป็นไปตามข้อกำหนดเรื่องกราวด์อนาล็อกและกราวด์ดิจิทัลจากผู้ผลิต IC ที่ต้องการอิมพีแดนซ์ต่ำระหว่างกัน แต่ยังหลีกเลี่ยงปัญหา EMC เช่น เสาอากาศลูปหรือเสาอากาศไดโพลอีกด้วย
หากวิศวกรยังมีข้อสงสัยเกี่ยวกับการใช้กราวด์แบบรวมเดียวกันในการออกแบบ PCB สามารถทำเลย์เอาต์โดยใช้วิธีแบ่งระนาบกราวด์ได้ ในระหว่างกระบวนการออกแบบ ควรทำให้บอร์ดสามารถต่อจัมเปอร์ที่มีความยาวน้อยกว่า 0.5 นิ้ว หรือใช้ตัวต้านทาน 0 โอห์มเพื่อเชื่อมต่อกราวด์ที่ถูกแบ่งออกจากกัน ต้องให้ความสำคัญอย่างมากกับการแบ่งส่วนและการจัดวางเลย์เอาต์เพื่อให้มั่นใจว่าไม่มีเส้นสัญญาณดิจิทัลวางทับอยู่เหนือส่วนอนาล็อก และในทางกลับกัน นอกจากนี้ เส้นสัญญาณใด ๆ ต้องไม่วิ่งข้ามบริเวณกราวด์ที่ถูกแบ่ง หรือบริเวณที่แยกแหล่งจ่ายไฟออกจากกัน
เพื่อทดสอบฟังก์ชันการทำงานของ PCB และคุณสมบัติ EMC ควรเชื่อมต่อกราวด์ทั้งสองเข้าด้วยกันผ่านตัวต้านทาน 0 โอห์มหรือจัมเปอร์ แล้วทดสอบฟังก์ชันของบอร์ดและ EMC อีกครั้ง การเปรียบเทียบผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าในทุกกรณี การใช้กราวด์แบบรวมเดียวกันให้ผลดีกว่าการใช้กราวด์แบบแบ่งแยก ทั้งในด้านฟังก์ชันการทำงานและ EMC
การออกแบบ PCB แบบผสมสัญญาณเป็นกระบวนการที่ซับซ้อน แผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ควรถูกแบ่งออกเป็นส่วนอนาล็อกและส่วนดิจิทัลที่เป็นอิสระต่อกัน และตัวแปลง A/D ควรถูกวางไว้คร่อมระหว่างสองส่วนนี้ เพื่อแยกแหล่งจ่ายไฟอนาล็อกและดิจิทัล ไม่ควรให้มีการข้ามระหว่างระนาบจ่ายไฟที่ถูกแยกฉนวนออกจากกัน และเส้นสัญญาณที่จำเป็นต้องข้ามควรถูกจัดวางไว้ที่ชั้นวงจรที่อยู่ติดกับพื้นที่ขนาดใหญ่ ควรวิเคราะห์ว่าเส้นทางกระแสย้อนกลับไหลอยู่ที่ใดและไหลอย่างไร เพื่อให้สามารถจัดวางอุปกรณ์ได้อย่างเหมาะสมและปฏิบัติตามกฎการวางลายวงจรที่ถูกต้องได้ ในทุกชั้นของแผ่นวงจร สัญญาณดิจิทัลสามารถวางลายได้เฉพาะในส่วนดิจิทัล ในขณะที่สัญญาณอนาล็อกสามารถวางลายได้เฉพาะในส่วนอนาล็อกเท่านั้น
วิธีการจัดวางระนาบกราวด์และการประยุกต์ใช้ในแผงวงจรพิมพ์แบบสัญญาณผสม
หากคุณเคยออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เสร็จแล้วและต้องการให้ใครสักคนช่วยทำให้กลายเป็นแผงวงจรจริง โปรดอย่าลังเลที่จะติดต่อเราเพื่อขอรับทางออกเรามีประสบการณ์ยาวนานกว่าสองทศวรรษในการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) แบบสั่งทำพิเศษ เรามีทุกอย่างที่จำเป็นในการผลิต PCB ของคุณให้ครบทุกฟังก์ชันที่คุณต้องการได้อย่างรวดเร็วและคุ้มค่า
ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ทำให้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สามารถอยู่ร่วมกันและทำงานประสานกันได้โดยไม่รบกวนกันและกัน ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในการออกแบบ PCB แบบสัญญาณผสม ด้วยการประยุกต์ใช้วิธีการต่าง ๆ เช่น การลดขนาดพื้นที่ของลูปวงจรและการใช้ระนาบอ้างอิงเดียว วิศวกรสามารถลดผลกระทบทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่พึงประสงค์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ การแบ่งส่วนของวงจรแอนะล็อกและดิจิทัลอย่างเหมาะสม และการออกแบบระนาบกราวด์ที่มีประสิทธิผล ช่วยแยกการครอสทอล์กและสัญญาณรบกวน เพิ่มความสมบูรณ์ของสัญญาณและประสิทธิภาพของระบบ
หากคุณมีการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่เสร็จสมบูรณ์แล้วและต้องการความช่วยเหลือจากผู้เชี่ยวชาญเพื่อนำมันไปสู่การผลิต PCBCart พร้อมให้บริการคุณ ด้วยประสบการณ์กว่าสองทศวรรษในการผลิตแผงวงจรพิมพ์แบบสั่งทำ เรามีทักษะและความเชี่ยวชาญในการผลิต PCB ของคุณได้อย่างรวดเร็วและคุ้มค่า เราให้ความสำคัญกับคุณภาพและความแม่นยำเพื่อให้มั่นใจว่าแผงวงจรของคุณจะตอบโจทย์ความต้องการด้านการทำงานทั้งหมด พร้อมมอบประสิทธิภาพที่เสถียร ติดต่อ PCBCart วันนี้เพื่อสัมผัสประสบการณ์การเปลี่ยนผ่านจากขั้นตอนการออกแบบสู่การผลิตอย่างราบรื่น
ขอใบเสนอราคารวดเร็วและฟรีสำหรับการออกแบบและจัดวางแผงวงจร PCB จาก PCBCart
แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•บทนำที่ครอบคลุมที่สุดเกี่ยวกับเครื่องมืออัตโนมัติด้าน EMI และ EMC
•การรับประกันความสำเร็จตั้งแต่ครั้งแรกในการออกแบบ EMC ของแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
•อิทธิพลของการจัดวางแผงวงจรพิมพ์ (PCB Layout) ต่อสมรรถนะ EMC ของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์
•ปัญหาการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี EMC ในการออกแบบ PCB ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และกลยุทธ์
