Hochgeschwindigkeits-PCB-Routing-Techniken zur Reduzierung des Einflusses von EMI

Die neuen Generationen elektronischer Technologien führen zu immer höheren Kantengeschwindigkeiten von Bauteilen. Die Verbesserung der Arbeitsgeschwindigkeit von Schaltungen verursacht immer höhere Anforderungen an das PCB-Design. Die Qualität des PCB-Designs bestimmt sogar die Arbeitsleistung der Komponenten und der gesamten Schaltung. Insbesondere unter Berücksichtigung der Kosten, der PCB-Fläche und der Funktionalität umfassender Schaltungen werden die Quellen der EMI-Erzeugung (elektromagnetische Schnittstelle) mit komplizierten Mechanismen immer breiter.

EMI-Mechanismus und Lösungen

Die Hauptelemente der EMI umfassen die elektromagnetische Störquelle, den Übertragungsweg und das gestörte Objekt. Bei spezifizierten Elementen, die zum Aufkommen von EMI führen, ist es notwendig, Elemente zu bestimmen, die einfach zu lösen sind, und solche, die im Prozess des PCB-Designs nur teilweise gelöst werden können, damit sie im Prozess des Layouts und des Routings berücksichtigt werden können und Erdung.

• Layout

Hinsichtlich des PCB-Layouts sollten Bereiche nach unterschiedlichen Funktionalitäten aufgeteilt werden. Unterschiedliche Funktionalitäten sind auf unterschiedliche Bereiche verteilt, wobei sensiblen Einheiten in Funktionsbereichen besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden muss.

Generell sind beim PCB-Layout folgende Grundsätze zu beachten:

a. In Hochgeschwindigkeitsschaltungen müssen Parameter der Stiftverteilung von Komponenten berücksichtigt werden, und die verteilte Kapazität von Komponentenstiften ist ziemlich wesentlich, insbesondere für Hochgeschwindigkeitstaktsignale. In der Zwischenzeit muss die verteilte Induktivität berücksichtigt werden, da sie möglicherweise zu einer Oszillation von Signalen führt, was zu einem Ausfall der Schaltungsfunktion führt. Daher muss im Prozess des Layouts die Verteilung mit hoher Dichte angeordnet werden, wobei die Leitungslänge für zukünftiges Routing verringert und der Einfluss von EMI verringert werden muss.

b. Bleiben sowohl analoge Komponenten als auch elektronische Komponenten in einer Schaltung, müssen sie im Layoutprozess unabhängig voneinander verteilt werden. Da Signale digitaler Komponenten komplizierte Zusammensetzungen mit mehreren Oberwellen aufweisen, wird ein großer Einfluss auf analoge Signale erzeugt. Daher müssen sie mit großer Sorgfalt betrachtet werden.

c. Takteinheiten sind in Hochgeschwindigkeitsschaltungen unerlässlich. Der Arbeitsmechanismus der Uhreinheit entspricht tatsächlich einer Rauschquelle, was bedeutet, dass diese Einheit oszilliert, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind. Als wichtige Quelle von Leitungsstörungen und Strahlungsstörungen darf die Takteinheit nicht am Rand der Leiterplatte platziert werden. Andernfalls würde EMI so ernst werden. Es ist notwendig, Takteinheiten in der Mitte der Leiterplatte zu platzieren, wodurch EMI in Schaltkreisen stark reduziert werden kann.

• Routing

Beim PCB-Routing kann die Masseebene unter den Bedingungen niedriger Kosten so weit wie möglich vergrößert werden, um den Einfluss von EMI zu verringern. Wenn jedoch die Kosten streng kontrolliert werden sollen, muss die Anzahl der PCB-Lagen und die Stapelfolge sorgfältig berücksichtigt werden. Außerdem müssen Signaltypen berücksichtigt und das Routing unabhängig auf Highspeed-Signale und Lowspeed-Signale durchgeführt werden. Darüber hinaus müssen andere Elemente berücksichtigt werden, darunter die Rauschquelle und wie die Rauschunterdrückung verstärkt werden kann, Probleme bei der Impedanzanpassung (Hochgeschwindigkeitssignale ohne geeignete Anpassung führen definitiv zur Reflexion von Signalen und verringern die Zuverlässigkeit von Schaltkreisen) und die Netzliste .

a. Grundprinzipien des Routings

Zu den allgemeinen Prinzipien, die beim Routing befolgt werden, gehören:

1).Breakpoints sollten beim Routing vermieden werden, was bedeutet, dass rechte Winkel vermieden werden sollten, wie in Abbildung 1 unten gezeigt.

Da ein rechter Winkel möglicherweise zu einer Reflexion führt, sollte der Wendepunkt glatt gestaltet werden, um dieses Phänomen zu vermeiden. Gleichzeitig dürfen Schlüsselsignale nicht über geteilte Bereiche hinausgehen, oder EMI wird sofort verstärkt. Die häufigste Umgehung von Signalen besteht darin, Bereiche mit unterschiedlicher Leistung zu überqueren.

2).Im Prozess des Layouts müssen analoge Komponenten und digitale Komponenten voneinander getrennt werden, was bedeutet, dass Routings von ihnen getrennt werden sollten. Gleichzeitig sollte die Breite von Erdungsdrähten und Leistungsdrähten mit der allgemeinen Regel vergrößert werden, dass die Breite von Erdungsdrähten größer ist als die von Leistungsdrähten, die größer ist als die von Signaldrähten. Darüber hinaus sollten die 3-W-Prinzipien bei der Verlegung von Signalkabeln vollständig berücksichtigt werden, während bei Mehrschichtplatinen das 20-H-Prinzip auf internen Schichten berücksichtigt werden sollte. Durch die Durchführung der oben genannten Arbeiten können 70 % der EMI vermieden werden. Bei analog empfindlichen Leitungen können Maßnahmen wie Erdung getroffen werden.

3).Für das Routing von USB2.0- oder anderen Hochgeschwindigkeits-Differentialleitungen sollte ein Kopplungsrouting angewendet werden und die Integrität der Referenzoberfläche zwischen Differenzialpaaren sollte garantiert werden. Da es sich bei differentiellen Paaren im Allgemeinen um Hochgeschwindigkeitssignale handelt, sollte das Routing nicht am Rand der Leiterplatte angeordnet werden.

b. Schleifen

Schleifen lassen sich im PCB-Design nie vermeiden. Schleifen werden aus Signalen gebildet, die von außen nach innen fließen, und jede der Schleifen spielt eine Rolle als Antenne in der Funktionalität. Um EMI in PCB zu reduzieren, sollten sowohl die Anzahl der Schleifen als auch die Antennenkapazität der Schleifen verringert werden. Das bedeutet, dass die Flussrichtung jedes Signals beim PCB-Design beachtet werden sollte und die Schleifenfläche für Hochgeschwindigkeitssignale verringert werden muss.

In Schaltkreisen liegen die am häufigsten verwendeten Schleifen in Leistungsschleifen, die von Entkopplungskondensatoren umgeben sind, wie in Abbildung 2 gezeigt.

Wenn der Entkopplungskondensator wie im linken Diagramm in Abbildung 2 platziert wird, werden relativ große Stromschleifen mit offensichtlichem EMI-Phänomen erzeugt. Im Gegensatz dazu wird im rechten Diagramm von Abbildung 2, in dem der Entkopplungskondensator dicht neben dem Chip platziert ist, eine extrem kleine Entkopplungsschleife mit einer Hauptfunktionalität zur Reduzierung von EMI erzeugt. Die Prinzipien, die befolgt werden sollten, werden angezeigt, um Schleifen zu reduzieren:

1).Es ist nur ein Pfad zwischen zwei Punkten auf jeder Signalleitung gewährleistet.

2).Ground Plane sollte ohne Blockierung in Signalschleifen angewendet werden.

c. Erdungsdrähte der Leiterplatte

1).Unterschiede zwischen digitaler Masse, analoger Masse und Systemschirmmasse im System der PCB-Erdung sollten geklärt werden. Magnetperlen und Kondensator werden auf separate digitale Masse und analoge Masse aufgebracht und digitale Masse und Feldmasse sollten direkt verbunden werden.
2).Wenn zulässig, sollten Erdungsdrähte in der Leiterplatte erweitert werden.
3).Form geschlossene Stromkreise durch Erdungskabel, so dass die Anti-Interferenz-Kapazität verstärkt und die elektrische Pegeldifferenz zwischen den Systemen reduziert wird.

• Filterdesign

In Hochgeschwindigkeits-PCBs kann die Filterverarbeitung auf Stromkabeln und Signalkabeln implementiert werden. Zu den üblichen Maßnahmen gehören das Hinzufügen von magnetischen Filterkomponenten, EMI-Filtern und Entkopplungskondensatoren.

a. Auswahl des Entkopplungskondensators

1) In einem Stromkreis hilft der Entkopplungskondensator, die Stromversorgung zu glätten und die Entstörungskapazität zu stärken. Im Allgemeinen werden Keramikkondensatoren aufgrund ihrer hohen Stabilität, hohen Genauigkeit, ihres kleinen Volumens und ihres niedrigen ESR (Equivalent Series Resistance) als Entkopplungskondensator eingesetzt. Beim Schaltungsdesign wird der Widerstandswert im Bereich von 1μF bis 100μF gewählt, wobei die Spannungsfestigkeit je nach Schaltung berücksichtigt werden muss.
2).Entkopplungskondensator muss dicht neben Bauteilen platziert werden.

b. Auswahl magnetischer Komponenten

Magnetische Komponenten können in Induktoren und Magnetperlen eingeteilt werden. Im Allgemeinen wird der Induktor am Ende des Stromanschlusses aufgenommen, während magnetische Perlen zwischen Signalleitungen liegen. Bei der Komponentenauswahl müssen die Sättigungsparameter berücksichtigt werden. Sobald magnetische Komponenten die Sättigung erreichen, werden sie abgebrannt. Darüber hinaus müssen sowohl Qualitäts- als auch DCR-Parameter magnetischer Komponenten berücksichtigt werden.

Eine häufig verwendete Maßnahme bei Signalleitungen liegt in der Anwendung von Magnetperlen auf seriellen Leitungen, um die EMI-Kapazität zu erhöhen.

c. Auswahl des EMI-Filters

Der Bereich mit schwerwiegenden Gleichtaktstörungen liegt an der Stelle mit Stromeingang und Signalleitungen. Gewöhnliche Maßnahmen zur Vermeidung von Gleichtaktstörungen umfassen das Hinzufügen einer Gleichtaktinduktivität, eines Piezowiderstands, einer LC-Schaltung und eines speziellen EMI-Filters. In Hochgeschwindigkeitsschaltungen muss das EMI-Problem für die Hochgeschwindigkeitsübertragung auf digitalen Schnittstellen wie USB und HDMI berücksichtigt werden.

• Signalreflexion

Bei der Signalübertragung wird immer erwartet, dass Energie am Quellenanschluss zum Ladeanschluss übertragen wird, was bedeutet, dass ZL gleich ZO sein sollte. Wenn sie nicht gleich sind, wird ein Teil der Energie reflektiert.

Wenn die Übertragungsverzögerung der Leitungen relativ lang ist, werden stärkere Signale zurück zum Quellterminal reflektiert. Dann muss ein relativ großer Betrag zur Kompensation geändert werden, wenn ein Klingeln erzeugt wird, was in Abbildung 5 unten gezeigt wird.

Wenn Signale klingeln, erreicht EMI den Höhepunkt der Schwere. Um ein solches Phänomen beim PCB-Design zu vermeiden, befolgen Sie bitte die Prinzipien in Tabelle 1.

Signalflankenzeit (ns)	Länge der Signalleitungen (Zoll)
5	8.6
4	6.9
3	5.1
2	3.4
1	1.7

EMI-Test

Nach dem Produktdesign werden trotz vieler Maßnahmen zur Vermeidung von EMI Probleme erst bei der Durchführung von Tests gefunden. Dann können einige Änderungen vorgenommen werden, um Probleme zu lösen.

Der EMI-Test umfasst Testverfahren, Geräte und Testposition. Prüfverfahren sollten unter Bezugnahme auf alle Punkte durchgeführt werden. Wenn Geräte den Standard nicht erreichen, kann ein Spektrometer für qualitative Tests eingesetzt werden. Wenn spezifische EMI-Werte von Geräten erforderlich sind, müssen professionelle Geräte verwendet werden. Was die Testposition betrifft, ist es am besten, den Test in der Dunkelkammer durchzuführen.

Hilfreiche Ressourcen
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