Ersterfolg im PCB-EMV-Design sichern

Als Plattform für Komponenten, deren Anwendungen sich gut in elektronischen Produkten implementieren lassen, spielen PCBs (Printed Circuit Boards) als elektrische Verbindung zwischen Komponenten eine Schlüsselrolle und bilden die Basis in elektronischen Geräten oder Geräten. Daher führt seine Leistung und Qualität direkt zu der von elektronischen Produkten. Einhergehend mit der rasanten Entwicklung in der Mikroelektronik-Technologie neigen zahlreiche elektronische Produkte dazu, zusammenzuarbeiten, so dass Interferenzen zwischen ihnen zunehmend zunehmen. Darüber hinaus führt die zunehmende Leiterplattendichte dazu, dass die Qualität des Leiterplattendesigns eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des Störausmaßes und der Störfestigkeit spielt. Infolgedessen tragen neben der Komponentenauswahl und dem Schaltungsdesign auch ein hervorragendes Komponentenlayout und Routing zum PCB-EMV-Design (elektromagnetische Verträglichkeit) bei, wenn die Schaltung eine optimale Leistung erzielen soll.

EMV bezieht sich auf die Fähigkeit von Geräten oder Systemen, dass sie in der Lage sind, normalerweise in einer elektromagnetischen Umgebung zu arbeiten, während sie sich weigern, inakzeptable elektromagnetische Interferenzen mit Umgebungsgeräten oder -systemen zu erzeugen. Elektromagnetische Interferenzen entstehen aus mehreren Gründen, die hauptsächlich in einer außergewöhnlich hohen Arbeitsfrequenz oder inakzeptablem Layout oder Routing zusammengefasst werden. Vor dem Hintergrund der unvermeidlichen hohen Hochfrequenz (RF) sollten sich Designer bei der Implementierung des PCB-Designs aus EMV-Gründen auf Komponentenlayout, Routing, Stromversorgung und Erdungsdesign konzentrieren. Darüber hinaus sollten für Leiterplatten mit unterschiedlicher Anzahl von Schichten unterschiedliche Designelemente berücksichtigt werden, um eine optimale Leistung zu erzielen.

Störquelle

• Gegentaktstrom und Gleichtaktstrom

a. Differentialmodusübertragung und Gleichtaktübertragung

Jede Schaltung enthält Gleichtaktstrom (CM) und Gegentaktstrom (DM). Beide entscheiden über das Ausmaß der HF-Übertragung. Tatsächlich besteht zwischen ihnen ein riesiges Aussterben. Wenn ein paar Ableitungen oder Spuren und eine Referenzrückgabequelle angegeben sind, sind beide Stromarten verfügbar. Im Allgemeinen transportieren DM-Signale Daten oder nützliche Informationen. Der Gleichtakt verursacht jedoch als negativer Effekt des DM-Stroms die meisten Probleme für die EMV. DM-Übertragung wird normalerweise als Übertragung von Leitung zu Leitung definiert, während CM-Übertragung normalerweise als Übertragung von Leitung zu Masse definiert wird. Die maximale Feldstärke, die durch eine geschlossene Schleife erzeugt wird, kann durch eine Formel ermittelt werden . E bezieht sich auf die maximale Feldstärke (μV/m); r bezeichnet den Abstand zwischen Regelkreis und Messantenne (m); f bezieht sich auf die Frequenz (MHz); Ich_s bezieht sich auf Strom (mA); A bezieht sich auf die Schlaufenfläche (cm²).

Basierend auf der obigen Formel wird deutlich, dass die Feldstärke direkt proportional zur Schleifenfläche ist. Um den DM-Übertragungspegel (TL) zu reduzieren, sollte die Schleifenfläche abgesehen von der Reduzierung des Quellenstroms verkleinert werden.

CM-Strahlung ergibt sich aus einem Spannungsabfall, der dazu führt, dass die Teilerdungsspannung höher ist als die in der Bezugserde. Kabel, die mit einem einflussreichen Erdungssystem verbunden sind, gelten als Antenne, die Bestandteil der CM-Strahlung ist. Die Fernfeldkomponente kann durch Formel dargestellt werden , K bezieht sich auf den Übertragungskoeffizienten; I bezieht sich auf CM-Strom (A); l bezieht sich auf Kabellänge (m); f bezieht sich auf die Übertragungsfrequenz (MHz); r bezieht sich auf die Distanz (m).

Diese Formel zeigt deutlich, dass die Feldstärke direkt proportional zur Kabellänge ist. Die Reduzierung der CM-Übertragung hängt von der Verringerung des CM-Stroms und der Verringerung der Kabellänge ab.

b. Konvertierung zwischen CM und DM

DM und CM können ineinander gewandelt werden, wenn zwei Signalleitungen mit unterschiedlicher Impedanz zur Verfügung stehen. Die Impedanz wird hauptsächlich durch Leitungen oder kammförmige Kondensatoren und Induktoren bestimmt, die mit physikalischen Spuren korreliert sind. Für die Verfolgung der meisten PCBs sollten parasitäre Kapazität und Induktivität gut auf ein Minimum kontrolliert werden, damit die Erzeugung von CM und DM vermieden werden kann. Daher müssen umgebungsempfindliche Schaltungen durch ein bestimmtes Verfahren einen Abgleich erreichen, so dass Zuleitungen oder kammförmige Kapazitäten der einzelnen Leiter äquivalent zu parasitären Kapazitäten sind.

c. Allgemeine Methode zum Stoppen von CM- und DM-Störungen

Die grundlegende Richtlinie zum Stoppen von CM- und DM-Strom und HF-Störungen liegt im Stromkapazitäts-Offset oder der Stromkapazitätsminimierung. Wenn Strom in Spuren fließt, werden magnetische Kraftlinien erzeugt, die zum Auftreten eines elektrischen Felds führen. Beide Felder können HF-Energie abstrahlen. Wenn die magnetischen Kraftlinien versetzt oder auf ein Minimum reduziert werden, ist keine HF-Energie mehr vorhanden, was die Interferenz endgültig stoppt. Spezifische Maßnahmen oder Regeln, die eingehalten werden können, werden im letzten Teil dieses Artikels erörtert.

• Übersprechen

Als entscheidendes Element des PCB-Designs muss Übersprechen in jeder Verbindung des gesamten Prozesses sorgfältig berücksichtigt werden. Übersprechen bezieht sich auf unerwünschte elektromagnetische Kopplung zwischen Leiterbahnen, Leitungen, Kabelbündeln, Komponenten oder anderen elektronischen Komponenten, die dazu neigen, durch elektromagnetische Interferenzen beeinflusst zu werden.

Als führender EMI-Übertragungsansatz (elektromagnetische Interferenz) neigt Nebensprechen dazu, Interferenzen zwischen Leiterbahnen zu verursachen. Übersprechen kann in kapazitive Kopplung und induktive Kopplung klassifiziert werden. Ersteres ergibt sich normalerweise aus der Tatsache, dass eine Spur über anderen Spuren oder einer Referenzebene angeordnet ist. Letzteres stammt normalerweise von Spuren, die einander physikalisch angenähert sind. Wenn es um parallele Spuren geht, bietet Crosstalk zwei Modi:vorwärts und rückwärts. Bei Leiterplatten ist das Rückwärtsübersprechen eher eine Überlegung wert als das Vorwärtsübersprechen. In Schaltungen gilt:Je größer die Impedanz zwischen Strom und gestörten Leiterbahnen ist, desto höher ist der Übersprechpegel. Induktivitätsübersprechen kann kontrolliert werden, indem der Randabstand zwischen Leiterbahnen und Übertragungsleitungen oder Leitungen hinzugefügt oder der Abstand zwischen Leiterbahnen und Referenzebene minimiert wird.

• Analyse des digitalen Signalspektrums

a. Digitale Signale

Das Attribut digitaler Signale ist eine Rechteckwelle, und Rechtecksignale bestehen aus einer Grundwelle und vielen harmonischen Sinuswellen. Die Fourier-Transformation kann angewendet werden, um die Wellenform des Frequenzbereichs digitaler Signale zu erfassen. Je kürzer die Pulswiederholungsperiode ist, desto höher wird daher die Wiederholungsfrequenz und damit auch die harmonische Frequenz. Theoretisch ist die Anstiegszeit der Rechteckwelle Null, so dass der harmonische Inhalt unendlich ist. Es ist jedoch eine trapezförmige Wellenform mit sowohl steigender als auch fallender Flanke.

b. Impulszeitbereichs- und Frequenzbereichsumwandlung (Fourier-Transformation)

Die Fourier-Transformation führt zu einem rechteckigen Impuls, der gemäß der Formel in Kosinus- oder Sinuswellen zerlegt wird . In dieser Gleichung AD_n bezieht sich auf die Amplitude jeder Kosinuswellenform; n bezieht sich auf die Anzahl der Oberwellen; w bezieht sich auf die Kreisfrequenz.

• Entkopplung und Erdung

a. Entkopplungsdesign

Bestehend aus Induktivität und Kondensator, ist ein Tiefpassfilter in der Lage, hochfrequente Störsignale zu filtern. Parasitäre Induktivität auf Leitungen verlangsamt die Stromversorgung, sodass der Ausgangsstrom der Treibergeräte sinkt. Die geeignete Platzierung des Entkopplungskondensators und die Anwendung der Energiespeicherfunktion von Induktor und Kondensator ermöglichen es, Geräte im Ein- und Ausschaltmoment mit Strom zu versorgen. In einer DC-Schleife führt eine Laständerung zu Leistungsrauschen. Die Konfiguration des Entkopplungskondensators kann die Erzeugung von Rauschen aufgrund von Laständerungen verhindern.

b. Erdungsdesign

Bei elektronischen Geräten ist die Erdung eine entscheidende Methode zur Kontrolle von Interferenzen. Wenn die Erdung korrekt mit Abschirmmaßnahmen kombiniert wird, werden die meisten Interferenzprobleme gelöst.

• Komponentenlayout und Routing

Das Schaltungslayout bestimmt direkt das Ausmaß der elektromagnetischen Störungen und die Intensität der Störfestigkeit. Ein geeignetes Layout erhöht nicht nur die Schaltungseffizienz, sondern verbessert auch die EMV des gesamten Systems. Je höher die Arbeitsfrequenz der Einheitsschaltung wird, desto höher wird die Geschwindigkeit und desto vielfältiger wird das Signalspektrum sein. Je höher also der Anteil an Hochfrequenzanteil ist, desto stärker sind die Störungen. Aus frequenztechnischer Sicht kommt zuerst der Hochfrequenzkreis, dann der Mittelfrequenzkreis und schließlich der Niederfrequenzkreis. Aus der Perspektive der Logikgeschwindigkeit kommt jedoch zuerst die Hochgeschwindigkeitsschaltung, dann die Mittelgeschwindigkeitsschaltung und schließlich die Niedriggeschwindigkeitsschaltung. Gemäß dieser Theorie sollte das Schaltungslayout gemäß dem folgenden Design implementiert werden.

Neben der Klassifizierung nach Frequenz oder Geschwindigkeit können auch Funktion und Typ als Klassifizierungsmaßstab herangezogen werden. Detaillierte Maßnahmen, die ergriffen werden müssen, werden in Kürze im restlichen Teil dieses Artikels erörtert. Lesen Sie weiter und Sie werden sie im Detail erhalten.

PCB-Designregeln für EMV

Da Störquellen, die zu einer Schädigung der EMV-Leistung von Schaltungen führen, ausgegraben wurden, sollten entsprechende Entwurfsregeln für EMV-Bedenken ausgearbeitet werden, die diese Quellen berücksichtigen. Hier sind PCB-Designregeln, um EMV-Erfolg zu erzielen.

• Oberflächenlayout

a. PCB-Größe muss berücksichtigt werden. Wenn es um Platinen mit außergewöhnlich großen Abmessungen geht, muss die Verfolgung einen langen Weg gehen, mit erhöhter Impedanz, reduziertem Rauschwiderstand und steigenden Herstellungskosten. Wenn es sich um Platinen mit außerordentlich kleiner Größe handelt, werden Probleme wegen der Wärmeableitung verursacht, und es kommt häufig zu Nebensprechen zwischen benachbarten Leiterbahnen. Die empfohlene Leiterplattengröße ist eine rechteckige Form mit einem Verhältnis zwischen Länge und Breite von 3:2 oder 4:3. Wenn die Plattengröße 200 mm x 150 mm überschreitet, sollte außerdem die von der Platte abgezogene mechanische Intensität berücksichtigt werden. Daher ist es sehr wichtig, dass Sie die Begrenzung der Platinenabmessungen Ihres Leiterplattenherstellers kennen. Beispielsweise kann PCBCart Leiterplatten mit einer Größe von mindestens 6 x 6 mm und höchstens 600 x 700 mm drucken. Weitere Einzelheiten finden Sie in den Fertigungskapazitäten für kundenspezifische Leiterplatten.

b. Die Partitionierung sollte für das Design des Komponentenlayouts sorgfältig erwogen werden. Digitale Schaltungen, analoge Schaltungen und Rauschquellen sollten unabhängig voneinander an Bord platziert werden, und die Hochfrequenzschaltung sollte von der Niederfrequenzschaltung isoliert werden. Darüber hinaus sollte auf die Komponentenverteilung mit starken und schwachen Signalen und auf Probleme mit der Signalübertragungsrichtung geachtet werden.

c. Das Layout sollte in jedem Funktionsschaltkreis auf der Kernkomponente zentriert sein, um sicherzustellen, dass die Komponenten sauber und kompakt in derselben Richtung positioniert sind. Um die Bildung von Kopplungen zwischen Signalen zu verhindern, sollten Komponenten, die leicht durch Interferenzen beeinflusst werden können, nicht benachbart positioniert werden.

d. Komponenten mit empfindlichen Signalen sollten weit entfernt von Stromversorgungs- und Hochleistungsgeräten sein, und Leitungen für empfindliche Signale dürfen niemals über Hochleistungsgeräte verlaufen. Wärmeempfindliche Komponenten sollten weit entfernt von thermischen Geräten positioniert werden, während temperaturempfindliche Komponenten im Bereich mit der niedrigsten Temperatur positioniert werden sollten.

e. Der Abstand zwischen Komponenten mit hohem Potentialunterschied sollte vergrößert werden, um die Möglichkeit des Auftretens eines Kurzschlusses zu vermeiden. Außerdem sollten Hochleistungskomponenten versuchen, an Stellen angeordnet zu werden, die für eine Berührung mit der Hand beim Testen unzugänglich sind, und einen Isolationsschutz durchlaufen.

f. Ein Durchgangsloch bringt eine verteilte Kapazität von 0,5 pF, sodass eine Reduzierung der Durchgangslöcher für eine Verbesserung der Betriebsgeschwindigkeit von Vorteil ist.

• Komponentenlayout

a. Im Vergleich zu diskreten Bauelementen sollten IC-Bauelemente aufgrund ihrer Vorteile einer hervorragenden Verpackung, weniger Lötstellen und einer geringen Ausfallrate bevorzugt ausgewählt werden. Außerdem sollten Geräte mit relativ langsamer Signalflanke gewählt werden, damit durch Signale erzeugte hochfrequente Anteile reduziert werden können. Die Anwendung von oberflächenmontierten Geräten kann die Aufzeichnungslänge bei reduzierter Impedanz und verbesserter EMV reduzieren.

b. Komponenten sollten auf der Grundlage derselben Klassifizierung positioniert werden. Inkompatible Komponenten sollten unabhängig voneinander platziert werden, um sicherzustellen, dass sich die Komponenten im Weltraum nicht gegenseitig stören.

c. Bauteile mit einem Gewicht von über 15 g sollten nicht gelötet werden, bis sie durch eine Halterung befestigt wurden. Komponenten, die sowohl groß als auch schwer sind und viel Wärme erzeugen, sollten nicht an Bord montiert werden; Stattdessen sollten sie auf der Bodenplatte der fertigen Schachtel montiert werden. Außerdem muss die Wärmeableitung gewährleistet sein und wärmeempfindliche Bauteile sollten weit entfernt von wärmeerzeugenden Bauteilen liegen.

d. Wenn es um einstellbare Komponenten wie Potentiometer, einstellbare Induktionsspule, Drehkondensator und Mikroschalter geht, sollten die strukturellen Anforderungen des gesamten Systems berücksichtigt werden. Diese Komponenten sollten auf der Leiterplatte platziert werden, wenn eine innere Anpassung erforderlich ist, während sie sich an Stellen befinden sollten, die mit der Maschinenplatine kompatibel sind, wenn eine äußere Anpassung erforderlich ist.

• Routing-Design

Die allgemeine Routing-Regel entspricht der folgenden Reihenfolge:

Abgesehen von dieser allgemeinen Routing-Regel sollten einige Details niemals ignoriert werden:

a. Um Strahlungsinterferenzen zu minimieren, sollten mehrschichtige Leiterplatten mit inneren Schichten aufgenommen werden, die als Leistungsebene und Erdungsebene definiert sind, damit die Impedanz des Stromkreises reduziert und das öffentliche Impedanzrauschen gestoppt werden kann, wobei eine gleichmäßige Erdungsebene für Signalleitungen erzeugt wird. Es spielt eine Schlüsselrolle beim Stoppen von Strahlung, indem es die verteilte Kapazität zwischen Signalleitungen und Erdungsebene verbessert. Weitere Designhinweise für mehrschichtige PCBs finden Sie im Abschnitt PCB-Layer- und EMV-Design weiter unten.

b. Bei Hochfrequenzsignalen sollte durch Stromleitungen, Erdungsleitungen und Leiterbahnen auf der Leiterplatte eine niedrige Impedanz aufrechterhalten werden. Wenn die Frequenz so hoch gehalten wird, werden Stromleitungen, Erdungsleitungen und Leiterbahnen zu kleinen Antennen, die für den Empfang und die Übertragung von Störungen verantwortlich sind. Um solche Interferenzen zu beseitigen, ist es im Vergleich zum Hinzufügen von Filterkondensatoren wichtiger, die Hochfrequenzimpedanz von Stromleitungen, Erdungsleitungen und Leiterplattenspuren zu reduzieren. Daher sollten Leiterbahnen auf der Leiterplatte kurz und dick und gleichmäßig angeordnet sein.

c. Stromleitungen, Erdungsleitungen und gedruckte Leiterbahnen sollten so angeordnet werden, dass sie kurz und gerade sind, um die durch Signalleitungen und Rückleitungen gebildete Schleifenfläche zu minimieren.
d. Taktgenerator sollte so nah wie möglich an Taktgebern sein.
e. Schale des Schwingquarzes sollte mit Masse verbunden sein.
f. Der Taktbereich sollte von Masseleitungen umgeben sein und die Taktleitungen sollten so kurz wie möglich sein.
g. Für Leiterplatten sollten unterbrochene Linien mit einem Winkel von 45° anstelle von 90° verwendet werden, um die Übertragung und Kopplung von Hochfrequenzsignalen zu verringern.
h. Eine Einpunktverbindung mit Strom und eine Einpunktverbindung mit Masse sollte auf einlagigen PCB und zweilagigen PCB angewendet werden. Sowohl Stromleitungen als auch Erdungsleitungen sollten so dick wie möglich sein.
i. Der E/A-Treiberschaltkreis sollte sich in der Nähe der Anschlüsse am Rand der Leiterplatte befinden.
j. Die Schlüssellinien sollten versuchen, dick zu sein, und auf beiden Seiten sollte eine Schutzerde hinzugefügt werden. Hochgeschwindigkeitsstrecken sollten kurz und gerade sein.
k. Komponentenstifte sollten so kurz wie möglich sein, was besonders zum Entkoppeln von Kondensatoren geeignet ist. Verwenden Sie Montagekondensatoren ohne Stifte.
l. Bei A/D-Komponenten dürfen Masseleitungen im Digitalteil und im Analogteil nicht gekreuzt werden.
m. Clock-, Bus- und Chip-Select-Signale sollten weit entfernt von I/O-Leitungen und Anschlüssen liegen.
n. Analoge Spannungseingangsleitungen, Referenzspannungsanschluss sollte weit entfernt von Signalleitungen digitaler Schaltungen liegen, insbesondere Uhr.
o. Interferenzen sind geringer, wenn Taktleitungen vertikal zu I/O-Leitungen verlaufen als parallel zu I/O-Leitungen. Darüber hinaus sollten die Stifte der Taktkomponenten weit entfernt von den E/A-Kabeln liegen.
S. Eine Begleitheizung sollte niemals unter Quarzkristallen oder rauschempfindlichen Geräten angeordnet werden.
q. Eine Stromschleife sollte niemals um Schaltungen mit schwachen Signalen oder Niederfrequenzschaltungen erzeugt werden.
r. Kein Signal sollte eine Schleife erzeugen. Wenn eine Schleife angeordnet werden muss, sollte sie so klein wie möglich sein.

• Trace-Routing

a. Bei Stromsignalen mit gleichem Ausgang, aber entgegengesetzten Richtungen sollte ein paralleles Layout durchgeführt werden, um magnetische Interferenzen zu eliminieren.
b. Diskontinuität von gedruckten Leitungen sollte auf das Äußerste reduziert werden. z.B. Die Lead-Breite sollte sich nicht plötzlich ändern, wenn die Lead-Ecke über 90° liegt.
c. EMI wird in der Regel von Taktsignalleitungen erzeugt, und Taktsignalleitungen sollten sich beim Routing in der Nähe der Erdungsschleife befinden.
d. Der Busfahrer sollte neben dem zu fahrenden Bus stehen. Wenn es um die von Leiterplatten entfernten Drähte geht, sollten Treiber neben Steckverbindern platziert werden.
e. Da Signalleitungen von Taktleitungen, Zeilentreibern oder Bustreibern normalerweise große Übergangsströme führen, sollten gedruckte Leitungen so kurz wie möglich sein. Bei diskreten Komponenten kann die gedruckte Leiterbreite etwa 1,5 mm erreichen. Bei ICs sollte die Breite der gedruckten Anschlüsse jedoch zwischen 0,2 mm und 1,0 mm liegen.
f. Es sollte vermieden werden, großflächige Kupferfolie in der Nähe von thermischen Geräten oder Leitungen mit hohem Stromfluss zu verwenden, da es sonst möglicherweise zu Problemen wie Aufblasen oder Herunterfallen der Kupferfolie kommen kann, wenn Produkte längere Zeit in thermischer Umgebung verbleiben. Wenn eine großflächige Kupferfolie verwendet werden muss, ist es besser, ein Gitter zu nutzen, das vorteilhaft ist, um entweichendes Gas zu eliminieren, das aufgrund der thermischen Haftung zwischen Kupferfolie und Substrat entsteht.
g. Die Via-Öffnung in der Mitte des Pads sollte geeigneterweise größer sein als die der Komponentenstifte. Bei zu großen Pads kann es zu Trockenlötungen kommen.

• Leistungsdesign

Ein unangemessenes Leistungsdesign führt zu einer großen Geräuschentwicklung, die schließlich die Leistung des Produkts verringert. Zwei Hauptfaktoren verursachen eine instabile Stromversorgung:
#1:Im Zustand des Hochgeschwindigkeitsschaltens ist der transiente Austauschstrom zu groß;
#2:Bei Stromrückkehr existiert eine Induktivität.

Daher sollte die Leistungsintegrität beim PCB-Design vollständig berücksichtigt werden, abgesehen davon, dass auch die folgenden Regeln eingehalten werden sollten.

a. Entkopplungsfilterdesign

Die Überbrückung eines Entkopplungskondensators mit einer Kapazität von 0,01 μF bis 0,1 μF an zwei Anschlüssen der IC-Chipleistung kann das Rauschen und den Stoßstrom auf der gesamten Platine drastisch reduzieren. Bei erfüllter Stromkompensation gilt:je niedriger die Entkopplungskapazität, desto besser. Montagekondensatoren sollten aufgrund ihrer geringen Zuleitungsinduktivität optimal eingesetzt werden.

Die effektivste Methode zum Filtern von Strom liegt in der Filteranordnung am Wechselstromversorgungskabel. Um zu verhindern, dass sich Leitungen gegenseitig koppeln oder Schleifen auftreten, sollten die Eingangs- und Ausgangsleitungen des Filters von beiden Seiten der Leiterplatte geführt werden und die Leitungen sollten so kurz wie möglich sein.

b. Stromversorgungsschutzdesign

Das Stromschutzdesign umfasst Überstromschutz, Unterspannungsalarm, Sanftanlauf und Überspannungsschutz. Überstromschutz kann im Leistungsteil der Leiterplatte durch die Anwendung einer Sicherung erreicht werden. Um zu verhindern, dass die Sicherung andere Module während des Schmelzprozesses beeinträchtigt, sollte die Eingangsspannung auch so ausgelegt sein, dass sie die Kapazität aufrechterhält. Um zu verhindern, dass durch Überspannung versehentlich Komponenten beschädigt werden, sollte durch Schutzvorrichtungen wie Entladungsröhre und Varistor ein gleiches Potential zwischen der Verteilungsleitung und dem Erdpotential hergestellt werden, um einen Überspannungsschutz zu erreichen.

• Bodengestaltung

Bei Geräten mit gleichem Potential mit elektrischem Potentialfußpunkt weisen Erdungskabel ein inkonstantes Potential auf. Relativ große Unterschiede können beobachtet werden, wenn das Messgerät verwendet wird, um das Potenzial zwischen Punkten auf Erdungskabeln zu messen, was schließlich zu Fehlern führen kann, wenn der Stromkreis funktioniert.

Der Hauptgrund für EMI durch Erdungskabel liegt in der Impedanz von Erdungskabeln. Wenn Strom durch Masseleitungen fließt, wird Spannung erzeugt, die eigentlich Masserauschen ist. Unter dem Treiben einer solchen Spannung wird ein Schleifenstrom auf Erdungsdrähten verursacht, der danach eine Erdschleifeninterferenz erzeugt. Wenn zwei Stromkreise gemeinsam denselben Erdleiter verwenden, findet eine öffentliche Impedanzkopplung statt.

Lösungen für Erdschleifeninterferenzen umfassen das Durchtrennen der Erdschleife, das Hinzufügen einer Erdschleifenimpedanz und die Anwendung einer symmetrischen Schaltung. Methoden zur Überwindung der öffentlichen Impedanzkopplung liegen in der Impedanzreduzierung auf dem öffentlichen Erdungskabel oder der parallelen Einzelpunkterdung. Spezifische Regeln in Bezug auf das Erdungskabeldesign lauten wie folgt.

a. Trennung zwischen digitaler Masse und analoger Masse

Wenn sowohl analoge Schaltungen als auch lineare Schaltungen auf der Platine vorhanden sind, sollten sie voneinander isoliert werden. Niederfrequenzschaltungen sollten mehr von einer Einpunkt-Parallelerdung abhängen. Wenn im praktischen Routing-Prozess Probleme auftreten, kann eine Reihenerdung teilweise vor einer Parallelerdung implementiert werden. Hochfrequenzschaltkreise hängen in der Regel von einer Reihenerdung mit mehreren Punkten ab, und Erdungsdrähte sollten kurz und dick sein. Um hochfrequente Bauteile sollte massiv Kupferfolie in Gitterform aufgebracht werden.

b. Erdungskabel sollten so dick wie möglich sein

Erdungsdrähte sollten so dick wie möglich sein, damit ein doppelt so hoher Strom wie der zulässige Strom der Leiterplatte durchfließen kann, um den Rauschwiderstand zu erhöhen. Wenn Kupferguss zur Herstellung von Erdungsdrähten verwendet wird, sollte totes Kupfer vermieden werden. Darüber hinaus sollte Kupfer mit ähnlichen Funktionen durch dicke Leitungen miteinander verbunden werden, damit die Qualität der Erdungskabel mit reduziertem Rauschen gewährleistet werden kann.

c. Geschlossener Stromkreis, der durch Erdungsdrähte gebildet wird

Bei Leiterplatten, die nur digitale Schaltungen enthalten, kann die Rauschfestigkeit erhöht werden, indem die Erdungsschaltung in einer kreisförmigen Schleife gestaltet wird.

PCB-Layer und EMV-Design

• Angemessene PCB-Layer-Anzahl

In Bezug auf die Anzahl der Schichten, einschichtige Leiterplatten, zweischichtige Leiterplatten und mehrschichtige Leiterplatten.

a. Einlagige PCBs und zweilagige PCBs eignen sich für Routing mit mittlerer/niedriger Dichte oder Schaltungen mit niedriger Integrität. Aus Gründen der Herstellungskosten hängen die meisten Produkte der Unterhaltungselektronik von einschichtigen oder zweischichtigen Leiterplatten ab. Dennoch erzeugen beide aufgrund von Defekten ihrer Strukturen viel EMI und sind außerdem empfindlich gegenüber externen Störungen.

b. Mehrschichtige PCBs werden eher in High-Density-Routing und High-Integrity-Chip-Schaltungen eingesetzt. Wenn die Signalfrequenz hoch ist und elektronische Komponenten in hoher Dichte verteilt sind, sollten daher mindestens 4-lagige Leiterplatten ausgewählt werden. Beim mehrschichtigen PCB-Design sollten Power Plane und Ground Plane speziell angeordnet werden, wobei der Abstand zwischen Signalleitungen und Masseleitungen verringert wird. Als Ergebnis kann die Loop-Fläche aller Signale großartig verringert werden. Aus EMV-Sicht sind Multilayer-Leiterplatten in der Lage, Abstrahlung effektiv zu reduzieren und die Entstörfähigkeit zu verbessern.

• Einschichtiges PCB-Design

Einschichtige Leiterplatten arbeiten normalerweise bei einer niedrigen Frequenz von mehreren hundert KHz, da viele Designbedingungen für hohe Frequenzen aufgrund von Niederfrequenzgrenzen wie fehlender HF-Schaltungsrückgabe und Steuerbedingungen, die durch vollständige Schließung, offensichtlichen Hauteffekt oder erforderlich sind, eingeschränkt sind unvermeidbare Probleme mit Magnet- und Rahmenantennen. Daher neigen einlagige Leiterplatten dazu, empfindlich auf HF-Störungen wie statische Elektrizität, schnelle Impulse, Strahlung oder leitungsgebundene HF zu reagieren. Beim Single-Layer-PCB-Design werden Signalintegrität und Anschlussanpassung nicht berücksichtigt. Zuerst kommt das Strom- und Erdungskabeldesign, dann das Hochrisiko-Signaldesign, das neben dem Erdungskabel platziert werden sollte. Je näher, desto besser. Schließlich kommt das Design anderer Linien. Spezifische Gestaltungsmaßnahmen umfassen:
a. Es muss sichergestellt werden, dass Strom- und Erdungskabel entlang der Erdungspunkte des Stromkastens im Signalnetzwerk des Schlüsselstromkreises verlaufen.
b. Leiterbahnen sollten gemäß Unterfunktionen geroutet werden, und Designanforderungen müssen an empfindlichen Komponenten und entsprechenden E/A-Klemmen und Anschlüssen kritisch betrachtet werden.
c. Alle Komponenten im kritischen Signalnetzwerk sollten nebeneinander platziert werden.
d. Wenn Leiterplatten mehrere Erdungspunkte erfordern, stellen Sie sicher, dass diese Punkte miteinander verbunden sind und schließen Sie das Design der Verbindungsmethoden ein.
e. Für die Verlegung anderer Leitungen sollten Leitungen mit höherer HF-Widerstandskapazität die Entwurfsmethode des Mini-Passes mit freiem HF-Rückweg verwenden.

• Doppel-/Mehrschicht-PCB-Design

a. Die Hauptleistungsebene sollte neben der entsprechenden Masseebene angeordnet werden, wobei eine Kopplungskapazität erzeugt wird. In Zusammenarbeit mit dem PCB-Entkopplungskondensator ist die Schlüsselleistungsebene vorteilhaft für die Impedanzreduzierung auf der Leistungsebene, wobei ein ausgezeichneter Filtereffekt erzielt wird.

b. Schlüsselsignale auf benachbarten Ebenen dürfen nicht über die Aufteilungszone gehen, um die Vergrößerung der Signalschleife zu stoppen, die intensive Strahlung zu verringern und die Interferenzempfindlichkeit zu verringern.

c. Schlüsselsignale wie Taktsignale, Hochfrequenzsignale und Hochgeschwindigkeitssignale erfordern eine benachbarte Masseebene. Beispielsweise kann eine Signalebene neben der Masseebene als optimale Ebene für die Signalführung betrachtet werden, so dass die Signalschleifenfläche und die Abschirmstrahlung verkleinert werden können.

d. Die Stromversorgungsebene sollte normalerweise aufgrund der Übereinstimmung mit der 20H-Regel kleiner als die Grundebene sein.

Das EMV-Design für Leiterplatten ergibt sich aus der Komplexität von Techniken, Wissen und Erfahrung. Alle in diesem Artikel aufgeführten Designregeln zielen darauf ab, grundlegende und konzeptionelle Richtlinien für Ingenieure bereitzustellen, um ihre ersten Erfolge im EMV-Design sicherzustellen. Tatsächlich erfordert ein hervorragendes EMV-Design, dass Ingenieure so viele Elemente wie möglich beim Platinendesign berücksichtigen, und Ingenieure sollten wissen, was sie sind und wie sie darauf reagieren müssen.

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