Wie man Interferenzen im PCB-Design besiegt

Mit der ständigen Entwicklung der Informationstechnologie werden elektronische Produkte in Bezug auf ihre Funktionen, Kategorien und Strukturen immer komplizierter, was das PCB-Design in Richtung mehrerer Schichten und hoher Dichte treibt. Infolgedessen muss der EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) des PCB-Designs viel Aufmerksamkeit geschenkt werden, da das EMV-Design der PCB nicht nur ein normales und stabiles Funktionieren aller Schaltkreise an Bord gewährleistet, so dass sie sich nicht gegenseitig stören, sondern verringert auch effektiv die Strahlungsübertragung und die leitungsgebundene Emission von PCB, um zu verhindern, dass Schaltkreise durch externe Strahlung und Leitung gestört werden. Interferenzen sind der größte Feind der EMV. Aber, Ingenieure, Sie sollten sich ab diesem Artikel keine Sorgen mehr machen.

Klassifizierung von PCB-Störungen

PCB-Störungen können in drei Kategorien eingeteilt werden:
1). Layout-Interferenz bezieht sich auf Störungen, die durch ungeeignete Platzierung von Komponenten auf der Leiterplatte verursacht werden.
2). Stacking-Interferenz bezieht sich auf Rauschinterferenz, die durch eine unwissenschaftliche Einstellung verursacht wird.
3). Routing-Interferenzen beziehen sich auf Interferenzen, die durch falsche Einstellung des Abstands zwischen PCB-Signalleitungen, Stromleitungen und Erdungsleitungen, Leitungsbreite oder unwissenschaftliche PCB-Routing-Methoden verursacht werden.

In Bezug auf die PCB-Interferenzklassifizierung können einige Unterdrückungsmaßnahmen jeweils aus der Sicht von Layoutregeln, Stapelstrategie und Routingregeln mit Einfluss durch PCB-Interferenz reduziert oder sogar eliminiert werden, um die Kompatibilität mit dem EMV-Designstandard zu gewährleisten.

Entsprechende Unterdrückungsmaßnahmen für PCB-Störungen basierend auf ihrer Klassifizierung

• Unterdrückungsmaßnahmen für Layoutstörungen

Das Privileg, Layoutstörungen zu stoppen, liegt in einem vernünftigen PCB-Layout, das den folgenden sechs Regeln entsprechen sollte:

1). Die Schaltungsposition jedes Funktionsmoduls sollte entsprechend der Position des Signalstroms vernünftig eingestellt werden, und ihre Flussrichtungen sollten so weit wie möglich gleich bleiben.

2). Die Kernkomponente in der Schaltung des Moduls sollte in der Mitte angeordnet sein und die Leitungen sollten so weit wie möglich zwischen den Komponenten gekürzt werden, insbesondere bei Hochfrequenzkomponenten.

3). Die Integration zwischen thermosensitiven Elementen und Chips sollte weit entfernt von Heizelementen erfolgen.

4). Die Steckerposition sollte in Übereinstimmung mit den Komponentenpositionen an Bord bestimmt werden. Steckverbinder sollten auf einer Seite der Leiterplatte platziert werden, um zu verhindern, dass Kabel von zwei Seiten herausgeführt werden, und um die Gleichtakt-(CM)-Stromabstrahlung zu verringern.

5). Der E/A-Treiber sollte sich dicht am Anschluss befinden, um das Weiterleiten von E/A-Signalen auf der Platine über große Entfernungen zu verhindern.

6). Temperaturempfindliche Elemente dürfen nicht zu nah beieinander platziert werden und Eingangs- und Ausgangskomponenten sollten ebenfalls weit entfernt von ihnen sein.

• Unterdrückungsmaßnahmen für Stapelstörungen

Zunächst sollten PCB-Designinformationen gemeistert werden, wobei umfassende Elemente berücksichtigt werden müssen, einschließlich Signalleitungsdichte, Leistung und Erdungsklassifizierung, um die Leistung und die Anzahl der Schichten zu bestimmen, die die Implementierung der Schaltungsfunktion gewährleisten. Die Qualität der Stapelstrategie korreliert im Wesentlichen mit der transienten Spannung der Masseebene oder der Leistungsebene und der elektromagnetischen Abschirmung von Strom und Signalen. Basierend auf praktischer Erfahrung im Stapeldesign sollte das Stapeldesign den folgenden Regeln entsprechen:
1). Groundplane und Powerplane sollten nebeneinander liegen und der Abstand zwischen ihnen sollte so gering wie möglich sein.
2). Die Signalebene sollte eng an der Masseebene oder der Stromversorgungsebene liegen. Entweder eine Ebene oder mehrere Ebenen sind damit in Ordnung.

Beim Design von Single-Layer- oder Double-Layer-Leiterplatten sollten Stromleitungen und Signalleitungen sorgfältig entworfen werden. Um die Schleifenfläche des Starkstroms zu reduzieren, sollten Erdungsleitungen und Starkstromleitungen dicht beieinander liegen und parallel zueinander verlaufen. Bei einlagigen Leiterplatten sollten beidseitig von wichtigen Signalleitungen Schutzerdungsleitungen angeordnet werden. Einerseits zielt es darauf ab, den Schleifenbereich von Signalen zu verkleinern. Andererseits kann ein Übersprechen zwischen Signalleitungen vermieden werden.

Bei doppellagigen Leiterplatten können zusätzlich Schutzerdungsleitungen gesetzt oder eine großflächige Erdung auf der Bildebene signifikanter Signale realisiert werden. Obwohl die PCB-Herstellung und das Debuggen von Baugruppen einfach und bequem sind, ist es nicht akzeptabel, komplizierte PCBs wie digitale Schaltungen und digital-analoge Schaltungen direkt zu simulieren, da die Strahlung mit zunehmender Schleifenfläche ohne Referenzebene zunimmt.

Mehrschichtige Leiterplatten werden vorgeschlagen, wenn die Kosten ausreichen. Beim Design von Multilayer-Leiterplatten müssen drei Regeln beachtet werden:
1). Für signifikante Signalleitungen, wie Bus- oder Taktleitungen mit starker Strahlung und Leitungen mit hoher Empfindlichkeit, sollte das Routing zwischen zwei Masseebenen oder auf der Signalebene, die eng an der Masseebene liegt, implementiert werden, was für die Verkleinerung der Signalschleifenfläche von Vorteil ist. Reduzierung der Strahlungsintensität und Anti-Interferenz-Verstärkung.
2). Es sollte sichergestellt werden, dass die Randstrahlung unter effektiver Kontrolle steht. Im Vergleich zur angrenzenden Masseebene sollte die Leistungsebene intern um 5 bis 20 H reduziert werden (H bezieht sich auf die Dielektrikumsdicke).
3).. Wenn Hochfrequenzsignalleitungen zwischen der unteren Schicht und der oberen Schicht vorhanden sind, sollten diese angeordnet werden zwischen Deckschicht und Masseebene, um die Abstrahlung hochfrequenter Signalleitungen in den Weltraum zu verhindern.

• Unterdrückungsmaßnahmen für Routing-Störungen

Um Störungen zu vermeiden, müssen beim Routing folgende Regeln eingehalten werden:
1). Leitungen am Ausgangs- und Eingangsanschluss sollten vermeiden, über eine lange Distanz parallel zu sein. Paralleles Übersprechen kann durch Hinzufügen von Erdungsleitungen oder Erhöhen des Abstands zwischen Leitungen verringert werden.
2). Die Fräsbreite kann niemals plötzlich geändert werden. Die Ecke sollte ein Bogen oder ein Winkel von 135° sein.
3). Die externe Strahlung der stromführenden Schleife nimmt mit zunehmender (abnehmender) Schleifenfläche, Strom und Signalfrequenz zu (ab), daher ist es notwendig, die Leitungsschleifenfläche zu reduzieren, wenn Strom durchfließt.
4). Die Leitungslänge sollte reduziert und die Breite erhöht werden, um die Impedanz der Leitungen zu verringern.
5). Um die Rauschkopplung und das Übersprechen zwischen benachbarten Leitungen zu minimieren, führen Sie bitte eine Isolationsverarbeitung zwischen den Leitungen durch, um eine Routing-Isolierung sicherzustellen.
6). Shunt-Isolationstastensignal sollte eingestellt sein und Tastensignale sind durch Schutzschaltungen geschützt.

Darüber hinaus befolgen Sie beim Verlegen von Signalleitungen, Stromleitungen und Erdungsleitungen bitte die Verlegungsregeln in Übereinstimmung mit ihren eigenen Merkmalen und Funktionen:
a. Öffentliche Erdungsleitungen sollten am Rand der Leiterplatte mit Maschen- oder Schleifenmuster angeordnet werden; Erdungsleitungen sollten so dick wie möglich sein und es sollte mehr Kupferfolie aufgebracht werden, um die Schirmwirkung zu verstärken; Die analoge Erdung sollte mit der digitalen Erdung isoliert werden, und eine Einzelpunkt-Parallelverbindung sollte in der Niederfrequenzerde der analogen Erdung angelegt werden. Eine Mehrpunkt-Reihenschaltung sollte in Hochfrequenzmasse angelegt werden. Bei der praktischen Verlegung kann Reihenschaltung mit Parallelschaltung kombiniert werden.
b. Die Breite der Stromleitungen sollte wann immer möglich erhöht und der Schleifenwiderstand verringert werden, um die Synchronisation zwischen der Richtung der Masseleitungen und Stromleitungen und der Richtung der Datenübertragung sicherzustellen. Bei mehrschichtigen Leiterplatten sollte der Abstand zwischen Stromleitungen und Masseebene oder Stromebene verringert werden. Jede Funktionseinheit sollte unabhängig mit Strom versorgt werden, und Stromkreise mit öffentlicher Stromversorgung sollten nahe beieinander liegen und miteinander kompatibel sein.
c. Signalleitungen sollten so kurz wie möglich sein, um die Reduzierung des Störsignal-Kopplungswegs zu gewährleisten. Taktsignalleitungen und empfindliche Signalleitungen sollten zuerst verlegt werden, dann kommen Hochgeschwindigkeitssignalleitungen und schließlich unbedeutende Signalleitungen. Wenn Signalleitungen nicht miteinander kompatibel sind, sollte eine Isolationsverarbeitung implementiert werden, um die Erzeugung von Kopplungsstörungen zu stoppen. Das Key-Signal-Routing kann den Trennungsbereich oder sogar den Raum auf der Referenzebene, der durch Pads und Durchgangslöcher verursacht wird, nicht überschreiten. Andernfalls wird die Signalschleifenfläche vergrößert. Um Randstrahlung zu verhindern, darf der Abstand zwischen Schlüsselsignalleitungen und Referenzebene nicht kleiner als 3H sein (H bezieht sich auf die Höhe zwischen Schlüsselsignalleitungen und Referenzebene).

Das Einzige, was wir zu fürchten haben, ist die Angst selbst. Für Elektronikingenieure im Prozess des PCB-Designs können Interferenzen Sie vielleicht immer im Stich lassen. Solange wir jedoch wissen, woher die Interferenzen stammen, und wirksame Maßnahmen ergreifen, werden Interferenzen bei vollständig realisierter PCB-Leistung definitiv reduziert.

Hilfreiche Ressourcen:
• Methoden zur Stärkung der Anti-Interferenz-Fähigkeit im PCB-Design
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