Designregeln für PCB-Partitionierung zur EMV-Verbesserung

EMV, kurz für Electro-Magnetic Compatibility, bezeichnet einen Koexistenzzustand, in dem elektronische Geräte in der Lage sind, ihre eigenen Funktionen in derselben elektromagnetischen Umgebung umzusetzen. Einfach ausgedrückt, EMV ermöglicht es elektronischen Geräten, unabhängig und normal ohne Interferenz zwischen ihnen zu arbeiten, das heißt, diese elektronischen Geräte können im gesamten System miteinander kompatibel sein. Da EMV durch die Kontrolle von EMI (elektromagnetische Interferenz) erreicht wird, entwickelt es sich mit einer Reihe von Studien zu EMI, wie z. B. Einführung von EMI, Forschung zu EMI, Anti-EMI-Lösungen und EMI-Management.

Grundlegende Prinzipien der EMV

Um Interferenzen zwischen digitalen Signalen und analogen Signalen zu reduzieren, müssen Sie zunächst zwei Grundprinzipien der EMV kennen.
Prinzip 1:Die Fläche der Schaltkreisschleife sollte MINIMIERT werden.
Prinzip 2:Es kann nur eine EINZIGE Referenzebene angewendet werden in einem System.

Sobald Prinzip 1 nicht befolgt wird und Signale einen großen Schleifenbereich passieren müssen, wird eine große Schleifenantenne erzeugt. Sobald Prinzip 2 jedoch nicht befolgt wird und zwei Referenzebenen verfügbar sind, wird eine Dipolantenne erstellt. Keines der Ergebnisse entspricht den Erwartungen.

Mix-Signal-PCB-Partitionierungsregeln und -anwendungen

Es wird empfohlen, die digitale Masse und die analoge Masse auf derselben Mischsignalplatine zu trennen, um eine Isolierung zwischen ihnen zu erreichen. Trotz der Machbarkeit dieser Lösung treten viele latente Probleme auf, die besonders bei großen Systemen hervortreten. Das entscheidende Problem liegt darin, dass kein Tracing über die Trennung zwischen digitaler Masse und analoger Masse aufgebaut wird. Wenn die Verfolgung über den Split eingerichtet ist, steigen sowohl die elektromagnetische Strahlung als auch das Signalübersprechen drastisch an. Das am häufigsten auftretende Problem beim PCB-Design liegt im Auftreten von EMI aufgrund von Signalleitungen, die geteilte Masse oder Stromversorgung kreuzen.

Abbildung 1 unten zeigt die oben vorgestellte Situation.

Basierend auf dieser Aufteilungsmethode müssen Signalleitungen über die Aufteilung zwischen digitaler Masse und analoger Masse geführt werden. Wie sieht dann der Rückweg der Signalschaltung aus? Angenommen, zwei geteilte Erdungen sind an einem Punkt miteinander verbunden, und in dieser Situation wird durch den Erdungskreis eine große Schleife erzeugt. Danach führt ein Hochfrequenzkreis, der über eine große Schleife fließt, zum Auftreten einer großen Schleife mit hoher Erdkapazität und erzeugter Strahlung. Wenn eine analoge Schaltung mit niedrigem Pegel über die große Schleife fließt, wird sie leicht durch externe Signale gestört. Die schlimmste Situation tritt ein, wenn die geteilte Masse mit Strom verbunden wird, eine extrem große Stromkreisschleife wird gebildet. Darüber hinaus wird eine Dipolantenne gebildet, wenn analoge Masse und digitale Masse durch eine lange Leitung miteinander verbunden werden. Daher sollten Ingenieure den Pfad und die Methode der Rückleitung bei der Designoptimierung von Mix-Signal-Leiterplatten kennen. Viele Ingenieure betrachten jedoch den fließenden Pfad der Signalschaltung, ohne über den spezifischen Pfad der Schaltung nachzudenken. Wenn die Masseebene geteilt werden muss und die Leiterbahn über die Teilung angeordnet werden muss, kann zunächst eine Einpunktverbindung zwischen zwei geteilten Massen mit einer Brücke implementiert werden, sodass unter jeder Signalleitung ein Gleichstrom-Rückweg mit einer kleinen Schleifenfläche bereitgestellt wird gebildet, was in Abbildung 2 angedeutet ist.

Die Anwendung von optischen Trennvorrichtungen oder Transformatoren kann Signale auch über Split führen. Wenn es um optische Isolationsgeräte geht, sind es optische Signale, die gesplittet werden. Wenn es um Transformatoren geht, ist es ein Magnetfeld, das über die Teilung geht. Ein weiteres anwendbares Verfahren liegt in der Anwendung von Differenzsignalen. Signal fließt in eine Leitung, während es von einer anderen Signalleitung zurückkehrt. Unter dieser Bedingung ist Masse als Rückweg nicht erforderlich.

Unter den folgenden drei Umständen kann eine geteilte Partitionierung angewendet werden:
Umstand 1:Einige medizinische Geräte erfordern einen geringen Leckstrom zwischen den mit Patienten und dem System verbundenen Schaltkreisen.
Umstand 2:Eingang von einigen industriellen Prozesssteuerungsgeräten kann sein verbunden mit elektromechanischen Geräten mit hohem Rauschen und hoher Leistung.
Umstand 3:PCB-Layout leidet unter bestimmten Einschränkungen.

Unabhängige digitale und analoge Stromversorgungen sind in der Regel auf Mix-Signal-PCBs verfügbar, und auf Split-Power-Planes kann und sollte man sich verlassen. Jedoch können Signalleitungen, die eng an Leistungsebenen anliegen, nicht über die Aufteilung zwischen Leistungen verlaufen, und alle Signalleitungen, die diese Aufteilung kreuzen, müssen mit großer Fläche in Umgebung zu Leiterebenen liegen. In einigen Situationen können Split-Probleme in Bezug auf Stromversorgungsebenen vermieden werden, indem die analoge Stromversorgung als PCB-Verbindungsdrähte und nicht nur als Ebene ausgelegt wird.

Grundebenen-Layoutmethode und Anwendungen von Mix-Signal-PCB

Um die Interferenz zu diskutieren, die digitale Signale auf analoge Signale hinterlassen, müssen zunächst die Eigenschaften des Hochfrequenzstroms verstanden werden. Hochfrequenter Strom hängt immer am Pfad mit minimaler Impedanz (niedrigster Induktivität) und liegt direkt unter Signalen. Infolgedessen fließt der Rückweg über die umgebende Schaltungsebene, unabhängig davon, ob diese Ebene die Stromversorgungsebene oder die Masseebene ist. Im praktischen Betrieb wird die Masseebene tendenziell mit einer Leiterplatte verwendet, die in einen analogen Abschnitt und einen digitalen Abschnitt unterteilt ist. Analoge Signale werden in analogen Abschnitten aller Ebenen verlegt, während digitale Signale in digitalen Schaltungsbereichen verlegt werden. In dieser Situation fließt der Rückstrom des digitalen Signals nicht in den Boden der analogen Signale. Solange das digitale Signallayout über dem analogen Abschnitt oder das analoge Signallayout über dem digitalen Abschnitt in Leiterplatten ausgeführt wird, werden Interferenzen erzeugt, die von digitalen Signalen auf analogen Signalen erzeugt werden.

Das Auftreten solcher Probleme ist nicht auf das Fehlen einer getrennten Masse zurückzuführen, sondern auf das ungeeignete Layout digitaler Signale. Wenn es um das PCB-Design geht, helfen die Anwendung der Masseebene, die Partitionierung durch digitale Schaltungen und analoge Schaltungen und ein vernünftiges Signallayout normalerweise, schwierige Probleme in Bezug auf Layout und Partitionierung zu lösen. Darüber hinaus können einige potenzielle Probleme, die durch Split Ground verursacht werden, vermieden werden. Infolgedessen werden das Komponentenlayout und die Partitionierung zu Schlüsselelementen, die die Qualität des PCB-Designs bestimmen. Wenn Layout und Partitionierung geeignet genug sind, wird der Strom in digitaler Masse im digitalen Abschnitt einer Leiterplatte begrenzt, wobei analoge Signale nicht gestört werden. Das Layout für eine solche Situation muss sorgfältig inspiziert und überprüft werden, um sicherzustellen, dass die Layoutregeln vollständig eingehalten werden. Andernfalls führt auch ein ungeeignetes Signalleitungslayout unter Umständen zum Ausfall einer ganzen Platine.

Wenn analoge Erdungs- und digitale Erdungsstifte des A/D-Wandlers miteinander verbunden sind, schlagen die meisten Hersteller von A/D-Wandlern vor, die Stifte ADND und DGND mit der gleichen Erdung mit niedriger Impedanz durch minimale Leitungen zu verbinden. Das liegt daran, dass diese Pins in den meisten A/D-Wandler-ICs nicht verbunden sind und jede externe Impedanz, die mit DGND verbunden ist, zu mehr digitalem Rauschen führt, das mit der analogen Schaltung im IC durch parasitäre Kapazität gekoppelt ist. Dementsprechend sollten sowohl AGND- als auch DGND-Pins des A/D-Wandlers mit analoger Masse verbunden werden. Dennoch wird es ein Problem aufwerfen, ob analoge Masse oder digitale Masse mit dem Erdungsanschluss des Entkopplungskondensators von digitalen Signalen verbunden werden sollte.

Wenn es um das System mit einem einzelnen A/D-Wandler geht, kann das oben eingeführte Problem leicht gelöst werden. Bei getrennter Masse sind der analoge Masseabschnitt und der digitale Masseabschnitt unter dem A/D-Wandler verbunden. Wenn diese Methode verwendet wird, sollte die Brücke zwischen zwei Erdungen so breit sein wie die des IC und keine Signalleitung sollte über den Split gehen.

Wenn es um ein System mit wenigen A/D-Wandlern geht, zum Beispiel 10, wie sollen wir die Verbindung herstellen? Wenn wir der gleichen Lösung wie oben beschrieben folgen, d. h. analoge Masse und digitale Masse unter dem A/D-Wandler verbinden, wird eine Mehrpunktverbindung verursacht, so dass die Isolierung zwischen analoger Masse und digitaler Masse bedeutungslos wird. Wird der Anschluss nicht so ausgeführt, wird die Herstellerforderung nicht erfüllt. Die optimale Lösung liegt in der Anwendung einer einheitlichen Erdung, die in Analogteil und Digitalteil aufgeteilt ist. Diese Art des Layouts erfüllt nicht nur die Anforderungen an analoge Masse und digitale Masse von IC-Herstellern, die eine niedrige Impedanz zwischen ihnen fordern, sondern vermeidet Probleme mit EMV wie Rahmenantennen oder Dipolantennen.

Wenn Ingenieure Zweifel an einer einheitlichen Erdungsanwendung im PCB-Design haben, kann das Layout basierend auf der Split-Methode der Erdungsebene implementiert werden. Während des Entwurfsprozesses sollte die Platine für Schaltdraht mit weniger als 0,5 Zoll oder 0 Ohm Widerstand zugänglich sein, um die geteilte Masse zu verbinden. Der Partitionierung und dem Layout sollte viel Aufmerksamkeit geschenkt werden, um sicherzustellen, dass keine digitalen Signalleitungen über dem analogen Abschnitt platziert werden und umgekehrt. Darüber hinaus darf keine Signalleitung über eine Erdungsteilung oder getrennte Trennspannungen führen. Um die Funktionen der Platine und ihre EMV zu testen, sollten zwei Erdungen über einen 0-Ohm-Widerstand oder einen Schaltdraht verbunden werden und dann die Funktionen der Platine und ihrer EMV erneut getestet werden. Der Ergebnisvergleich zeigt, dass in allen Fällen eine einheitliche Masselösung in Bezug auf Funktionen und EMV besser ist als eine geteilte Masselösung.

Das Design von Mix-Signal-PCBs ist ein komplizierter Prozess. Eine Leiterplatte sollte in einen unabhängigen analogen Abschnitt und einen digitalen Abschnitt unterteilt werden, und der A/D-Wandler sollte über Abschnitte hinweg platziert werden. Um analoge und digitale Spannungen zu trennen, sollten getrennte Stromversorgungsebenen nicht gekreuzt werden, und Signalleitungen, die gekreuzt werden müssen, sollten auf der Schaltungsebene angeordnet werden, die umgebend bis großflächig ist. Wo und wie der Rückwegstrom fließt, sollte analysiert werden, damit ein geeignetes Komponentenlayout und korrekte Layoutregeln eingehalten werden. In allen Lagen einer Leiterplatte können digitale Signale nur in digitalen Abschnitten, analoge Signale nur in analogen Abschnitten ausgelegt werden.

Grundebenen-Layoutmethode und Anwendungen von Mix-Signal-PCB

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