Además de la selección de componentes y el diseño de circuitos, un buen diseño de tarjeta de circuito impreso (PCB) también es un factor muy importante en la compatibilidad electromagnética.

La clave del diseño de PCB de EMC es minimizar el área de retorno y dejar que el camino de retorno fluya en la dirección diseñada. Los problemas de corriente de retorno más comunes provienen de grietas en el plano de referencia, cambio del plano de referencia y señales que fluyen a través del conector. Los condensadores de salto o condensadores de desacoplamiento pueden resolver algunos problemas, pero se debe considerar la impedancia general de los condensadores, vias, pads y cableado.

Esta conferencia presentará la tecnología de diseño de PCB de EMC desde tres aspectos: estrategia de capas de PCB, técnicas de diseño y reglas de cableado.

Estrategia de capas de PCB

En el diseño de la placa de circuito, el grosor, el proceso de vias y el número de capas de la placa de circuito no son la clave para resolver el problema. Una buena estrategia de capas es la clave para asegurar el desacoplamiento y el bypass de la línea de alimentación, minimizar el voltaje transitorio en la capa de alimentación o tierra, y blindar el campo electromagnético de la señal y la alimentación.

Desde la perspectiva de la ruta de la señal, una buena estrategia de capas debe ser poner todas las rutas de señal en una o varias capas, que estén cerca de la capa de alimentación o tierra. Para la alimentación, una buena estrategia de capas debe ser que la capa de alimentación esté adyacente a la capa de tierra, y la distancia entre la capa de alimentación y la capa de tierra sea lo más pequeña posible. Esto es lo que llamamos estrategia de "capas". Hablaremos sobre la buena estrategia de capas de PCB en detalle.

1. El plano de proyección de la capa de cableado debe estar dentro del área de su capa de plano de retorno. Si la capa de cableado no está dentro del área de proyección de su capa de plano de retorno, habrá líneas de señal fuera del área de proyección durante el cableado, lo que resultará en problemas de "radiación de borde" y también aumentará el área del bucle de señal, lo que resultará en una mayor radiación de modo diferencial.
2. Trate de evitar capas de cableado adyacentes. Debido a que las trazas de señal paralelas en capas de cableado adyacentes causarán interferencia de señal, si no se puede evitar capas de cableado adyacentes, el espaciado entre las dos capas de cableado debe aumentarse adecuadamente, y el espaciado entre la capa de cableado y su bucle de señal debe reducirse.
3. Las capas de plano adyacentes deben evitar la superposición de planos de proyección. Debido a que cuando las proyecciones se superponen, la capacitancia de acoplamiento entre capas causará que el ruido entre las capas se acople entre sí.

Diseño de placa multilayer

Cuando la frecuencia del reloj excede 5 MHz, o el tiempo de subida de la señal es menor que 5 ns, para controlar bien el área del bucle de señal, generalmente se requiere un diseño de placa multilayer. Los siguientes principios deben tenerse en cuenta al diseñar una placa multilayer:

1. La capa de cableado clave (línea de reloj, bus, línea de señal de interfaz, línea de RF, línea de señal de reset, línea de señal de selección de chip y varias líneas de señal de control) debe estar adyacente a un plano de tierra completo, preferiblemente entre dos planos de tierra, como se muestra en la figura a continuación. Las líneas de señal clave generalmente son radiación fuerte o señales de interferencia extremadamente sensibles. El cableado cerca del plano de tierra puede reducir el área del bucle de señal, reducir su intensidad de radiación o mejorar su capacidad de anti-interferencia.

2. El plano de alimentación debe retraerse relativo a su plano de tierra adyacente (valor recomendado 5H a 20H). Retraer el plano de alimentación relativo a su plano de tierra de retorno puede suprimir efectivamente el problema de "radiación de borde", como se muestra en la figura siguiente.

Además, el plano de alimentación principal de la placa (el plano de alimentación más utilizado) debe estar cerca de su plano de tierra para reducir efectivamente el área del bucle de corriente de alimentación, como se muestra en la figura siguiente.

3. ¿Hay líneas de señal ≥50 MHz en las capas superior e inferior de la placa de una sola capa? Si es así, es mejor routear la señal de alta frecuencia entre las dos capas de plano para suprimir su radiación al espacio.

Diseño de placa de una sola capa y doble capa

Para el diseño de placas de una sola capa y doble capa, se debe prestar atención al diseño de las líneas de señal clave y las líneas de alimentación. Debe haber una línea de tierra adyacente y paralela a la línea de alimentación para reducir el área del bucle de corriente de alimentación.

La "línea de tierra de guía" debe colocarse en ambos lados de la línea de señal clave de la placa de una sola capa. El plano de proyección de la línea de señal clave de la placa de doble capa debe tener un área grande de tierra, o se debe utilizar el mismo método de tratamiento que la placa de una sola capa para diseñar la "línea de tierra de guía", como se muestra en la figura siguiente. La "línea de tierra de guía" en ambos lados de la línea de señal clave puede reducir el área del bucle de señal por un lado, y prevenir la interferencia entre la línea de señal y otras líneas de señal por otro lado.

Consejos de diseño de PCB

Al diseñar el diseño de PCB, se debe cumplir completamente con el principio de diseño de colocar la señal en una línea recta y tratar de evitar ir y venir, como se muestra en la figura siguiente. Esto puede evitar el acoplamiento directo de señales y afectar la calidad de la señal. Además, para prevenir la interferencia mutua y el acoplamiento entre circuitos y componentes electrónicos, la colocación de circuitos y el diseño de componentes deben cumplir con los siguientes principios:

1. Si se diseña una "tierra limpia" de interfaz en la placa de una sola capa, los dispositivos de filtrado y aislamiento deben colocarse en la cinta de aislamiento entre la "tierra limpia" y la tierra de trabajo. Esto puede prevenir que los dispositivos de filtrado o aislamiento se acoplen entre sí a través de la capa de plano y debiliten el efecto. Además, no se pueden colocar otros dispositivos en la "tierra limpia" excepto dispositivos de filtrado y protección.

2. Cuando se colocan varios circuitos de módulos en la misma PCB, los circuitos digitales y analógicos, los circuitos de alta velocidad y los circuitos de baja velocidad deben diseñarse por separado para evitar la interferencia mutua entre los circuitos digitales, analógicos, de alta velocidad y de baja velocidad. Además, cuando hay circuitos de alta, media y baja velocidad en la placa de circuito al mismo tiempo, para evitar que el ruido de circuitos de alta frecuencia se radie hacia afuera a través de la interfaz, se deben seguir los principios de diseño de la figura siguiente.

3. El circuito de filtro de la entrada de alimentación de la placa de circuito debe colocarse cerca de la interfaz para prevenir que la línea filtrada se acople nuevamente.

4. Los componentes de filtrado, protección y aislamiento del circuito de interfaz deben colocarse cerca de la interfaz, como se muestra en la figura siguiente, lo que puede lograr efectivamente los efectos de protección, filtrado y aislamiento. Si hay circuitos de filtrado y protección en la interfaz, se debe seguir el principio de protección primero y filtrado después. Debido a que el circuito de protección se utiliza para suprimir la sobretensión y la sobrecorriente externas, si el circuito de protección se coloca después del circuito de filtrado, el circuito de filtrado será dañado por la sobretensión y la sobrecorriente. Además, como las líneas de entrada y salida del circuito debilitarán los efectos de filtrado, aislamiento o protección cuando se acoplen entre sí, es necesario asegurarse de que las líneas de entrada y salida del circuito de filtrado (filtro), aislamiento y protección no se acoplen entre sí durante el diseño.

5. Los circuitos o dispositivos sensibles (como los circuitos de reset, etc.) deben estar al menos a 1000 mil de los bordes de la placa, especialmente los bordes del lado de la interfaz de la placa.

6. Los condensadores de almacenamiento de energía y los condensadores de filtro de alta frecuencia deben colocarse cerca de los circuitos o dispositivos con cambios de corriente grandes (como las terminales de entrada y salida del módulo de alimentación, ventiladores y relés) para reducir el área del bucle de corriente grande.

7. Los componentes de filtro deben colocarse lado a lado para prevenir que el circuito filtrado se vea afectado nuevamente.

8. Los dispositivos de radiación fuerte como cristales, osciladores de cristal, relés, fuentes de alimentación conmutadas, etc. deben estar al menos a 1000 mil de la interfaz del conector de la placa. Esto puede radier interferencia directamente hacia afuera o acoplar corriente en el cable de salida para radier hacia afuera.

Reglas de diseño de PCB

Además de la selección de componentes y el diseño de circuitos, un buen diseño de PCB también es un factor muy importante en la compatibilidad electromagnética. Dado que la PCB es un componente inherente del sistema, mejorar la compatibilidad electromagnética en el diseño de PCB no agregará costos adicionales al producto final. Todos deben recordar que un mal diseño de PCB puede causar más problemas de compatibilidad electromagnética que eliminarlos. En muchos casos, incluso agregar filtros y componentes no puede resolver estos problemas. Al final, toda la placa debe ser reconectada.

Por lo tanto, es la forma más rentable de desarrollar buenos hábitos de diseño de PCB desde el principio. A continuación, se presentarán algunas reglas generales para el diseño de PCB y estrategias de diseño para líneas de alimentación, líneas de tierra y líneas de señal. Finalmente, basado en estas reglas, se proponen medidas de mejora para un circuito de placa de circuito impreso típico de un acondicionador de aire.

1. Separación de cableado

El papel de la separación de cableado es minimizar la interferencia y el acoplamiento de ruido entre líneas adyacentes en la misma capa de la PCB. La especificación 3W indica que todas las señales (reloj, video, audio, reset, etc.) deben estar aisladas de línea a línea y de borde a borde, como se muestra en la Figura 10. Para reducir aún más el acoplamiento magnético, coloque la tierra de referencia cerca de las señales clave para aislar el ruido de acoplamiento generado por otras líneas de señal.

2. Líneas de protección y derivación

Establecer líneas de derivación y protección es una forma muy efectiva de aislar y proteger señales de referencia críticas, como las señales de reloj del sistema en un entorno ruidoso. En la figura siguiente, las líneas paralelas o de protección en la PCB se colocan a lo largo de las líneas de señal de referencia críticas. La línea de protección no solo aísla el flujo de acoplamiento generado por otras líneas de señal, sino que también aísla la señal de referencia de la interferencia con otras líneas de señal. La diferencia entre la línea de derivación y la línea de protección es que la línea de derivación no tiene que estar conectada (conectada a tierra), pero ambos extremos de la línea de protección deben estar conectados a tierra. Para reducir aún más el acoplamiento, la línea de protección en la PCB multilayer puede agregarse con un camino a tierra en cada sección.

3. Diseño de línea de alimentación

Según la corriente de la placa de circuito, el ancho de la línea de alimentación debe aumentarse lo más posible para reducir la resistencia del bucle. Al mismo tiempo, la dirección de la línea de alimentación y la línea de tierra debe ser consistente con la dirección de transmisión de datos, lo que ayudará a mejorar la capacidad de anti-ruido. En una placa de una sola capa o doble capa, si la línea de alimentación es muy larga, se debe agregar un condensador de desacoplamiento a tierra cada 3000 mil, y el valor de capacitancia debe ser 10uF + 1000pF.

4. Diseño de línea de tierra

Los principios de diseño de la línea de tierra son:

(1) La tierra digital y la tierra analógica están separadas. Si hay circuitos lógicos y circuitos lineales en la placa de circuito, deben estar separados lo más posible. La tierra del circuito de baja frecuencia debe conectarse a tierra en un solo punto lo más posible. Si el cableado real es difícil, se puede conectar en serie y luego en paralelo. Los circuitos de alta frecuencia deben adoptar un enrutamiento de tierra en serie múltiple. La línea de tierra debe ser corta y suelta, y se debe utilizar una gran área de folio de tierra en forma de rejilla alrededor de los componentes de alta frecuencia lo más posible.

(2) La línea de tierra debe ser lo más gruesa posible. Si la línea de tierra es una línea muy delgada, el potencial de tierra cambia con el cambio de corriente, lo que reduce la capacidad de anti-ruido. Por lo tanto, la línea de tierra debe ensancharse para que pueda pasar tres veces la corriente permitida en la placa de circuito. Si es posible, la línea de tierra debe ser más de 2~3 mm.
(3) La línea de tierra forma un bucle cerrado. Para las placas de circuito compuestas solo por circuitos digitales, el circuito de tierra generalmente se organiza en un bucle de grupo para mejorar la resistencia al ruido.

5. Diseño de línea de señal

Para las líneas de señal clave, si la placa única tiene una capa de enrutamiento de señal interna, las líneas de señal clave, como el reloj, se organizan en la capa interna y se le da prioridad a la capa de enrutamiento preferida. Además, las líneas de señal clave no se deben enrutar a través del área de partición, incluido el espacio del plano de referencia causado por las vías y los pads, de lo contrario conducirá a un aumento en el área del bucle de señal. Además, la línea de señal clave debe estar a ≥3H del borde del plano de referencia (H es la altura de la línea desde el plano de referencia) para suprimir el efecto de radiación del borde.

Para líneas de señales de radiación fuerte, como líneas de reloj, buses y líneas de RF, y líneas de señales sensibles, como líneas de señales de reinicio, líneas de señales de selección de chip y señales de control del sistema, se deben mantener alejadas de las líneas de señales de salida de la interfaz. Esto evita que las interferencias en las líneas de señales de radiación fuerte se acoplen a las líneas de señales salientes y se irradien hacia el exterior; También evita que las interferencias externas introducidas por las líneas de señal salientes de la interfaz se acoplen a las líneas de señal sensibles, lo que provoca un mal funcionamiento del sistema.

Las líneas de señal diferencial deben enrutarse en la misma capa, con la misma longitud y en paralelo, con una impedancia constante y sin ningún otro enrutamiento entre líneas diferenciales. Porque garantizar que la impedancia de modo común del par de líneas diferenciales sea igual puede mejorar su capacidad antiinterferente.

De acuerdo con las reglas de cableado anteriores, el circuito impreso típico del aire acondicionado se mejora y optimiza, como se muestra en la siguiente figura.

En general, la mejora de EMC mediante el diseño de PCB es: antes del cableado, primero se estudia el diseño de la ruta de retorno, lo que le brindará la mejor posibilidad de éxito y lograr el objetivo de reducir la radiación EMI. Además, antes de realizar el cableado real, cambiar la capa de cableado no cuesta dinero, lo cual es la forma más económica de mejorar la compatibilidad electromagnética.