В дополнение к выбору компонентов и проектированию схем, хорошее проектирование печатной платы (ПП) также является очень важным фактором в электромагнитной совместимости.

Ключ к проектированию ПП с учетом электромагнитной совместимости (ЭМС) заключается в минимизации площади контура и направлении потока тока по заданному пути. Наиболее распространенные проблемы с током контура возникают из-за трещин в плоскости опорного потенциала, изменения слоя плоскости опорного потенциала и сигналов, проходящих через разъем. Конденсаторы или фильтрующие конденсаторы могут решить некоторые проблемы, но необходимо учитывать общее импеданс конденсаторов, виас, падов и проводки.

Эта лекция будет вводить технологию проектирования ПП с учетом ЭМС с трех аспектов: стратегии слоев ПП, методы расположения и правила проводки.

Стратегия слоев ПП

При проектировании платы, толщина, процесс создания виас и количество слоев платы не являются ключом к решению проблемы. Хорошая расстановка слоев является ключом к обеспечению обхода и декуплирования шины питания, минимизации транзиторных напряжений на слое питания или земле, и экранирования электромагнитного поля сигнала и питания.

С точки зрения маршрутизации сигнала, хорошая стратегия слоев должна заключаться в том, чтобы размещать все сигнальные маршруты в одном или нескольких слоях, близких к слою питания или земле. Для питания хорошая стратегия слоев должна заключаться в том, что слой питания находится рядом со слоем земли, и расстояние между слоем питания и землей минимально. Это то, что мы называем "стратегией слоев". Давайте подробнее расскажем о хорошей стратегии слоев ПП.

1. Проекционная плоскость слоя проводки должна находиться внутри области плоскости опорного потенциала. Если слой проводки не находится внутри проекционной области плоскости опорного потенциала, будут возникать сигнальные линии вне проекционной области при проводке, что приведет к проблемам "излучения края" и увеличит площадь контура сигнала, что приведет к увеличению радиации в дифференциальном режиме.
2. Постарайтесь избегать соседних слоев проводки. Потому что параллельные сигнальные следы на соседних слоях проводки будут вызывать помехи между сигналами, если невозможно избежать соседних слоев проводки, расстояние между двумя слоями проводки должно быть соответствующим образом увеличено, и расстояние между слоем проводки и контуром сигнала должно быть уменьшено.
3. Смежные плоскости должны избегать перекрытия проекционных плоскостей. Потому что при перекрытии проекций емкостная связь между слоями будет вызывать связь шума между слоями.

Проектирование многослойной платы

Когда частота тактового сигнала превышает 5 МГц, или время подъема сигнала меньше 5 нс, для контроля площади контура сигнала обычно требуется многослойное проектирование платы. При проектировании многослойной платы следует учитывать следующие принципы:

1. Ключевой слой проводки (тактовая линия, шина, линия сигнала интерфейса, линия РФ, линия сигнала сброса, линия сигнала выбора чипа и различные линии управления) должен быть смежным с полной плоскостью земли, желательно между двумя плоскостями земли, как показано на рисунке ниже. Ключевые сигнальные линии обычно являются сильными источниками излучения или очень чувствительными сигналами. Маршрутизация близко к плоскости земли может уменьшить площадь контура сигнала, уменьшить его интенсивность излучения или улучшить его помехоустойчивость.

2. Плоскость питания должна быть отодвинута относительно смежной плоскости земли (рекомендуемое значение 5H до 20H). Отодвигая плоскость питания относительно плоскости опорного потенциала, можно эффективно подавить проблему "излучения края", как показано на следующем рисунке.

Кроме того, основная рабочая плоскость питания платы (самая широко используемая плоскость питания) должна быть близка к своей плоскости земли, чтобы эффективно уменьшить площадь контура тока питания, как показано на следующем рисунке.

3. Есть ли сигнальные линии ≥50МГц на верхних и нижних слоях односторонней платы? Если да, то лучше всего проложить высокочастотный сигнал между двумя плоскостями, чтобы подавить его излучение в пространство.

Проектирование односторонней и двусторонней платы

При проектировании односторонних и двусторонних плат необходимо обращать внимание на проектирование ключевых сигнальных линий и линий питания. Должна быть линия земли, смежная и параллельная линии питания, чтобы уменьшить площадь контура тока питания.

"Руководящая линия земли" должна быть проложена на обеих сторонах ключевой сигнальной линии односторонней платы. Проекционная плоскость ключевой сигнальной линии двусторонней платы должна иметь большую площадь земли или использовать тот же метод обработки, что и односторонняя плата, для проектирования "Руководящей линии земли", как показано на рисунке ниже. "Руководящая линия земли" на обеих сторонах ключевой сигнальной линии может уменьшить площадь контура сигнала с одной стороны и предотвратить помехи между сигнальной линией и другими сигнальными линиями с другой стороны.

Советы по расположению ПП

При проектировании расположения ПП необходимо полностью соблюдать принцип размещения сигнала по прямой и постараться избегать обратного хода, как показано на рисунке ниже. Это может предотвратить прямую связь сигналов и повлиять на качество сигнала. Кроме того, для предотвращения взаимных помех и связи между контурами и электронными компонентами, размещение контуров и расположение компонентов должно соответствовать следующим принципам:

1. Если на односторонней плате спроектирована "чистая земля" интерфейса, фильтрующие и изолирующие устройства должны быть размещены на изолирующей полосе между "чистой землей" и рабочей землей. Это может предотвратить связь фильтрующих или изолирующих устройств с nhau через слой плоскости и ослабить эффект. Кроме того, на "чистой земле" не могут быть размещены другие устройства, кроме фильтрующих и защитных устройств.

2. Когда на одной и той же ПП размещены несколько модульных контуров, цифровые контуры и аналоговые контуры, контуры с высокой скоростью и низкой скоростью должны быть размещены отдельно, чтобы предотвратить взаимные помехи между цифровыми контурами, аналоговыми контурами, контурами с высокой скоростью и низкой скоростью. Кроме того, когда на плате имеются контуры с высокой, средней и низкой скоростью, для предотвращения излучения шума высокочастотных контуров через интерфейс, должны быть соблюдены принципы расположения, показанные на рисунке ниже.

3. Фильтрующий контур входного порта питания платы должен быть размещен близко к интерфейсу, чтобы предотвратить связь фильтрованной линии с другим контуром.

4. Фильтрующие, защитные и изолирующие компоненты контура интерфейса должны быть размещены близко к интерфейсу, как показано на рисунке ниже, что может эффективно достичь защитных, фильтрующих и изолирующих эффектов. Если имеются как фильтрующие, так и защитные контуры на интерфейсе, должно быть соблюдено правило "защита сначала, фильтрация позже". Потому что защитный контур используется для подавления внешних перенапряжений и перетоков, если защитный контур размещен после фильтрующего контура, фильтрующий контур будет поврежден внешними перенапряжениями и перетоками. Кроме того, поскольку входные и выходные линии контура будут ослаблять фильтрующие, изолирующие или защитные эффекты, когда они связаны с nhau, необходимо обеспечить, чтобы входные и выходные линии фильтрующего контура (фильтр), изолирующего и защитного контура не были связаны с nhau при расположении.

5. Чувствительные контуры или устройства (например, контуры сброса и т. д.) должны быть на расстоянии не менее 1000 мил от краев платы, особенно от краев на стороне интерфейса платы.

6. Конденсаторы energia и высокочастотные фильтрующие конденсаторы должны быть размещены близко к блокам или устройствам с большими изменениями тока (например, входными и выходными терминалами модуля питания, вентиляторами и реле), чтобы уменьшить площадь контура большого тока.

7. Фильтрующие компоненты должны быть размещены рядом друг с другом, чтобы предотвратить связь фильтрованного контура с другим контуром.

8. Устройства с сильным излучением, такие как кристаллы, кристаллические генераторы, реле, коммутационные источники питания и т. д., должны быть на расстоянии не менее 1000 мил от разъема интерфейса платы. Это может излучать помехи напрямую или связывать ток на исходящем кабеле и излучать наружу.

Правила расположения ПП

Помимо выбора компонентов и проектирования схем, хорошее расположение печатной платы (ПП) также является очень важным фактором в электромагнитной совместимости. Поскольку ПП является неотъемлемой частью системы, повышение электромагнитной совместимости в расположении ПП не принесет дополнительных затрат на конечный продукт. Все должны помнить, что плохое расположение ПП может вызвать больше проблем электромагнитной совместимости, чем решить их. Во многих случаях даже добавление фильтров и компонентов не может решить эти проблемы. В конце концов, всю плату приходится перепроводить.

Следовательно, это самый экономически эффективный способ развить хорошие привычки расположения ПП с самого начала. Ниже будут представлены некоторые общие правила расположения ПП и стратегии проектирования для линий питания, линий земли и сигнальных линий. Наконец, на основе этих правил будут предложены меры по улучшению типичного печатного контура платы кондиционера.

1. Разделение проводки

Роль разделения проводки заключается в минимизации помех и связей шума между смежными линиями на одном и том же слое ПП. Спецификация 3W указывает, что все сигналы (тактовый сигнал, видео, аудио, сигнал сброса и т. д.) должны быть изолированы от линии к линии и от края к краю, как показано на рисунке 10. Чтобы еще больше уменьшить магнитную связь, необходимо разместить опорную землю рядом с ключевыми сигналами, чтобы изолировать связанный шум, генерируемый другими сигнальными линиями.

2. Защитные и шунтирующие линии

Создание шунтирующих и защитных линий является очень эффективным способом изоляции и защиты критических сигналов, таких как системные тактовые сигналы в шумной среде. На рисунке ниже параллельные или защитные линии на ПП проложены вдоль критических сигнальных линий. Защитная линия не только изолирует связанный поток, генерируемый другими сигнальными линиями, но и изолирует критический сигнал от связи с другими сигнальными линиями. Разница между шунтирующей линией и защитной линией заключается в том, что шунтирующая линия не должна быть завершена (подключена к земле), но оба конца защитной линии должны быть подключены к земле. Чтобы еще больше уменьшить связь, защитная линия в многослойной ПП может быть дополнена путем подключения к земле на каждом последующем участке.

3. Проектирование линии питания

Согласно току печатной платы, ширина линии питания должна быть увеличена как можно больше, чтобы уменьшить сопротивление контура. В то же время направление линии питания и линии земли должно быть согласовано с направлением передачи данных, что поможет повысить помехоустойчивость. В односторонней или двусторонней плате, если линия питания очень длинная, должен быть добавлен декуплирующий конденсатор до земли каждые 3000 мил, и значение емкости должно быть 10 мкФ + 1000 пФ.

4. Проектирование линии земли

Принципы проектирования линии земли следующие:

(1) Цифровая земля и аналоговая земля разделяются. Если на плате имеются как логические контуры, так и линейные контуры, они должны быть разделены как можно больше. Земля низкочастотного контура должна быть подключена к земле в одной точке как можно больше. Если фактическая проводка сложна, можно подключить последовательно, а затем параллельно. Высокочастотные контуры должны использовать многоточечное последовательное заземление. Линия земли должна быть короткой и свободной, и вокруг высокочастотных компонентов должна быть использована большая площадь сетчатой земли как можно больше.

(2) Линия земли должна быть как можно толще. Если линия земли является очень тонкой линией, потенциал земли меняется с изменением тока, что снижает помехоустойчивость. Следовательно, линия земли должна быть утолщена, чтобы она могла проходить три раза допустимый ток на печатной плате. Если возможно, линия земли должна быть более 2~3 мм.
(3) Линия земли образует замкнутый контур. Для печатных плат, состоящих только из цифровых контуров, контур земли обычно располагается в групповом контуре, чтобы улучшить помехоустойчивость.

5. Проектирование сигнальной линии

Что касается ключевых сигнальных линий, то если на одной плате имеется внутренний слой маршрутизации сигналов, ключевые сигнальные линии, такие как тактовые, располагаются во внутреннем слое, а приоритет отдается предпочтительному слою маршрутизации. Кроме того, ключевые сигнальные линии не должны проходить через область раздела, включая зазор опорной плоскости, образованный переходными отверстиями и контактными площадками, в противном случае это приведет к увеличению площади сигнального контура. Кроме того, линия ключевого сигнала должна находиться на расстоянии ≥3H от края опорной плоскости (H — высота линии от опорной плоскости) для подавления эффекта краевого излучения.

Линии сигналов с сильным излучением, такие как линии синхронизации, шины и радиочастотные линии, а также чувствительные сигнальные линии, такие как линии сигналов сброса, линии сигналов выбора микросхемы и сигналы управления системой, следует располагать вдали от исходящих сигнальных линий интерфейса. Это предотвращает помехи на линиях сигнала с сильным излучением, которые могут влиять на исходящие сигнальные линии и излучаться наружу; он также предотвращает возникновение внешних помех, вносимых выходными сигнальными линиями интерфейса, из-за их взаимодействия с чувствительными сигнальными линиями, что может привести к неправильной работе системы.

Линии дифференциального сигнала должны быть проложены в одном слое, иметь одинаковую длину, параллельно, с постоянным импедансом, без какой-либо другой трассировки между дифференциальными линиями. Потому что обеспечение одинакового синфазного сопротивления дифференциальной линейной пары может улучшить ее помехоустойчивость.

В соответствии с вышеизложенными правилами электромонтажа типовая схема печатной платы кондиционера улучшена и оптимизирована, как показано на рисунке ниже.

В целом, улучшение ЭМС за счет проектирования печатной платы заключается в следующем: перед разводкой сначала изучается конструкция обратного пути, что даст вам наилучшие шансы на успех и достижение цели по снижению электромагнитного излучения. Более того, до того, как будет выполнена фактическая прокладка проводов, замена слоя проводки не требует никаких затрат, что является самым дешевым способом улучшения ЭМС. Кроме того, ключевые