Поймите взаимосвязь между компоновкой и печатной платой в одной статье

Из-за коммутационных характеристик импульсных источников питания импульсные источники питания склонны создавать большие помехи электромагнитной совместимости. Как инженер-энергетик, инженер по электромагнитной совместимости или инженер по разводке печатных плат, вы должны понимать причины и решения проблем электромагнитной совместимости. В частности, инженеры по разводке должны понимать, как избежать расширения грязных пятен. В этой статье в основном представлены ключевые моменты проектирования силовых печатных плат.

29 основных взаимосвязей между разводкой и печатной платой

1. Несколько основных принципов: любой провод имеет импеданс; ток всегда автоматически выбирает путь с наименьшим импедансом; интенсивность излучения связана с током, частотой и площадью контура; синфазные помехи связаны с взаимной емкостью больших сигналов dv/dt на землю; принципы снижения ЭМП и повышения возможностей защиты от помех аналогичны.

2. Разводка должна быть разделена в соответствии с блоками питания, аналоговыми, высокоскоростными цифровыми и различными функциональными блоками.

3. Постарайтесь уменьшить площадь больших контуров di/dt, уменьшите длину больших сигнальных линий dv/dt (или площадь, ширина не должна быть слишком большой, увеличение площади трассировки увеличивает распределенную емкость, общая практика такова: ширина трассировки должна быть как можно больше, но лишняя часть должна быть удалена), и попытайтесь пойти прямо, чтобы уменьшить ее неявную окружающую область, чтобы уменьшить излучение.

4. Индуктивные перекрестные помехи в основном вызваны большими контурами di/dt (рамочными антеннами), а сила индукции пропорциональна взаимной индуктивности, поэтому критически важно уменьшить взаимную индуктивность с этими сигналами (основной способ - уменьшить площадь контура и увеличить расстояние); Емкостные перекрестные помехи в основном генерируются большими сигналами dv/dt, а сила индукции пропорциональна взаимной емкости, поэтому критически важно уменьшить взаимную емкость с этими сигналами (основной способ — уменьшить эффективную площадь связи и увеличить расстояние, а взаимная емкость уменьшается быстрее с увеличением расстояния).

5. Попробуйте использовать принцип компенсации петли для маршрутизации и дополнительно уменьшить площадь большой петли di/dt, как показано на рисунке ниже (аналогично витой паре, использующей принцип компенсации петли для улучшения помехоустойчивости и увеличения дальности передачи):

6. Уменьшение площади петли не только уменьшает излучение, но и снижает индуктивность петли, улучшая работу схемы.

7. Уменьшение площади контура требует от нас точного проектирования обратного пути каждой линии.

8. Когда несколько печатных плат подключены через разъемы, также необходимо рассмотреть возможность минимизации площади контура, особенно для больших сигналов di/dt, высокочастотных сигналов или чувствительных сигналов. Лучше всего иметь одну сигнальную линию, соответствующую одной линии заземления, и две линии должны быть максимально близко. При необходимости их можно соединить с помощью витой пары (длина каждого витка витой пары соответствует целому кратному полуволны шума). Если вы откроете корпус компьютера, вы увидите, что материнская плата к интерфейсу USB на передней панели подключена с помощью витой пары, что показывает важность подключения витой пары для защиты от помех и снижения излучения.

9. Для проводки данных попробуйте разместить больше заземляющих проводов в проводке и равномерно распределить эти заземляющие провода в проводке, чтобы эффективно уменьшить площадь контура.

10. Хотя некоторые линии межплатных соединений являются низкочастотными сигналами, поскольку эти низкочастотные сигналы содержат много высокочастотного шума (через проводимость и излучение), если с ними не обращаться должным образом, эти шумы также легко излучать.

11. При прокладке проводов сначала рассмотрите сильноточную трассировку и трассировку, склонную к излучению.

12. Импульсные источники питания обычно имеют 4 токовых контура: вход, выход, переключатель и свободный ход (как показано на рисунке 2). Среди них входной и выходной токовые контуры почти являются постоянными, и почти не генерируются электромагнитные помехи, но они легко подвергаются помехам; переключающие и свободные токовые контуры имеют большой di/dt, что требует внимания.

13. Схема управления затвором МОП-транзисторов (IGBT) обычно также содержит большой di/dt.

14. Не размещайте небольшие сигнальные контуры, такие как управляющие и аналоговые схемы, внутри больших токовых, высокочастотных и высоковольтных контуров, чтобы избежать помех.

15. Уменьшите площадь и длину сигнального контура, который восприимчив к помехам (чувствительный), чтобы уменьшить помехи.

16. Держите небольшие сигнальные линии подальше от больших сигнальных линий dv/dt (таких как полюс C или полюс D переключающей трубки, демпфер и сеть зажимов), чтобы уменьшить связь. Вы можете проложить заземление (или источник питания, в любом случае, это постоянный pпотенциальный сигнал) в середине для дальнейшего уменьшения связи. Земля и заземляющая плоскость должны быть в хорошем контакте. Малые сигнальные линии также должны быть максимально удалены от больших сигнальных линий di/dt для предотвращения индуктивных перекрестных помех. Лучше не прокладывать малые сигнальные линии под большими сигналами dv/dt. Если задняя часть малой сигнальной линии может быть проложена с землей (той же землей), это также может уменьшить шумовой сигнал, связанный с ней.

17. Лучшим подходом является прокладка земли вокруг и на задней части этих больших сигнальных дорожек dv/dt и di/dt (включая полюса C/D коммутационного устройства и радиатор коммутационной трубки), соединение верхнего и нижнего слоев земли с помощью переходных отверстий и подключение этой земли к общей точке заземления (обычно полюс E/S коммутационной трубки или резистора выборки) с помощью дорожки с низким импедансом. Это может уменьшить излучаемые электромагнитные помехи. Следует отметить, что заземление малого сигнала не должно быть подключено к этому экранированному заземлению, в противном случае оно будет вносить большие помехи. Большие дорожки dv/dt обычно связывают помехи с радиатором и близлежащей землей через взаимную емкость. Лучше всего соединить радиатор трубки переключателя с экранированным заземлением. Использование поверхностных коммутационных устройств также уменьшит взаимную емкость, тем самым уменьшая связь.

18. Лучше не использовать переходные отверстия для дорожек, которые подвержены помехам, так как они будут мешать всем слоям, проходящим через переходные отверстия.

19. Экранирование может уменьшить излучаемые ЭМП, но из-за увеличенной емкости на землю кондуктивные ЭМП (синфазный режим или несобственный дифференциальный режим) увеличатся. Однако, пока экранирующий слой правильно заземлен, они не увеличатся сильно. Их можно взвесить в фактической конструкции.

20. Чтобы предотвратить помехи от общего импеданса, используйте одноточечное заземление и ведите питание из одной точки.

21. Импульсные источники питания обычно имеют три типа заземления: входное сильноточное заземление источника питания, выходное сильноточное заземление источника питания и слаботочное управляющее заземление сигнала. Метод подключения заземления показан на следующей схеме:

22. При заземлении следует сначала определить тип заземления перед подключением. Заземление выборки и усиления ошибки обычно должно быть подключено к отрицательному полюсу выходного конденсатора, сигнал выборки обычно должен быть взят с положительного полюса выходного конденсатора, а слаботочное управляющее заземление сигнала и управляющее заземление обычно должны быть подключены к полюсу E/S трубки переключателя или резистора выборки для предотвращения помех общего импеданса. Обычно управляющее заземление и управляющее заземление ИС не выводятся отдельно. В это время импеданс вывода от резистора выборки до вышележащей земли должен быть как можно меньше, чтобы минимизировать помехи общего импеданса и повысить точность выборки тока.

23. Сеть выборки выходного напряжения лучше располагать ближе к усилителю ошибки, чем к выходному концу. Это связано с тем, что сигналы с низким импедансом менее восприимчивы к помехам, чем сигналы с высоким импедансом. Пары выборочных дорожек должны располагаться как можно ближе друг к другу, чтобы уменьшить улавливаемый шум.

24. Обратите внимание, что индукторы должны располагаться на расстоянии друг от друга и перпендикулярно друг другу в макете, чтобы уменьшить взаимную индуктивность, особенно индукторы накопления энергии и индукторы фильтра.

25. Обратите внимание, что при параллельном использовании высокочастотных и низкочастотных конденсаторов высокочастотные конденсаторы должны располагаться близко к пользователю.

26. Низкочастотные помехи обычно являются дифференциальными (ниже 1 МОм), а высокочастотные помехи обычно являются синфазными, обычно через радиационную связь.

27. Если высокочастотный сигнал связан с входным проводом, легко сформировать ЭМП (синфазный режим). Магнитное кольцо можно разместить рядом с источником питания входного провода. Если ЭМП уменьшается, это указывает на то, что эта проблема существует. Решение этой проблемы заключается в уменьшении связи или уменьшении ЭМП схемы. Если высокочастотный шум не отфильтровывается и передается на входной провод, ЭМП (дифференциальный режим) также будет сформирован. В этом случае магнитное кольцо не может решить проблему. Два высокочастотных индуктора (симметричных) соединены последовательно рядом с источником питания входного провода. Если ЭМП уменьшается, это указывает на то, что эта проблема существует. Решение этой проблемы заключается в улучшении фильтрации или использовании буферизации, зажима и других средств для уменьшения генерации высокочастотного шума.

28. Измерение дифференциального режима и синфазного тока:

29. Фильтр ЭМИ должен располагаться как можно ближе к входящей линии, а входящая линия должна быть как можно короче, чтобы минимизировать связь между передним и задним каскадами фильтра ЭМИ. Лучше всегоt для экранирования входящей линии с помощью заземления шасси (метод описан выше). Выходной фильтр ЭМП также следует обрабатывать аналогичным образом. Постарайтесь сохранить расстояние между входящей линией и линией сигнала высокого dv/dt как можно большим и учтите это при компоновке.