Trong thiết kế PCB, khả năng tương thích điện từ (EMC) và nhiễu điện từ liên quan (EMI) theo truyền thống là hai vấn đề khiến các kỹ sư đau đầu, đặc biệt là trong các thiết kế bảng mạch và gói linh kiện ngày nay tiếp tục bị thu hẹp, các OEM yêu cầu hệ thống tốc độ cao hơn.Trong bài viết này, tôi sẽ chia sẻ cách tránh các sự cố điện từ trong thiết kế PCB.
1. Nhiễu xuyên âm và căn chỉnh là trọng tâm
Căn chỉnh là đặc biệt quan trọng để đảm bảo dòng điện thích hợp.Nếu dòng điện đến từ một bộ dao động hoặc thiết bị tương tự khác, điều đặc biệt quan trọng là phải giữ dòng điện tách biệt khỏi lớp đất hoặc giữ cho dòng điện không chạy song song với một hướng thẳng hàng khác.Hai tín hiệu tốc độ cao song song có thể tạo ra EMC và EMI, đặc biệt là nhiễu xuyên âm.Điều quan trọng là giữ cho đường dẫn điện trở càng ngắn càng tốt và đường dẫn dòng điện trở về càng ngắn càng tốt.Độ dài của đường trở về phải bằng độ dài của đường truyền.
Đối với EMI, một đường dẫn được gọi là “đường dẫn vi phạm” và đường còn lại là “đường dẫn nạn nhân”.Sự ghép điện cảm và điện dung ảnh hưởng đến đường “nạn nhân” do sự hiện diện của trường điện từ, do đó tạo ra dòng điện thuận và ngược trên “đường nạn nhân”.Bằng cách này, gợn sóng được tạo ra trong một môi trường ổn định trong đó độ dài truyền và nhận của tín hiệu gần như bằng nhau.
Trong một môi trường cân bằng tốt với sự sắp xếp ổn định, các dòng điện cảm ứng sẽ triệt tiêu lẫn nhau, do đó loại bỏ nhiễu xuyên âm.Tuy nhiên, chúng ta đang ở trong một thế giới không hoàn hảo, nơi điều đó không xảy ra.Vì vậy, mục tiêu của chúng tôi là nhiễu xuyên âm phải được giữ ở mức tối thiểu cho tất cả các sắp xếp.Ảnh hưởng của nhiễu xuyên âm có thể được giảm thiểu nếu chiều rộng giữa các đường song song gấp đôi chiều rộng của đường dây.Ví dụ: nếu chiều rộng của đường là 5 mils thì khoảng cách tối thiểu giữa hai đường thẳng song song phải là 10 mils hoặc lớn hơn.
Khi các vật liệu và thành phần mới tiếp tục xuất hiện, các nhà thiết kế PCB cũng phải tiếp tục giải quyết các vấn đề về EMC và nhiễu.
2. Tách tụ điện
Tụ tách rời làm giảm tác dụng không mong muốn của nhiễu xuyên âm.Chúng phải được đặt giữa chân nguồn và chân nối đất của thiết bị để đảm bảo trở kháng AC thấp, đồng thời giảm tiếng ồn và nhiễu xuyên âm.Để đạt được trở kháng thấp trên dải tần rộng, nên sử dụng nhiều tụ tách rời.
Một nguyên tắc quan trọng khi đặt tụ điện tách là tụ điện có giá trị điện dung thấp nhất được đặt càng gần thiết bị càng tốt để giảm hiệu ứng cảm ứng lên cách sắp xếp.Tụ điện cụ thể này phải được đặt càng gần càng tốt với các chân cấp nguồn của thiết bị hoặc đường dẫn nguồn điện và các miếng đệm của tụ điện phải được kết nối trực tiếp với vias hoặc mặt đất.Nếu căn chỉnh dài, hãy sử dụng nhiều vias để giảm thiểu trở kháng mặt đất.
3. Nối đất PCB
Một cách quan trọng để giảm EMI là thiết kế lớp nối đất PCB.Bước đầu tiên là làm cho diện tích nối đất càng lớn càng tốt trong tổng diện tích của bo mạch PCB để có thể giảm lượng khí thải, nhiễu xuyên âm và tiếng ồn.Phải đặc biệt cẩn thận khi kết nối từng bộ phận với điểm nối đất hoặc lớp nối đất, nếu không có điều đó thì không thể sử dụng hết tác dụng trung hòa của lớp nối đất đáng tin cậy.
Một thiết kế PCB đặc biệt phức tạp có một số điện áp ổn định.Lý tưởng nhất là mỗi điện áp tham chiếu có lớp nối đất tương ứng riêng.Tuy nhiên, quá nhiều lớp nối đất sẽ làm tăng chi phí sản xuất PCB và khiến nó trở nên quá đắt đỏ.Một giải pháp thỏa hiệp là sử dụng các lớp nối đất ở ba đến năm vị trí khác nhau, mỗi lớp có thể chứa một số phần nối đất.Điều này không chỉ kiểm soát chi phí sản xuất bo mạch mà còn giảm EMI và EMC.
Hệ thống nối đất trở kháng thấp rất quan trọng nếu muốn giảm thiểu EMC.Trong PCB nhiều lớp, tốt nhất nên có lớp nối đất đáng tin cậy hơn là khối cân bằng đồng (ăn trộm đồng) hoặc lớp nối đất rải rác vì nó có trở kháng thấp, cung cấp đường dẫn dòng điện và là nguồn tín hiệu ngược tốt nhất.
Khoảng thời gian tín hiệu cần để quay trở lại mặt đất cũng rất quan trọng.Thời gian để tín hiệu truyền đến và đi từ nguồn phải tương đương nhau, nếu không sẽ xảy ra hiện tượng giống như ăng-ten, khiến năng lượng bức xạ trở thành một phần của EMI.Tương tự, việc căn chỉnh dòng điện đến/từ nguồn tín hiệu phải càng ngắn càng tốt, nếu đường dẫn nguồn và đường phản hồi không có độ dài bằng nhau thì hiện tượng dội đất sẽ xảy ra và điều này cũng sẽ tạo ra EMI.
4. Tránh góc 90°
Để giảm EMI, nên tránh căn chỉnh, vias và các thành phần khác để tạo thành góc 90°, vì góc vuông sẽ tạo ra bức xạ.Để tránh góc 90°, việc căn chỉnh ít nhất hai dây góc 45° vào góc.
5. Việc sử dụng lỗ quá mức cần phải cẩn thận
Trong hầu hết các bố cục PCB, vias phải được sử dụng để cung cấp kết nối dẫn điện giữa các lớp khác nhau.Trong một số trường hợp, chúng cũng tạo ra phản xạ, do trở kháng đặc tính thay đổi khi các vias được tạo ra trong quá trình căn chỉnh.
Điều quan trọng cần nhớ là vias làm tăng độ dài của căn chỉnh và cần phải khớp.Trong trường hợp sắp xếp vi sai, nên tránh vias nếu có thể.Nếu điều này không thể tránh được, nên sử dụng vias trong cả hai cách sắp xếp để bù đắp cho độ trễ trong đường dẫn tín hiệu và đường quay lại.
6. Cáp và tấm chắn vật lý
Cáp mang mạch kỹ thuật số và dòng điện tương tự có thể tạo ra điện dung và điện cảm ký sinh, gây ra nhiều vấn đề liên quan đến EMC.Nếu sử dụng cáp xoắn đôi, mức độ ghép nối thấp sẽ được duy trì và từ trường sinh ra sẽ bị loại bỏ.Đối với tín hiệu tần số cao, phải sử dụng cáp có vỏ bọc, cả mặt trước và mặt sau đều được nối đất để loại bỏ nhiễu EMI.
Che chắn vật lý là việc bọc toàn bộ hoặc một phần hệ thống trong một gói kim loại để ngăn EMI xâm nhập vào mạch PCB.Lớp che chắn này hoạt động giống như một tụ điện kín, dẫn điện trên mặt đất, làm giảm kích thước của vòng ăng-ten và hấp thụ EMI.
Thời gian đăng: 23-11-2022