PCB može funkcionirati savršeno tijekom razvoja, ali ne proći EMC testiranje zbog prekomjerne elektromagnetske interferencije (EMI). Kada se to dogodi, mnogi inženjeri odmah pokušavaju dodati feritne kuglice, kondenzatore, zaštitnu traku ili modificirati kućište. Ponekad ti popravci uspiju, ali često ne uspiju-jer glavni uzrok leži u samom dizajnu PCB-a.

U većini digitalnih sustava, EMI problemi mogu se povezati s tri temeljna čimbenika:

• Satni signali
• Harmonijske komponente
• Povratne trenutne staze

Razumijevanje ova tri elementa rano u procesu dizajna može značajno poboljšati vaše šanse za prolazak EMC testiranja bez skupih redizajna.

Zašto su signali sata primarni izvor EMI-ja

Signali sata su po prirodi periodični, što znači da je njihova energija koncentrirana na određenim frekvencijama, a ne nasumično raspoređena.

U isto vrijeme, linije sata obično imaju:

• Brzo rastući i silazni rubovi
• Jaka sposobnost vožnje
• Kontinuirana aktivnost prebacivanja

Zajedno, ove karakteristike čine tragove sata jednim od najjačih izvora elektromagnetskog zračenja na PCB-u.

Zamislite signal sata kao kontinuirani prijenosnik energije. Ako je njegov povratni put loše dizajniran ili trag postane električki dug, lako se može ponašati kao antena.

Frekvencija takta nije cijela priča-Harmonici su važniji

Mnogi inženjeri pretpostavljaju da EMI problemi potječu od osnovne frekvencije sata. U stvarnosti su često odgovorni-harmonici višeg reda.

Na primjer:

• Frekvencija sata:100 MHz
• Kvar EMI-ja može se pojaviti na:
  • 300 MHz
  • 500 MHz
  • ili čak višim frekvencijama

Idealan kvadratni val sadrži beskonačno neparne harmonike (3., 5., 7. itd.). Iako stvarni signali nisu savršeni kvadratni valovi, oni ipak generiraju značajnu harmonijsku energiju koja pridonosi EMI emisijama.

Uobičajeni problemi s usmjeravanjem sata

Loše usmjeravanje takta može lako transformirati trag signala u učinkovit radijator.

Tipične pogreške uključuju:

Prekomjerna duljina traga

Što je duljina takta, to je jači njegov učinak antene. Zračenje postaje posebno značajno kada se trag približi jednoj-četvrtini valne duljine signala.

Nepotpuna referenca tla

Ako trag sata prelazi ravninu razdvajanja ili mijenja slojeve bez pružanja odgovarajućeg povratnog puta, povratna struja mora zaobići, stvarajući veliku strujnu petlju koja povećava zračenje.

Pretjerano jaka snaga vozača

Odabir visoko-spremnika takta može poboljšati vremenske margine, ali također proizvodi strmije rubove signala, uvodeći više visoko-frekventnih komponenti i otežavajući kontrolu EMI-ja.

Najbolje prakse za smanjenje EMI-ja takta

Nekoliko tehnika dizajna može učinkovito smanjiti emisije-povezane sa satom:

Usporite granične stope

Ako vrijeme dopušta, koristite upravljačke programe sa sporijim brzinama okretanja ili dodajte aSerijski otpornik od 22–33 Ωu blizini izvora takta kako bi se ublažili prijelazi signala.

Neka tragovi sata budu kratki

Postavite izvore takta blizu svojih opterećenja kad god je to moguće. Za prijenos-na velike udaljenosti, standardi diferencijalnog takta kao što suLVDSmože znatno smanjiti uobičajeno-radijaciju.

Održavajte kontinuiranu referencu tla

Tragovi sata uvijek bi trebali prelaziti preko neprekinute uzemljene ravnine. Kada mijenjate slojeve, postavite uzemljenje u blizini signalnih otvora kako biste osigurali povratni put niske-impedancije.

Razmotrite taktiranje proširenog spektra (SSC)

Tehnologija proširenog spektra lagano modulira taktnu frekvenciju, distribuirajući energiju preko šireg pojasa umjesto da je koncentrira na diskretnim frekvencijama, čime se smanjuju vršne emisije.

Harmonici: Skriveno EMI pojačalo

Svaki ne-sinusoidalni periodični signal može se rastaviti na osnovnu frekvenciju plus više harmonika.

Digitalni signali kao što su kvadratni valovi prirodno sadrže obilje harmonijskih komponenti.

Korisno inženjersko pravilo je:

Širina pojasa ≈ 0,35 / vrijeme porasta

Na primjer, ako je vrijeme porasta1 ns, efektivna propusnost proteže se na približno350 MHz, što znači da u ovom frekvencijskom rasponu postoji značajna energija.

Kako harmonici uzrokuju EMI probleme

Množenje frekvencije

A 50 MHzsat proizvodi:

• 3. harmonik → 150 MHz
• 5. harmonik → 250 MHz
• 7. harmonik → 350 MHz

Ako se ove frekvencije podudaraju s mjernim pojasima EMC-a, emisije mogu premašiti zakonska ograničenja.

Harmonijska superpozicija

Višestruki izvori takta na istoj ploči mogu generirati harmonike koji se međusobno preklapaju ili pojačavaju, proizvodeći neočekivano visoke razine zračenja.

Metode kontrole harmonijskog EMI-ja

Smanjite brzinu ruba

Spori prijelazi prirodno potiskuju-visokofrekventni harmonijski sadržaj.

Primijenite nisko{0}}filtriranje

RC filtri ili feritne kuglice postavljene blizu izvora signala mogu prigušiti neželjene visokofrekventne-komponente.

Preferira diferencijalnu signalizaciju

Diferencijalni parovi stvaraju suprotna elektromagnetska polja koja se u velikoj mjeri međusobno poništavaju, značajno smanjujući zračenje u usporedbi s jedno-ended signalima.

Putovi povratne struje: faktor koji se često zanemaruje

Svaka signalna struja mora se na kraju vratiti svom izvoru.

Za-signale velike brzine, povratna struja vrijedinejednostavno slijedite najkraći fizički put. Umjesto toga, slijedi stazunajniža impedancija, obično izravno ispod traga signala na referentnoj ravnini.

Što je manje područje petlje formirano od signala i njegove povratne struje, niži je izračeni EMI.

Što se događa kada se povratni put prekine?

Nekoliko praksi rasporeda PCB-a može poremetiti povratnu struju:

Križanje Splitskih ravnina

Kada signal prijeđe prazninu između referentnih ravnina, povratna struja mora zaobići, uvelike povećavajući područje petlje i zračenje.

Prijelazi slojeva bez prolaza za uzemljenje

Ako signal mijenja slojeve bez obližnjih spojnih otvora, povratna struja ne može učinkovito slijediti i mora pronaći alternativne putove.

Pretjerana gustoća prolaza

Previše otvora koji perforiraju referentnu ravninu smanjuju njen integritet, tjerajući povratne struje na duže rute.

U svakom slučaju, veće strujne petlje ponašaju se kao veće okvirne antene, povećavajući EMI emisije.

Kako održati učinkovit povratni put

Dobar dizajn PCB-a treba slijediti ova načela:

• Izbjegavajte usmjeravanje-brzih signala preko razdvojenih ravnina.
• Dodajte uzemljene otvore kad god signali promijene slojeve.
• Sačuvajte kontinuirane referentne ravnine ispod kritičnih tragova.
• Održavajte kontinuitet impedancije kroz-usmjeravanje velike brzine.

Ovi postupci istovremeno poboljšavaju integritet signala i smanjuju EMI.

Praktični primjer: Rješavanje EMI kvara od 150 MHz

Industrijska upravljačka ploča premašila je EMC ograničenja za6 dB na približno 150 MHz.

Istraga

• PCB je koristio aKristalni oscilator od 25 MHz.
• The6. harmonikablisko odgovarao frekvenciji kvara.
• Trag sata mjerio je oko5 cmi prešao-pokretnu ravan.

Korektivne radnje

• Skratio trag na2 cm
• Eliminirano usmjeravanje preko ravne ravnine
• Dodano aSerijski otpornik od 33 Ω
• Postavljeni uzemljeni otvori pored sloja-prijelaznih otvora

Proizlaziti

Emisija na150 MHz smanjio se za otprilike 8 dB, omogućujući proizvodu da uspješno prođe EMC testiranje.

Zaključak

Većina EMI kvarova može se u konačnici povezati s tri ključna čimbenika dizajna:

Satni signali

• Jaki periodični izvori zračenja
• Neka tragovi budu kratki
• Održavajte kontinuiranu referencu na tlo
• Razmotrite taktiranje proširenog spektra

Harmonici

• Visoko{0}}frekventni harmonici često dominiraju EMI kvarovima
• Spore rubne stope
• Primijeni filtriranje
• Radije diferencijalno signaliziranje

Povratne trenutne staze

• Isprekidani povratni putevi stvaraju velike radijacijske petlje
• Izbjegavajte podijeljene ravnine
• Dodajte spojne otvore
• Očuvati kontinuirane referentne ravnine

Najbolja EMI strategija je prevencija, a ne korekcija.Rješavanje ovih načela tijekom dizajna sheme i izgleda PCB-a daleko je lakše-i daleko jeftinije-od redizajniranja ploče nakon što nije prošla EMC testiranje.