Beim PCB-Design stellen die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und die damit verbundene elektromagnetische Interferenz (EMI) traditionell zwei große Probleme für Ingenieure dar, insbesondere da die heutigen Leiterplattendesigns und Komponentenpakete immer kleiner werden und OEMs Systeme mit höherer Geschwindigkeit benötigen.In diesem Artikel werde ich erläutern, wie man elektromagnetische Probleme beim PCB-Design vermeidet.
1. Übersprechen und Ausrichtung stehen im Mittelpunkt
Die Ausrichtung ist besonders wichtig, um den ordnungsgemäßen Stromfluss sicherzustellen.Wenn der Strom von einem Oszillator oder einem ähnlichen Gerät stammt, ist es besonders wichtig, den Strom von der Erdungsschicht getrennt zu halten oder zu verhindern, dass der Strom parallel zu einer anderen Ausrichtung fließt.Zwei parallel geschaltete Hochgeschwindigkeitssignale können EMV und EMI, insbesondere Übersprechen, erzeugen.Es ist wichtig, die Widerstandswege so kurz wie möglich und die Rückstromwege so kurz wie möglich zu halten.Die Länge des Rückwegs sollte mit der Länge des Sendepfads übereinstimmen.
Für EMI wird ein Pfad als „Verletzungspfad“ und der andere als „Opferpfad“ bezeichnet.Induktive und kapazitive Kopplung wirken sich aufgrund der Anwesenheit elektromagnetischer Felder auf den „Opferpfad“ aus und erzeugen so Vorwärts- und Rückwärtsströme auf dem „Opferpfad“.Auf diese Weise wird Welligkeit in einer stabilen Umgebung erzeugt, in der die Sende- und Empfangslängen des Signals nahezu gleich sind.
In einer ausgeglichenen Umgebung mit stabiler Ausrichtung sollten sich die induzierten Ströme gegenseitig aufheben und so Übersprechen verhindern.Allerdings leben wir in einer unvollkommenen Welt, in der so etwas nicht passiert.Daher ist es unser Ziel, das Übersprechen bei allen Ausrichtungen auf ein Minimum zu beschränken.Der Effekt des Übersprechens kann minimiert werden, wenn die Breite zwischen parallelen Leitungen doppelt so groß ist wie die Breite der Leitungen.Wenn die Linienbreite beispielsweise 5 mil beträgt, sollte der Mindestabstand zwischen zwei parallelen Linien 10 mil oder mehr betragen.
Da immer neue Materialien und Komponenten auf den Markt kommen, müssen sich PCB-Designer auch weiterhin mit EMV- und Interferenzproblemen auseinandersetzen.
2. Entkopplungskondensatoren
Entkopplungskondensatoren reduzieren die unerwünschten Auswirkungen des Übersprechens.Sie sollten sich zwischen den Strom- und Erdungsanschlüssen des Geräts befinden, um eine niedrige Wechselstromimpedanz zu gewährleisten und Rauschen und Übersprechen zu reduzieren.Um über einen weiten Frequenzbereich eine niedrige Impedanz zu erreichen, sollten mehrere Entkopplungskondensatoren verwendet werden.
Ein wichtiger Grundsatz bei der Platzierung von Entkopplungskondensatoren besteht darin, dass der Kondensator mit dem niedrigsten Kapazitätswert so nahe wie möglich am Gerät platziert wird, um induktive Effekte auf die Ausrichtung zu reduzieren.Dieser spezielle Kondensator sollte so nah wie möglich an den Stromversorgungsstiften des Geräts oder dem Stromversorgungskanal platziert werden und die Pads des Kondensators sollten direkt mit den Durchkontaktierungen oder dem Erdungsniveau verbunden sein.Wenn die Ausrichtung lang ist, verwenden Sie mehrere Durchkontaktierungen, um die Erdungsimpedanz zu minimieren.
3. Erdung der Platine
Eine wichtige Möglichkeit zur Reduzierung von EMI ist die Gestaltung der Leiterplatten-Erdungsschicht.Der erste Schritt besteht darin, die Erdungsfläche innerhalb der Gesamtfläche der Leiterplatte so groß wie möglich zu gestalten, damit Emissionen, Übersprechen und Rauschen reduziert werden können.Beim Anschluss jeder Komponente an einen Erdungspunkt oder eine Erdungsschicht ist besondere Sorgfalt geboten, da ohne diese die neutralisierende Wirkung einer zuverlässigen Erdungsschicht nicht vollständig genutzt werden kann.
Ein besonders komplexes PCB-Design weist mehrere stabile Spannungen auf.Idealerweise verfügt jede Referenzspannung über eine eigene entsprechende Erdungsschicht.Allerdings würden zu viele Erdungsschichten die Herstellungskosten der Leiterplatte erhöhen und sie zu teuer machen.Ein Kompromiss besteht darin, Erdungsschichten an drei bis fünf verschiedenen Stellen zu verwenden, die jeweils mehrere Erdungsabschnitte enthalten können.Dies kontrolliert nicht nur die Herstellungskosten der Platine, sondern reduziert auch EMI und EMV.
Zur Minimierung der EMV ist ein Erdungssystem mit niedriger Impedanz wichtig.In einer mehrschichtigen Leiterplatte ist eine zuverlässige Erdungsschicht einem Kupferausgleichsblock (Kupferdiebstahl) oder einer verstreuten Erdungsschicht vorzuziehen, da diese eine niedrige Impedanz aufweist, einen Strompfad bereitstellt und die beste Quelle für Rückwärtssignale ist.
Auch die Zeitspanne, die das Signal benötigt, um zur Erde zurückzukehren, ist sehr wichtig.Die Zeit, die das Signal für den Weg zur und von der Quelle benötigt, muss vergleichbar sein, andernfalls tritt ein antennenähnliches Phänomen auf, das dazu führt, dass die abgestrahlte Energie Teil der EMI wird.Ebenso sollte die Ausrichtung des Stroms zur/von der Signalquelle so kurz wie möglich sein. Wenn die Quell- und Rückwegpfade nicht gleich lang sind, kommt es zu Massesprüngen, die ebenfalls elektromagnetische Störungen erzeugen.
4. Vermeiden Sie 90°-Winkel
Um elektromagnetische Störungen zu reduzieren, sollten die Ausrichtung, Durchkontaktierungen und andere Komponenten keinen 90°-Winkel bilden, da ein rechter Winkel Strahlung erzeugt.Um einen 90°-Winkel zu vermeiden, sollte die Ausrichtung mindestens zwei 45°-Winkel zur Ecke aufweisen.
5. Bei der Verwendung von Überlöchern ist Vorsicht geboten
In fast allen Leiterplattenlayouts müssen Vias verwendet werden, um eine leitende Verbindung zwischen den verschiedenen Schichten herzustellen.In einigen Fällen erzeugen sie auch Reflexionen, da sich der Wellenwiderstand ändert, wenn die Durchkontaktierungen in der Ausrichtung erzeugt werden.
Es ist auch wichtig zu bedenken, dass Durchkontaktierungen die Länge der Ausrichtung erhöhen und angepasst werden müssen.Bei differenziellen Ausrichtungen sollten Vias möglichst vermieden werden.Lässt sich dies nicht vermeiden, sollten in beiden Ausrichtungen Vias verwendet werden, um Verzögerungen im Signal- und Rückweg auszugleichen.
6. Kabel und physische Abschirmung
Kabel, die digitale Schaltkreise und analoge Ströme übertragen, können parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten erzeugen, die viele EMV-Probleme verursachen.Bei der Verwendung von Twisted-Pair-Kabeln bleibt die Kopplung gering und die erzeugten Magnetfelder werden eliminiert.Für Hochfrequenzsignale müssen abgeschirmte Kabel verwendet werden, deren Vorder- und Rückseite geerdet sind, um EMI-Störungen zu vermeiden.
Unter physikalischer Abschirmung versteht man die Umhüllung des gesamten Systems oder eines Teils davon in einem Metallgehäuse, um zu verhindern, dass elektromagnetische Störungen in die Schaltkreise der Leiterplatte eindringen.Diese Abschirmung wirkt wie ein geschlossener, erdleitender Kondensator, reduziert die Größe der Antennenschleife und absorbiert elektromagnetische Störungen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 23. November 2022