Zabezpieczenie przed zakłóceniami jest niezwykle ważnym elementem nowoczesnego projektowania układów scalonych, który bezpośrednio przekłada się na wydajność i niezawodność całego systemu. Dla inżynierów PCB projektowanie przeciwzakłóceniowe jest kluczowym i trudnym zagadnieniem, które każdy musi opanować.
Obecność zakłóceń na płytce PCB
W rzeczywistych badaniach ustalono, że występują cztery główne rodzaje zakłóceń występujących w projektowaniu płytek PCB: szumy zasilania, zakłócenia linii transmisyjnych, sprzężenia i zakłócenia elektromagnetyczne (EMI).
1. Szum zasilania
W obwodach o wysokiej częstotliwości szumy zasilacza mają szczególnie wyraźny wpływ na sygnał o wysokiej częstotliwości. Dlatego pierwszym wymaganiem dla zasilacza jest niski poziom szumów. W tym przypadku czyste uziemienie jest równie ważne, jak czyste źródło zasilania.
2. Linia przesyłowa
W płytce PCB możliwe są tylko dwa rodzaje linii transmisyjnych: linia paskowa i linia mikrofalowa. Największym problemem w przypadku linii transmisyjnych jest odbicie. Odbicie może powodować wiele problemów. Na przykład sygnał obciążenia będzie superpozycją sygnału oryginalnego i sygnału echa, co utrudni analizę sygnału; odbicie spowoduje straty odbiciowe (tłumienie odbiciowe), które wpłyną na sygnał. Wpływ jest równie poważny, jak ten powodowany przez zakłócenia spowodowane szumem addytywnym.
3. Sprzęganie
Sygnał interferencyjny generowany przez źródło interferencji powoduje zakłócenia elektromagnetyczne w elektronicznym układzie sterowania poprzez określony kanał sprzężenia. Metoda sprzężenia interferencji polega po prostu na oddziaływaniu na elektroniczny układ sterowania poprzez przewody, przestrzenie, linie wspólne itp. Analiza obejmuje głównie następujące typy sprzężenia: bezpośrednie, sprzężenie o wspólnej impedancji, sprzężenie pojemnościowe, sprzężenie indukcji elektromagnetycznej, sprzężenie promieniowania itp.
4. Zakłócenia elektromagnetyczne (EMI)
Zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) występują w dwóch rodzajach: zakłócenia przewodzone i zakłócenia promieniowane. Zakłócenia przewodzone oznaczają sprzężenie (interferencję) sygnałów z jednej sieci elektrycznej do innej sieci elektrycznej poprzez ośrodek przewodzący. Zakłócenia promieniowane oznaczają, że źródło zakłóceń sprzęża (interferencję) swój sygnał z inną siecią elektryczną w przestrzeni. W projektowaniu szybkich płytek PCB i systemów, linie sygnałowe wysokiej częstotliwości, piny układów scalonych, różnego rodzaju złącza itp. mogą stać się źródłami zakłóceń radiacyjnych o charakterystyce antenowej, które mogą emitować fale elektromagnetyczne i wpływać na inne systemy lub podsystemy w systemie.
Środki przeciwzakłóceniowe PCB i obwodów
Konstrukcja płytki drukowanej zapobiegająca zakłóceniom jest ściśle związana z konkretnym obwodem. Poniżej przedstawimy jedynie kilka typowych rozwiązań zapobiegających zakłóceniom w konstrukcji płytki PCB.
1. Konstrukcja przewodu zasilającego
W zależności od natężenia prądu na płytce drukowanej, należy zwiększyć szerokość linii zasilającej, aby zmniejszyć rezystancję pętli. Jednocześnie należy zapewnić spójność kierunku linii zasilającej i uziemienia z kierunkiem transmisji danych, co pomoże zwiększyć odporność na zakłócenia.
2. Projekt przewodu uziemiającego
Oddziel masę cyfrową od masy analogowej. Jeśli na płytce drukowanej znajdują się zarówno obwody logiczne, jak i liniowe, należy je od siebie jak najdalej oddzielić. Masa obwodu niskiej częstotliwości powinna być uziemiona równolegle w jednym punkcie, w miarę możliwości. W przypadku trudności z samym okablowaniem, można je częściowo połączyć szeregowo, a następnie uziemić równolegle. Obwód wysokiej częstotliwości powinien być uziemiony szeregowo w wielu punktach, przewód uziemiający powinien być krótki i gruby, a wokół elementu wysokiej częstotliwości należy zastosować folię uziemiającą o dużej powierzchni, przypominającą siatkę.
Przewód uziemiający powinien być jak najgrubszy. Jeśli przewód uziemiający zostanie wykonany bardzo cienką linią, potencjał uziemienia zmienia się wraz z przepływem prądu, co zmniejsza rezystancję szumową. Dlatego przewód uziemiający powinien być grubszy, aby mógł przepuszczać prąd trzykrotnie przekraczający dopuszczalny prąd na płytce drukowanej. W miarę możliwości, przewód uziemiający powinien mieć grubość powyżej 2–3 mm.
Przewód uziemiający tworzy zamkniętą pętlę. W przypadku płytek drukowanych zawierających wyłącznie układy cyfrowe, większość obwodów uziemiających jest ułożona w pętle, aby poprawić odporność na zakłócenia.
3. Konfiguracja kondensatora odsprzęgającego
Jedną z konwencjonalnych metod projektowania płytek PCB jest konfiguracja odpowiednich kondensatorów odsprzęgających na każdej kluczowej części płytki drukowanej.
Ogólne zasady konfiguracji kondensatorów odsprzęgających są następujące:
① Podłącz kondensator elektrolityczny o pojemności 10–100 µF do wejścia zasilania. Jeśli to możliwe, lepiej podłączyć kondensator o pojemności 100 µF lub większej.
② Zasadniczo każdy układ scalony powinien być wyposażony w kondensator ceramiczny o pojemności 0,01 pF. Jeśli odstęp między płytkami drukowanymi jest niewystarczający, na każde 4–8 układów można zastosować kondensator o pojemności 1–10 pF.
③W przypadku urządzeń o słabej odporności na zakłócenia i dużych zmianach poboru mocy po wyłączeniu, takich jak urządzenia pamięci masowej RAM i ROM, kondensator odsprzęgający powinien być podłączony bezpośrednio pomiędzy linią zasilania a linią uziemienia układu scalonego.
④ Przewód kondensatora nie powinien być zbyt długi, zwłaszcza w przypadku kondensatora obejściowego wysokiej częstotliwości.
4. Metody eliminacji zakłóceń elektromagnetycznych w projektowaniu PCB
①Zmniejsz liczbę pętli: Każda pętla jest równoważna antenie, dlatego musimy zminimalizować liczbę pętli, ich powierzchnię oraz efekt antenowy pętli. Upewnij się, że sygnał ma tylko jedną ścieżkę pętli w dowolnych dwóch punktach, unikaj sztucznych pętli i staraj się wykorzystać warstwę mocy.
② Filtrowanie: Filtrowanie można stosować w celu redukcji zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) zarówno w linii zasilającej, jak i sygnałowej. Istnieją trzy metody: kondensatory odsprzęgające, filtry EMI i elementy magnetyczne.
③Tarcza.
④ Spróbuj zmniejszyć prędkość urządzeń o wysokiej częstotliwości.
⑤ Zwiększenie stałej dielektrycznej płytki PCB może zapobiec promieniowaniu na zewnątrz części o wysokiej częstotliwości, takich jak linia transmisyjna znajdująca się blisko płytki; zwiększenie grubości płytki PCB i zminimalizowanie grubości linii mikropaskowej może zapobiec przepełnieniu przewodu elektromagnetycznego, a także zapobiegać promieniowaniu.