По мере того, как электронные устройства становятся более сложными, они сталкиваются с увеличением количества источников электромагнитных помех (EMI), которые могут нарушать работу устройств и потенциально угрожать здоровью. В этом руководстве рассматриваются стратегии проектирования плат печатных схем (PCB) для оптимальной электромагнитной совместимости (EMC), с акцентом на снижение помех и повышение устойчивости продукции.
1. Проектирование платы PCB
Платы PCB являются ключевыми компонентами электронных устройств, обеспечивая как структурную поддержку, так и электрические соединения для элементов схем. Сложность и плотность современных плат делают их всё более подверженными к помехам, поэтому тщательное проектирование необходимо для обеспечения надежной работы устройств.
1.1 Оптимизация слоёв платы PCB
- Выбор количества слоев: Подбирайте подходящее количество слоев в зависимости от сложности схемы. Многослойные платы значительно снижают уровень помех и шума по сравнению с двухслойными платами, хотя платы с большим количеством слоев обходятся дороже. Использование сетчатой структуры проводки, перпендикулярной проводки на соседних слоях, также снижает уровень помех.
- Ориентация слоёв: Прокладывайте трассы в противоположных направлениях на соседних слоях, например, горизонтально на одном слое и вертикально на другом, чтобы дополнительно снизить уровень помех.
1.2 Оптимальные размеры платы PCB
- Управление размером: Оптимизируйте размеры платы, чтобы обеспечить оптимальную длину проводников, сопротивление и защиту от шума, не ухудшая при этом теплоотвод. Обычно для механической прочности рекомендуется размер 150 мм x 200 мм.
2. Размещение компонентов на PCB
Расположение компонентов на PCB влияет на её электромагнитную совместимость. Неправильное расположение может привести к радиации сигнала и взаимным помехам.
2.1 Размещение компонентов
- Близость и изоляция: Размещайте связанные компоненты ближе друг к другу для сокращения длины трасс и снижения уровня помех. Разделяйте аналоговые, цифровые и силовые цепи, чтобы минимизировать связанный сигнал и EMI, и, если возможно, изолируйте высокочастотные цепи от низкочастотных.
- Компоненты, подверженные шуму: Размещайте шумные компоненты, такие как генераторы тактового сигнала и реле, подальше от чувствительных цепей и других логических элементов.
2.2 Общие рекомендации по компоновке
- Минимизация перекрестного сигнала: Проектируйте расположение компонентов так, чтобы минимизировать перекрытие сигнала и держать цепи с низким уровнем сигнала подальше от цепей с высоким уровнем сигнала.
- Тактовые компоненты: Размещайте осцилляторы, тактовые схемы и процессоры рядом друг с другом, чтобы минимизировать уровень шума.
- Управление теплом: Распределяйте высокомощные и выделяющие тепло компоненты, чтобы предотвратить перегрев и преждевременное старение компонентов, особенно возле конденсаторов.
3. Прокладка трасс на PCB
Высокочастотные сигналы могут вызывать распределенную индуктивность и ёмкость, что ухудшает характеристики платы. Тщательно спланированное расположение трасс уменьшает влияние помех и повышает целостность сигнала.
3.1 Лучшие практики для прокладки трасс
- Расстояние и длина проводников: Размещайте проводники так, чтобы минимизировать ёмкостные помехи. Старайтесь избегать параллельных линий, особенно на одной стороне платы, чтобы снизить паразитные эффекты.
- Избегание прямых углов: Используйте углы в 45° при прокладке высокочастотных проводников, чтобы ограничить отражение сигнала и радиацию.
- Изоляция высоких токов и напряжений: Располагайте высокомощные и высокочастотные линии подальше от чувствительных аналоговых и цифровых цепей и разделяйте высоко- и низковольтные линии, чтобы избежать нежелательного соединения и повысить безопасность.
3.2 Минимизация антеннного эффекта
- Уменьшение количества переходных отверстий: Ограничьте использование переходных отверстий для снижения индуктивного эффекта, так как каждое отверстие добавляет примерно 0,5 пФ ёмкости.
- Развязывающие конденсаторы: Размещайте развязывающие конденсаторы рядом с каждой интегральной схемой и добавляйте байпасные конденсаторы рядом с электролитическими конденсаторами для фильтрации высокочастотных помех.
4. Проектирование схем на PCB
Помимо компоновки платы, также важно проектировать схемы с учетом EMC. Некоторые общие меры для обеспечения EMC включают регулировку резисторов и конденсаторов и заземление неиспользуемых входов.
4.1 Методы подавления EMI
- Последовательные резисторы: Устанавливайте резисторы последовательно по пути сигнала для управления фронтами импульсов.
- Реле и фильтрация сигналов: Добавляйте высокочастотные конденсаторы или диоды для демпфирования шума реле, и используйте фильтры на входах шумных сигналов.
- Подключение неиспользуемых входов: Заземляйте неиспользуемые входы, чтобы предотвратить «плавающие» состояния, которые могут вызвать шум.
4.2 Фильтрация и развязка
- Фильтрация входных сигналов: Добавляйте фильтры для сигналов, входящих на PCB, чтобы снизить воздействие внешних источников помех.
- Развязывающие конденсаторы: Используйте высокочастотные конденсаторы рядом с микросхемами и крупные танталовые конденсаторы на линиях питания для стабилизации фильтрации питания.
Следуя этим принципам проектирования плат, вы сможете повысить EMC-совместимость электронных изделий, уменьшить помехи и обеспечить стабильную работу устройств в различных условиях.
