Nhiễu điện từ (EMI) chủ yếu do sự bao quanh trường điện từ kém. Bạn có thể giảm thiểu nhiễu bằng cách thiết kế cấu trúc lớp (stack-up) với các mặt phẳng tham chiếu liền mạch, tối thiểu hóa diện tích vòng lặp và áp dụng các mạch lọc gần các phần dễ gây nhiễu.
1. Xây dựng cấu trúc lớp (stack-up) với mặt phẳng tham chiếu liền mạch
Cấu trúc lớp được lập kế hoạch tốt là nền tảng của EMC.
-
Mặt phẳng tham chiếu liền kề: Mỗi lớp tín hiệu (đặc biệt là tín hiệu tốc độ cao) cần có một mặt phẳng đất (GND) hoặc nguồn (Power) liền kề ngay bên trên hoặc bên dưới để bao quanh các trường điện từ.
-
Ưu tiên cấu trúc 6 lớp trở lên: Giúp đảm bảo hiệu suất EMC mạnh mẽ hơn so với 4 lớp.
-
Đổ đồng (Copper pour): Sử dụng các vùng đổ đồng ở các lớp ngoài và kết nối chúng bằng nhiều lỗ via (stitching vias) vào mặt phẳng đất bên trong.
2. Chọn cấu trúc đường truyền dẫn (Transmission Line) phù hợp
-
Stripline: Đối với các đường mạch cực kỳ nhiễu (như clock) hoặc nhạy cảm (analog), hãy sử dụng cấu trúc Stripline (đường mạch nằm giữa hai mặt phẳng tham chiếu). Điều này giúp bao quanh trường điện từ tốt nhất.
-
Microstrip: Sử dụng cho các tín hiệu kỹ thuật số thông thường, I/O và nguồn.
-
Tránh chia cắt mặt phẳng đất: Luôn sử dụng một mặt phẳng tham chiếu liên tục, không bị đứt quãng.
3. Thiết kế đường hồi tiếp (Return Path) với diện tích vòng lặp nhỏ nhất
-
Quy tắc khoảng cách: Giữ tất cả các đường mạch và linh kiện cách xa mép bo mạch (ít nhất bằng độ dày lớp điện môi).
-
Tối thiểu hóa chiều dài mạch: Đường mạch càng ngắn thì khả năng bức xạ (như một ăng-ten) càng thấp. Điều này đặc biệt quan trọng với các đường xung nhịp (clocks) và bộ nguồn xung (SMPS).
4. Thêm lỗ via nối đất (Stitching Vias) gần các vị trí chuyển lớp
-
Khi một tín hiệu chuyển lớp qua lỗ via, đường hồi tiếp của nó có thể bị gián đoạn.
-
Hãy thêm các lỗ via nối đất (ground-stitching vias) ngay cạnh các lỗ via tín hiệu để duy trì tính liên tục của đường hồi tiếp và giữ cho trường điện từ được kiểm soát chặt chẽ.
5. Áp dụng các bộ lọc để kiểm soát EMI dẫn (Conducted EMI)
-
Tụ thoát nhiễu (Decoupling capacitors): Đặt gần các chân nguồn của IC để triệt tiêu nhiễu tần số cao trên đường nguồn.
-
Bộ lọc EMI: Sử dụng ferrite beads hoặc bộ lọc EMI tại các điểm vào/ra có nhiều nhiễu để ngăn nhiễu thoát ra ngoài qua dây cáp hoặc đường nguồn.
6. Triển khai che chắn (Shielding) để bao quanh trường điện từ
-
Sử dụng các tấm chắn kim loại cấp độ PCB (PCB-level shields) để cách ly các mạch nhạy cảm hoặc mạch gây nhiễu mạnh.
-
Đối với vỏ thiết bị, đảm bảo các khe hở cơ khí có kích thước nhỏ hơn λ/20 (với λ là bước sóng của tần số cao nhất cần quan tâm) để ngăn bức xạ lọt ra ngoài.
7. Kết thúc các chân không sử dụng và loại bỏ vật dẫn lơ lửng
-
Không bao giờ để các đường mạch, điểm kiểm tra (test points) hoặc chân IC không sử dụng ở trạng thái “lơ lửng” (floating), vì chúng sẽ hoạt động như những chiếc ăng-ten thu/phát nhiễu.
-
Hãy nối các chân không dùng đến theo khuyến nghị của nhà sản xuất (thường là nối đất hoặc lên nguồn).
Tóm tắt các nguồn gây nhiễu phổ biến:
-
Xung nhịp kỹ thuật số (Clocks), IC chuyển mạch, bộ nguồn SMPS.
-
Động cơ điện, mạch điều khiển LED.
-
Cáp không có vỏ bọc hoặc không được kết thúc đúng cách.
-
Khoảng trống trên mặt phẳng đất (Gaps in planes).
Kết luận: EMI không thể bị loại bỏ hoàn toàn, nhưng một thiết kế tốt có thể giảm đáng kể lượng phát xạ và giúp thiết bị hoạt động ổn định trong môi trường có nhiễu (đạt chuẩn EMC).
