Mỗi bảng mạch in (PCB) phải có thể hoạt động mà không bị gián đoạn do nhiễu từ các thiết bị khác và không gây nhiễu. Để thực hiện điều này, PCB cần phải có khả năng tương thích điện từ mạnh (EMC) được tích hợp sẵn ngay từ đầu.
EMC là thứ giúp các thiết bị của chúng ta không liên tục gây nhiễu lẫn nhau. Số lượng lớn các thiết bị không dây được sử dụng ngày nay – điện thoại, radio, máy tính, điều khiển từ xa – tất cả đều trở nên phức tạp hơn và được kết nối với nhau nhiều hơn. Trước đây, khi các thiết bị như vậy ít phổ biến hơn và độ nhiễu thấp, đài phát thanh trên ô tô có thể đủ sức làm hỏng TV. Giờ đây, EMC là một lĩnh vực được chú trọng hơn, và mọi PCB đều được mong đợi sử dụng các phương pháp thiết kế này để giảm thiểu lượng phát xạ không mong muốn. Với thiết kế phù hợp, bạn có thể vượt qua kiểm tra tuân thủ EMC ngay lần đầu tiên.
Ý tưởng thiết kế này dễ thực hiện hơn nhiều ngay từ đầu. Thông thường, các nhà thiết kế để nguyên EMC cho đến giai đoạn thử nghiệm. Thêm EMC vào sau khi mạch đã được phát triển có thể tốn kém thời gian và tiền bạc đáng kể.
Thiết kế tuân thủ EMC
Thiết kế hệ thống điện tử cho EMC có thể giúp bạn đi trước một bước bằng cách giảm thiểu các vấn đề ngay từ đầu. Dưới đây là một số kỹ thuật thiết kế EMC mà bạn có thể thực hiện để vượt qua thử nghiệm tương thích điện từ.
1. Bố trí bảng mạch
Điều quan trọng là phải xem xét các tín hiệu sẽ được đưa ra bởi mạch của bạn. Một số trong số này là cố ý, nhưng 90% phát xạ nhiễu điện từ (EMI) từ bo mạch PC sẽ là vô tình . Một số tín hiệu không chủ ý này là từ dòng điện ở chế độ chung, common-mode khớp nối xuyên âm tới trace I/O và mặt phẳng công suất.
Phát xạ bức xạ (RE) có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau trong PCB của bạn, nhưng một khu vực phổ biến là dây cáp, có thể khó giảm thiểu vì các tín hiệu và dữ liệu tần số cao mà chúng có thể cần mang theo.
Một cách tiếp cận là lọc các dây cáp khi chúng đi vào và rời khỏi thiết bị, nhưng bạn sẽ muốn cẩn thận về điều này. Trong khi một bộ lọc làm giảm mức EMI, nó cũng có thể làm suy giảm hoạt động của mạch. Trong mạch dữ liệu tốc độ cao, bộ lọc sẽ loại bỏ bất kỳ cạnh sắc nào và có thể làm suy giảm tín hiệu đến mức không hoạt động. Tại thời điểm này, bạn sẽ cần cân bằng nhu cầu hiệu suất của mình với việc giảm EMI.
Khi vẽ ra các trace của bạn, bạn sẽ muốn giảm thiểu các khu vực vòng lặp cho tín hiệu tần số cao và dòng điện. Các dòng tín hiệu tần số cao quay trở lại nguồn của chúng, có nghĩa là chúng luôn là các vòng lặp. Chúng cũng đi theo con đường có trở kháng nhỏ nhất, có xu hướng là con đường có diện tích vòng lặp nhỏ nhất. Dòng điện sẽ quay trở lại càng gần đường đi của dòng điện càng tốt.
Các tần số thấp hơn tìm kiếm con đường có ít điện trở nhất. Chúng có thể khó tìm hơn vì chúng lan rộng ra nhiều hơn. Đường đi và đường về có thể cách xa nhau trong trường hợp này.
Một số nguyên tắc chung để kiểm soát phát xạ bức xạ theo thiết kế bao gồm những điều sau đây.
- Tăng chiều rộng trace nếu có thể. Kích thước trace rộng hơn được chứng minh là có thể làm giảm hiệu quả phát xạ bức xạ.
- Một cách để bảo vệ các lớp bên trong của bạn khỏi bức xạ là lấp đầy các lớp TOP và BOTTOM của bạn bằng plane Ground liên tục và sử dụng vias stitching nối đất trên toàn bộ PCB. Kim loại hóa các cạnh PCB của bạn bằng mạ đồng cũng có thể giúp giảm bức xạ từ các lớp bên trong và tăng hiệu quả làm mát.
- Thêm vias stitching giữa các lớp của bạn và gần vias tín hiệu tốc độ cao để giữ các vòng lặp dòng điện càng nhỏ càng tốt.
- Tránh đi dây góc 90 độ nếu làm việc với các ứng dụng tốc độ rất cao.
2. Bộ lọc Filter
Bộ lọc có thể giúp thực hiện nhiều ứng dụng khác nhau nhưng đặc biệt hữu ích đối với các đường tín hiệu tần số thấp, chẳng hạn như cáp đầu vào nguồn hoặc đường dây mang trạng thái dạng điện áp. Trong những trường hợp này, bộ lọc EMI có thể loại bỏ các phần tử tần số cao, chỉ để lại tần số thấp trên đường dây tạo ra ít bức xạ hơn nhiều.
Các bộ lọc này nên được sử dụng tại điểm vào giữa thiết bị và môi trường của nó, được liên kết chặt chẽ với khung máy. Vị trí này đảm bảo rằng không có tín hiệu nào đi vào thiết bị và bức xạ nó trước khi bị bộ lọc loại bỏ. Chúng cũng có thể được đặt giữa các khu vực tách biệt của PCB của bạn hoặc giữa các bảng của mô-đun.
Một số bộ lọc khác nhau có thể được sử dụng cho các mục đích khác nhau trong PCB của bạn. Trong số này, hai loại chính tập trung vào khả năng hấp thụ và phản xạ. Trong bộ lọc hấp thụ, năng lượng không mong muốn sẽ được bộ lọc hấp thụ. Loại này được ưu tiên cho các ứng dụng EMC. Trong bộ lọc phản xạ, tín hiệu không mong muốn bị dội ngược trở lại đường truyền. Một bộ lọc EMC được đặt ở các cạnh của thiết bị của bạn có thể giúp giảm các vấn đề về EMC.
Bộ lọc thông thấp giữ lại các tín hiệu tần số thấp và loại bỏ các tín hiệu tần số cao. Đây là loại bộ lọc phổ biến nhất, nhưng bộ lọc thông dải cũng có thể được sử dụng và sẽ đạt được mục tiêu tương tự.
Bộ lọc có nhiều loại, chẳng hạn như điện trở hoặc ferrite bead được đặt xung quanh dây hoặc cáp. Để sử dụng nâng cao hơn, chúng có thể cần được tạo thành từ một số thành phần. Astrodyne TDI có rất nhiều danh sách bộ lọc và nếu bạn cần thứ gì đó cụ thể hơn, đội ngũ kỹ sư của chúng tôi có thể tìm cho bạn giải pháp EMI phù hợp với thiết bị của bạn theo tiêu chuẩn công nghiệp.
Bạn cũng có thể muốn xem xét việc decoupling. Tụ điện Decoupling ổn định điện áp đi vào thiết bị và giảm phóng tĩnh điện (ESD), chúng ta sẽ nói chi tiết hơn trong phần tiếp theo.
3. Phân vùng mạch
Phần này của thiết kế PCB của bạn là điều cần thiết để thực hiện chính xác ngay từ đầu, vì nó quyết định toàn bộ bố trí linh kiện của bảng mạch của bạn. Nó không chỉ tổ chức bo mạch của bạn, mà còn tối ưu hóa vị trí của mạch có nhiễu cao và thấp để chúng không gây nhiễu lẫn nhau.
Phân vùng mạch của bạn cho phép bạn tách mạch thành các khu vực quan trọng và không quan trọng của EMC. Các khu vực tới hạn là những khu vực có chứa các nguồn bức xạ hoặc có thể dễ bị ảnh hưởng bởi nó, bao gồm các mạch tần số cao, mạch tương tự mức thấp và mạch vi xử lý tốc độ cao. Các khu vực không quan trọng bao gồm mạch điện không có khả năng phát tín hiệu hoặc dễ bị ảnh hưởng bởi chúng, bao gồm các mạch tốc độ thấp và nguồn cung cấp tuyến tính.
Bằng cách phân vùng mạch của bạn, bạn có thể thêm màn hình hoặc bộ lọc để cô lập các khu vực này khỏi ảnh hưởng của EMI. Nó giúp làm cho các vòng dòng điện càng ngắn càng tốt. Bạn cũng sẽ muốn giữ các đường nhiễu hoặc tốc độ cao cách xa mép bảng và đặt các trace không nhiễu cách xa các khu vực có nhiễu cao, chẳng hạn như các connector và mạch dao động. Làm điều này giúp giữ cho sự chênh lệch điện áp giữa các connector ở mức tối thiểu, ngăn dòng điện từ các dây cáp kèm theo và tạo ra các vấn đề về EMC.
4. Tiếp đất Grounding
Tiếp đất kém có thể là một tin xấu cho hiệu suất EMC của bạn. Nó có thể dẫn đến các vòng nối đất, dẫn đến phát xạ bức xạ hoặc tín hiệu thu được từ bên trong thiết bị. Hãy nhớ rằng hệ thống nối đất tạo ra một đường dẫn để đưa dòng điện trở lại nguồn của nó. Nó cần phải có trở kháng thấp và càng trực tiếp càng tốt.
- Một cách để giúp quá trình này là đặt một plane ground ngay bên dưới plane với các trace tín hiệu của bạn. Plane này có thể che chắn chống lại EMI. Nó cung cấp điện cảm thấp và điểm chung có điện trở thấp, tạo ra chiều dài dây dẫn ngắn đến plane đất. Đối với một số khu vực, bạn có thể cần phải cách ly plane đất để dòng điện trên plane đất không thể chạy qua mặt cắt.
- Không bao giờ định tuyến các tín hiệu qua một plane đất bị chia cắt. Làm điều này có thể tạo ra các vòng lặp lớn và phát xạ bức xạ cao vì dòng điện trở lại không thể chạy dưới hoặc bên cạnh dòng điện thuận.
- Chiều dài của hệ thống nối đất nên được giữ ở mức tối thiểu để tránh hiện tượng tự cảm trở thành vấn đề. Ở tần số thấp, tác động này có thể trở nên khá đáng kể. Dây dày có thể giúp ích, cũng như sử dụng các mặt phẳng tiếp đất với các đường dẫn quan trọng trên PCB của bạn.
- Gridding là một phương pháp khác mà bạn có thể sử dụng để cải thiện hiệu suất EMC trong bảng mạch có ít lớp. Gridding mở rộng bất kỳ trace plane đất nào và lấp đầy không gian trống trên PCB càng nhiều càng tốt. Quá trình này tạo ra một mạng lưới kết nối giữa các trace đất. Nó hoạt động tương tự như một plane đất và cung cấp một đường trở về plane đất dưới mỗi trace tín hiệu, giảm trở kháng giữa các IC chính và khu vực điều chỉnh điện áp.
- Sử dụng cáp có vỏ bọc hoặc cáp xoắn. Những thứ này vừa có thể bảo vệ cáp của bạn khỏi phát xạ bên ngoài, vừa ngăn chúng phát xạ bức xạ ra môi trường bên ngoài.
- Kết nối plane đất của bạn với khung/vỏ máy tại nơi cáp rời và đi vào khung/vỏ máy để chúng có cùng tiềm năng tại khu vực IO.
5. Bảo vệ Đường dây, Cáp và Vỏ
Có một số cách khác nhau để bảo vệ một PCB được tối ưu hóa khỏi EMI thông qua các tấm chắn. Tấm chắn là một loại tấm chắn có thể được sử dụng kết hợp với các phương pháp chống nhiễu khác như nối đất và lọc. Hiệu quả có thể thay đổi dựa trên độ dẫn và độ dày của vật liệu, trong số các yếu tố khác. Hệ thống sưởi cũng là một khía cạnh của điều này, vì một số thùng loa sẽ có các khẩu độ trong cấu trúc để cho phép luồng không khí mà không làm mất EMC.
Bạn có thể sử dụng một vỏ bọc, cùng với các miếng đệm và bộ lọc, để thử và che càng nhiều thiết bị càng tốt. Bạn muốn “niêm phong” bo mạch từ càng nhiều phát xạ bên ngoài càng tốt. Một thiết bị được đặt trong một vỏ bọc có thể thấy những cải tiến lớn đối với hiệu suất EMC của nó, chưa kể đến việc nó mang lại cho nó một số sức mạnh về cấu trúc.
Các tấm chắn có thể được sử dụng trên cáp đến để bảo vệ khỏi bức xạ tín hiệu không mong muốn hoặc tín hiệu bên ngoài. Hầu hết các loại cáp có vỏ bọc sẽ có một lớp cách điện và các dây dẫn bện . Chúng có thể không hiệu quả ở tần số thấp và trở nên mạnh hơn ở tần số cao hơn.
Các lỗi thiết kế EMC thường gặp và cách tránh chúng
Mặc dù thiết kế cho EMC có thể giảm bớt hầu hết các vấn đề và đảm bảo rằng bạn đáp ứng các yêu cầu thiết kế EMC của Ủy ban Truyền thông Liên bang, nhưng có một số vấn đề phổ biến mà mọi người có xu hướng gặp phải khi xử lý các vấn đề về EMC. Hầu hết những vấn đề này là do phát xạ bức xạ (RE).
1. Nhiễu Cáp
Cáp hoạt động giống như ăng-ten bằng cách thu hút và thậm chí khuếch đại nhiễu.Bạn sẽ cần ghi nhớ những đặc điểm này và cẩn thận về cách lắp đặt cáp để có thể giảm EMI nhiều nhất có thể. Bạn sẽ cần giảm thiểu nhiễu không chủ ý được kết hợp với cả hệ thống cáp bên ngoài và bên trong.
- Một khía cạnh bạn sẽ muốn lưu ý là tỷ lệ quay vòng. Tốc độ quay vòng đo lường mức độ thay đổi của điện áp hoặc dòng điện theo thời gian. Tốc độ quay vòng cao hơn xảy ra khi tín hiệu chứa nhiều năng lượng hơn ở tần số cao hơn. Mức năng lượng cao này có thể là một nguồn bức xạ nặng. Bằng cách sử dụng bộ lọc thông thấp hoặc giảm cường độ trình điều khiển, bạn thường có thể giảm tốc độ quay vòng.
- Giữ các đường tín hiệu rõ ràng. Tín hiệu DC từ nguồn điện và tín hiệu IO có thể mang năng lượng RF đến dây cáp của bạn. Một số trong số này có thể lấy một lượng lớn nhiễu RF khi chúng di chuyển qua bo mạch của bạn, sau đó giải phóng nó dưới dạng bức xạ.
- Thêm hạt ferit để giảm nhiễu. Những thứ này có thể ngăn chặn nhiễu phát ra từ cáp của bạn và nếu bạn đang sử dụng tụ điện bypass, bạn thậm chí có thể kết thúc với bộ lọc LC.
- Tụ điện decoupling phải càng gần chân nguồn trên thiết bị càng tốt. Các tụ điện này giảm thiểu vòng dòng điện của nguồn điện.
2. Các vấn đề tĩnh điện ESD
PCB của bạn thường sẽ trải qua thử nghiệm phóng tĩnh điện (ESD). ESD có thể gây ra nhiều lỗi trong thiết bị của bạn, chẳng hạn như thiết lập lại hoặc làm hỏng một số bộ phận.
Trong bo mạch có khung không dẫn điện, có thể sẽ không có quá nhiều điểm phóng điện, nhưng vẫn có một số khu vực có vấn đề phổ biến, bao gồm đầu nối, nút, đầu vít và đèn LED hoặc màn hình đồ họa.
Bao gồm một bộ triệt tiêu ESD gần nơi có khả năng xảy ra phóng điện có thể giữ điện áp của bạn ở mức có thể quản lý được bằng cách tiêu tán năng lượng bổ sung dưới dạng nhiệt hoặc nhiễu.
3. Nhiễu từ màn hình LCD
Màn hình LCD có thể ảnh hưởng nặng nề đến EMI của thiết bị của bạn. Các màn hình riêng lẻ rất khác nhau giữa các nhà sản xuất về mức độ phát xạ bức xạ của chúng. Bạn có thể cần thử nhiều loại để tìm loại có tỷ lệ phát xạ thấp.
4. Tích hợp bộ chuyển đổi nguồn chất lượng kém
Bộ đổi nguồn có thể có ảnh hưởng đáng kể đến mức độ nhiễu của thiết bị của bạn và EMC của nó. Các sản phẩm khác nhau có các lớp khác nhau và bạn sẽ cần chọn loại phù hợp cho thiết bị của mình. Loại A dành cho các thiết bị dành riêng cho môi trường kinh doanh, thương mại và công nghiệp, trong khi loại B có thể được sử dụng ở mọi nơi. Thiết bị loại B có kiểm tra nghiêm ngặt hơn so với thiết bị loại A, vì vậy việc sử dụng đúng nguồn điện là rất quan trọng. Ngoài ra còn có các tiêu chuẩn khác nhau cho môi trường y tế và quân đội.
Bạn vẫn cần giảm thiểu nhu cầu dòng điện RF trên bộ chuyển đổi nguồn của mình và đảm bảo rằng các chi tiết cụ thể của thiết bị của bạn giữ mức phát xạ thấp.
Thực hiện các Hướng dẫn Thiết kế EMC và EMI ngay hôm nay
Nhiều yếu tố liên quan đến việc thiết kế một PCB, nhưng cân nhắc thiết kế EMC là một trong những cơ sở nhất. Đảm bảo rằng bạn giảm thiểu EMI của mình sẽ giúp bạn thiết kế các tiêu chuẩn tuân thủ EMC.
Bằng cách xem xét các hướng dẫn thiết kế EMC trong kỹ thuật nối đất PCB, lựa chọn đầu nối, bộ lọc và phân vùng mạch, trong số các tính năng khác, bạn có thể chọn vật liệu và phương pháp thiết kế hiệu quả nhất cho sản phẩm của mình và vượt qua kiểm tra ngay lần đầu tiên.
