Bảng mạch in (PCB) là bộ phận chính của bất kỳ thiết bị điện và điện tử nào quyết định hiệu suất cao và chức năng chính xác của chúng. Chất lượng và lợi thế của các thiết bị điện tử liên quan trực tiếp đến chất lượng và thiết kế chuyên nghiệp của PCB. Bất kỳ PCB nào cũng bao gồm các bộ phận khác nhau như nguồn điện, mặt đất, mạch điện, linh kiện điện tử (IC, điện trở, tụ điện và cuộn cảm), trace, ăng-ten và mô-đun RF.
Các thiết bị điện tử có chức năng tốt nhất nhưng không tuân thủ EMC/EMI sẽ không được bán trên thị trường. Vì vậy, chúng được yêu cầu phải đáp ứng tất cả các tiêu chuẩn và yêu cầu về thiết kế hệ thống điện tử bên cạnh chất lượng của chúng. Một trong những tiêu chuẩn quan trọng nhất là EMC/EMI.
Hiểu EMC/EMI
Dựa trên định luật Faraday, bất kỳ mạch điện nào có dòng điện đi qua đều tạo ra một trường điện từ xung quanh nó. Số đo của trường điện từ có liên quan đến tốc độ thay đổi diện tích vòng dây và dòng điện.
Nếu năng lượng điện từ này vượt quá mức sẽ gây ra tác động có hại cho các bộ phận khác. Do đó, trong PCB có một số mạch hiện có và các loại linh kiện điện tử khác nhau, đặc biệt là mô-đun RF, năng lượng điện từ không mong muốn phát ra có ảnh hưởng lớn đến các bộ phận lân cận sẽ cản trở hoạt động của chúng trong PCB và thậm chí trên các thiết bị điện tử khác. Do đó, trong một số trường hợp, việc giảm nhiễu điện từ (EMI) trong quá trình thiết kế PCB là một thách thức đáng kể .
EMC/EMI là một thành phần thiết yếu trong bất kỳ thiết bị điện tử nào. EMC (Tương thích điện từ) là khả năng miễn dịch của thiết bị điện tử chống lại tiếng ồn bên ngoài để hoạt động chính xác và hiệu quả. PCB hiệu suất EMC tốt nhất có ba đặc điểm: nó không can thiệp vào các bo mạch khác, có khả năng miễn nhiễm với sự phát xạ EM của các PCB khác và không can thiệp vào hoạt động của nó.
Nguồn EMI
Một số tài nguyên tạo ra phát thải EM. Phát thải không mong muốn có hai trạng thái, phát xạ bức xạ và phát xạ dẫn. Việc nhận biết các nguồn EMI giúp cung cấp giải pháp EMI hạn chế liên quan đến nguồn cụ thể đó.
EMI đến từ các linh kiện điện tử, bố cục PCB và các yếu tố bên ngoài. Các linh kiện điện tử có mức tiêu thụ điện áp cao chuẩn bị cho các vấn đề EMI. Trở kháng không khớp, khả năng ghép điện dung kém, mạch chuyển mạch và trace tần số cao là những yếu tố quan trọng gây ra phát thải EM từ cách bố trí PCB. Hãy xem xét một phương pháp thiết kế phù hợp để giảm EMI liên quan đến từng yếu tố này.
Nói chung, khả năng tương thích điện từ (EMC) chỉ có thể đạt được bằng nhiều cân nhắc trong thiết kế PCB, chẳng hạn như có các mặt phẳng nền vững chắc trong các lớp PCB khác nhau, các cân nhắc đặc biệt đối với tín hiệu tốc độ cao, chẳng hạn như kết hợp trở kháng và sử dụng các phần tử đặc biệt như làm bộ lọc hoặc phần tử loại bỏ tần số trong thiết kế PCB.
Một số thực tiễn cho EMI thành phần hạn chế
- Linh kiện điện tử có công suất cao tạo ra phát thải EM, vì vậy hãy cố gắng sử dụng các linh kiện tiêu thụ điện năng thấp.
- Trong các ứng dụng tần số cao, hãy sử dụng SMD (thiết bị gắn trên bề mặt). SMD cung cấp điện trở và độ tự cảm thấp hơn đồng thời giảm phát xạ RF.
- Được nhóm và tách cùng loại thành phần tín hiệu khỏi các loại thành phần khác nhau, ví dụ: các thành phần tương tự nằm gần nhau và cách ly với các thành phần kỹ thuật số.
- Sử dụng lồng Faraday cho các linh kiện điện tử nhạy cảm giúp bảo vệ linh kiện khỏi EMI bên ngoài và cũng tránh phát xạ RF ra môi trường.
Các phương pháp thiết kế hàng đầu dành cho bố cục PCB và trace EMI hạn chế
- Các loại trace Tín hiệu khác nhau phải được phân chia với nhau. Trace tín hiệu được phân loại thành tín hiệu tốc độ cao, tốc độ thấp, kỹ thuật số, analog, clock, video, âm thanh và tín hiệu reset.
- Khoảng cách trace phải dựa trên tiêu chuẩn IPC.
- Sử dụng các cặp tín hiệu vi sai vì chúng tạo ra cực tính nghịch đảo và có thể hoạt động ở điện áp thấp hơn để giúp giảm EMI.
- Xoay 45° thay vì uốn cong 90°. Các góc nhọn trong trace gây ra sự thay đổi giá trị trở kháng đặc tính và sự phản xạ tăng lên.
- Che chắn trace tín hiệu clock bảo vệ chúng khỏi EMI.
- Đường dẫn tín hiệu trở lại dài cung cấp trở kháng cao hơn và gây ra EMI cao hơn. Vì vậy, hãy giảm thiểu đường truyền tín hiệu trở lại ground.
- Kỹ thuật tụ điện decoupling trong mạch tốc độ cao giúp giảm phát thải bức xạ.
- Trở kháng hoà hợp giữa nguồn và tải trong ứng dụng tốc độ cao giúp giảm ringing và phản xạ tần số cao.
Sắp xếp lớp PCB và Stack-up
Việc sắp xếp lớp PCB và Tiêu chuẩn đúng cách có thể giúp giảmEMI từ các lớp tín hiệu. Tránh việc xếp các lớp tín hiệu cạnh nhau và nên sử dụng plane ground giữa chúng.
Che chắn để bảo vệ PCB khỏi EMI bên ngoài
- Việc che chắn một phần hoặc toàn bộ bo mạch sẽ bảo vệ PCB khỏi EMI bên ngoài.
- Sử dụng cáp có vỏ bọc cho tín hiệu số và tín hiệu analog để giảm phát xạ điện từ của các tín hiệu này ra môi trường.
Kiểm tra EMI/EMC
Điều hợp lý và quan trọng là phải quan sát các vấn đề EMI khi bắt đầu các bước trong quy trình thiết kế. Cuối cùng, một thiết bị điện tử dựa trên danh mục ứng dụng và thị trường của nó cần phải vượt qua bài kiểm tra EMI hay gọi đơn giản là kiểm tra tuân thủ. Theo quy định của chính phủ, các thiết bị điện tử và RF không được làm phiền hoạt động của nhau và cản trở hoạt động liên lạc không dây. Chứng chỉ FCC dành cho thiết bị điện tử thể hiện rằng thiết bị đã vượt qua tất cả các bước của quy trình thử nghiệm tiêu chuẩn EMI.
