Dzisiejszy rynek elektroniki wymaga integracji wielu szybkich funkcji na zminiaturyzowanych płytkach drukowanych (PCBS) na jednej płytce, co skłania projektantów do umieszczania okablowania bardzo blisko siebie, aby zoptymalizować opakowanie i przestrzeń. Ta bliskość może prowadzić do nieoczekiwanego sprzężenia pól elektromagnetycznych, zjawiska znanego jako przesłuch (patrz rysunek 1).

Rysunek 1: Graficzne przedstawienie sąsiednich linii na płytce PCB z potencjalnymi problemami z przesłuchami.

Chociaż pakowanie o dużej gęstości jest nieuniknione, nie należy naruszać pewnych zasad projektowania płytek PCB związanych z okablowaniem na płytce PCB, aby uniknąć potencjalnych problemów z przesłuchami i zakłóceniami/kompatybilnością elektromagnetyczną (EMI/EMC).

(W poniższych sekcjach wyrażenie „sieć krytyczna” odnosi się do szybkich linii zegara/danych, ważnych linii czujników itp. na płytce PCB, w zależności od zastosowania płytki PCB.)

Zasada 1: Sieci kluczowe w pobliżu sieci we/wy

Ważne jest, aby przyjrzeć się okablowaniu sieci krytycznej powiązanej z liniami we/wy, ponieważ szum może łatwo zostać wprowadzony do płytki poprzez te linie we/wy wchodzące i wychodzące z płytki drukowanej (patrz rysunek 2) lub przenoszony do inne deski.

Rysunek 2: Schemat scenariusza, w którym sieć krytyczna i sieć we/wy są połączone blisko siebie.

Każdy szum, który dotrze do płytki przez linię we/wy, może zostać sprzężony z siecią krytyczną, która przenosi ważne sygnały danych/zegara, co jest w zasadzie problemem związanym z odpornością PCB (rysunek 3A). W podobny sposób wszelkie szybkie sygnały przenoszone przez sieć krytyczną można podłączyć do sieci we/wy i ostatecznie przesłać do świata zewnętrznego oraz do innych modułów w systemie za pośrednictwem linii we/wy wychodzących z płytki. W zasadzie byłby to problem promieniowania dla płytki drukowanej (rysunek 3B).

Rysunki 3A (po lewej) i 3B: Potencjalne problemy EMI/EMC spowodowane bliskością sieci krytycznych i sieci we/wy

Zasada 2: Odsłonięta krytyczna długość śladu

W przypadku szybkich PCB o małej długości fali (& GT; 100 MHz), długość elektryczna dowolnej sieci krytycznej (patrz rysunek 4a) jest wystarczająca, aby uczynić ją skutecznym źródłem promieniowania, zwłaszcza gdy jest wystawiona na działanie górnych lub dolnych warstw. To niepożądane promieniowanie może być sprzężone z dowolnym sąsiednim kablem, nawet z kablem w urządzeniu znajdującym się blisko kabla. Zalecamy zakopanie sieci krytycznej pomiędzy jednolitymi płaszczyznami wewnętrznej warstwy płytki PCB, jak pokazano na rysunku 4b. Pomaga to odizolować pole od linii i uniknąć niezamierzonego sprzężenia w postaci przesłuchu lub zakłóceń elektromagnetycznych. Jeżeli te krytyczne sieci muszą być odsłonięte w warstwie zewnętrznej, długość odsłoniętej części powinna być jak najmniejsza. Dzieje się tak dlatego, że im krótsza jest długość odsłoniętych przewodów, tym mniej emitują promieniowania, ponieważ gdyby były małe elektrycznie, byłyby nieefektywnymi antenami.

Ryc. 4A (po lewej) i B: Schematy odsłoniętych lub zamkniętych sieci krytycznych między płaszczyznami

Zasada 3: Dopasowanie sieci z różnicą krytyczną

Teoretycznie pary różnicowe przesyłają sygnały o jednakowej wielkości, ale o przeciwnej polaryzacji, ponieważ wytwarzane przez nie zakłócenia elektromagnetyczne znoszą się wzajemnie lub są nieistotne. Działa to jednak tylko wtedy, gdy linie w parze mają tę samą długość i są tak blisko siebie, jak to możliwe symetrycznie. Naruszenie któregokolwiek z nich może spowodować zakłócenia w trybie wspólnym i problemy z zakłóceniami elektromagnetycznymi. Jest to bardzo niepokojące, zwłaszcza w przypadku sieci różnicowych przenoszących krytyczne sygnały o wysokiej częstotliwości, ponieważ EMI zwiększa częstotliwość przenoszonych sygnałów. Rysunek 5 pokazuje kilka przykładów prawidłowego/niepoprawnego okablowania par różnic krytycznych pomiędzy pakietem układu scalonego a punktami wyjściowymi (złączami) na płytce drukowanej.

Rysunek 5: Ścieżka prądu powrotnego z podziałem w płaszczyźnie odniesienia

Dopasowanie sieci różnic krytycznych: symulacja i powiązanie z rzeczywistymi wymaganiami testowymi

W przykładzie płytki drukowanej na rysunkach 6A i 6b mamy prosty przypadek, w którym pary różnicowe są okablowane na płytce drukowanej na dwa różne sposoby: symetryczny i asymetryczny. W obu przypadkach w SIwave są one wzbudzane na jednym końcu przez źródło napięcia różnicowego, a na drugim końcu połączone przez obciążenie.

Rysunki 6A (po lewej) i B: Przykłady par różnicowych do okablowania na płytce drukowanej

W obu przypadkach przeprowadzamy analizę bliskiego pola. W PCB z symetrycznym okablowaniem par różnicowych poziom pola bliskiego jest niższy niż w przypadku okablowania asymetrycznego, jak pokazano na rys. 7A i 7b.

Ryc. 7a (po lewej) i B: Pole bliskie @ 597.45 MHz z symetrycznymi i asymetrycznymi sieciami par różnicowych

Załóżmy, że chcemy przetestować płytkę drukowaną zgodnie z przepisami EMI/EMC AIS 004 (w Indiach) lub wymaganiami dotyczącymi emisji promieniowania UNECE R10 (w Europie). Rysunek 8 przedstawia analizę porównawczą symulowanego pola dalekiego w odległości 1 m od płytki PCB w zakresie częstotliwości 30 MHz – 1 GHz. Należy pamiętać, że przypadek asymetrycznych par różnicowych zwiększa poziom emisji o około 8 do 10 dB, a także powoduje niezgodność z częstotliwościami 563.50 MHz i wyższymi.

Rysunek 8: Porównanie promieniowania na odległość 1 m

Symulacja SIwave na poziomie PCB umożliwia wczesną identyfikację takich problemów EMI, co może pomóc zoptymalizować PCB, zanim zostaną zaprojektowane do testów fizycznych, a nawet symulacji wyższego poziomu.

Zastrzeżenie: ten artykuł został przedrukowany z „electronic Forest”, ten artykuł przedstawia jedynie osobiste poglądy autora, nie reprezentuje poglądów Sakwei i branży, jedynie powielany i udostępniany, wspiera ochronę praw własności intelektualnej, proszę wskazać oryginalne źródło i autor, jeśli doszło do naruszenia, skontaktuj się z nami, aby usunąć.