Thị trường điện tử ngày nay yêu cầu tích hợp nhiều chức năng tốc độ cao trên các bảng mạch in thu nhỏ (PCBS) trên một bảng duy nhất, khiến các nhà thiết kế phải đặt hệ thống dây điện rất gần nhau để tối ưu hóa bao bì và không gian. Sự gần nhau này có thể dẫn đến sự kết hợp bất ngờ của các trường điện từ, một hiện tượng được gọi là Nhiễu xuyên âm (xem Hình 1).

Hình 1: Biểu diễn đồ họa của các đường liền kề trên PCB có khả năng gây ra các vấn đề xuyên âm.

Mặc dù không thể tránh khỏi việc đóng gói mật độ cao, nhưng không nên vi phạm một số quy tắc thiết kế PCB nhất định liên quan đến hệ thống dây điện trên PCB để tránh các vấn đề xuyên âm và nhiễu/tương thích điện từ (EMI/EMC) tiềm ẩn.

(Trong các phần sau, cụm từ "mạng quan trọng" dùng để chỉ các đường dữ liệu/đồng hồ tốc độ cao, các đường cảm biến quan trọng, v.v., trên PCB, tùy thuộc vào ứng dụng của PCB.)

Quy tắc 1: Các mạng chính gần mạng I/O

Điều quan trọng là phải xem xét hệ thống dây điện của mạng quan trọng liên quan đến các đường I/O, vì nhiễu có thể dễ dàng được ghép vào bo mạch thông qua các đường I/O đi vào và ra khỏi PCB này (xem Hình 2) hoặc được truyền đến các bảng khác.

Hình 2: Sơ đồ của một kịch bản trong đó mạng quan trọng và mạng I/O được nối dây gần nhau.

Bất kỳ nhiễu nào đi vào bo mạch thông qua đường I/O đều có khả năng được ghép nối với mạng quan trọng mang tín hiệu dữ liệu/đồng hồ quan trọng, về cơ bản là vấn đề miễn nhiễm PCB (Hình 3A). Theo cách tương tự, bất kỳ tín hiệu tốc độ cao nào được mạng quan trọng mang theo đều có thể được ghép nối với mạng I/O và cuối cùng được truyền ra thế giới bên ngoài và vào các mô-đun khác trong hệ thống thông qua các đường I/O ngoài bo mạch. Về nguyên tắc, đây sẽ là vấn đề về bức xạ đối với PCB (Hình 3B).

Hình 3A (trái) và 3B: Các sự cố EMI/EMC tiềm ẩn do sự gần gũi của các mạng quan trọng và I/O

Quy tắc 2: Độ dài dấu vết quan trọng được phơi bày

Trong PCBS tốc độ cao bước sóng ngắn (& GT; 100 MHz), chiều dài điện của bất kỳ mạng quan trọng nào (xem hình 4a) đều đủ để biến nó thành nguồn bức xạ hiệu quả, đặc biệt khi tiếp xúc với các lớp trên cùng hoặc dưới cùng. Bức xạ không mong muốn này có thể được ghép với bất kỳ cáp liền kề nào, thậm chí với cáp trong thiết bị gần cáp. Chúng tôi khuyên bạn nên chôn mạng quan trọng giữa các mặt phẳng rắn của lớp bên trong PCB, như trong Hình 4b. Điều này giúp cách ly trường khỏi đường dây và tránh mọi sự ghép nối ngoài ý muốn dưới dạng nhiễu xuyên âm hoặc EMI. Nếu các mạng quan trọng này phải lộ ra ở lớp ngoài thì chiều dài của phần lộ ra phải càng nhỏ càng tốt. Điều này là do chiều dài của dây tiếp xúc càng ngắn thì chúng phát ra càng ít bức xạ, vì nếu chúng nhỏ về mặt điện thì chúng sẽ là ăng-ten kém hiệu quả.

Quả sung. 4A (trái) và B: Sơ đồ các mạng quan trọng hở hoặc đóng giữa các mặt phẳng

Quy tắc 3: So khớp mạng có sự khác biệt quan trọng

Về lý thuyết, các cặp vi sai truyền tín hiệu có kích thước bằng nhau nhưng có cực tính ngược nhau, vì EMI do chúng tạo ra sẽ triệt tiêu lẫn nhau hoặc không đáng kể. Tuy nhiên, điều này chỉ hiệu quả nếu các đường trong cặp có cùng độ dài và càng gần nhau một cách đối xứng nhất có thể. Vi phạm bất kỳ điều nào trong số này có thể gây ra nhiễu ở chế độ chung và các vấn đề về EMI. Đây là mối quan tâm lớn, đặc biệt đối với các mạng vi sai mang tín hiệu quan trọng tần số cao, vì EMI làm tăng tần số của tín hiệu được mang. Hình 5 cho thấy một số ví dụ về cách nối dây đúng/sai của các cặp khác biệt quan trọng giữa gói IC và các điểm thoát (đầu nối) trên bảng mạch.

Hình 5: Trả về đường dẫn hiện tại có phân chia trong mặt phẳng tham chiếu

So khớp mạng với sự khác biệt quan trọng: Mô phỏng và mối liên hệ với các yêu cầu thử nghiệm thực tế

Trong ví dụ về PCB ở Hình 6A và 6b, chúng ta có một trường hợp đơn giản trong đó các cặp vi sai được nối dây trên PCB theo hai cách khác nhau: đối xứng và không đối xứng. Trong cả hai trường hợp, trong SIwave, chúng được kích thích ở một đầu bởi nguồn điện áp vi sai và được kết nối ở đầu kia bằng tải.

Hình 6A (trái) và B: Ví dụ về các cặp vi sai để nối dây trên PCB

Chúng tôi tiến hành phân tích trường gần trong cả hai trường hợp. Trong PCBS với hệ thống dây đối xứng cặp vi sai, mức trường gần thấp hơn so với hệ thống dây không đối xứng của chúng, như trong Hình. 7A và 7b.

Quả sung. 7a (trái) và B: Trường gần @ 597.45 MHz với mạng cặp chênh lệch đối xứng và bất đối xứng

Giả sử chúng ta muốn kiểm tra PCB theo các yêu cầu về phát xạ bức xạ AIS 004 (ở Ấn Độ) hoặc UNECE R10 (ở Châu Âu) theo quy định EMI/EMC. Hình 8 thể hiện phân tích so sánh của trường xa mô phỏng ở khoảng cách 1 m tính từ PCB trong dải tần 30 MHz -- 1 GHz. Lưu ý rằng trường hợp các cặp hiệu sai không đối xứng làm tăng mức phát xạ khoảng 8 đến 10 dB và cũng dẫn đến không tuân thủ các tần số 563.50 MHz và cao hơn.

Hình 8: So sánh bức xạ 1 m

Mô phỏng của SIwave ở cấp độ PCB cho phép xác định sớm các vấn đề EMI như vậy, từ đó có thể giúp tối ưu hóa PCBS trước khi chúng được thiết kế để thử nghiệm vật lý và thậm chí là mô phỏng ở cấp độ cao hơn.

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Bài viết này được in lại từ “rừng điện tử”, bài viết này chỉ thể hiện quan điểm cá nhân của tác giả, không thể hiện quan điểm của Sakwei và ngành, chỉ sao chép và chia sẻ, hỗ trợ bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ, vui lòng ghi rõ nguồn gốc và tác giả nếu có vi phạm vui lòng liên hệ để xóa.