PCB tasarımında, elektromanyetik uyumluluk (EMC) ve ilgili elektromanyetik girişim (EMI), geleneksel olarak mühendisler için iki büyük baş ağrısı olmuştur; özellikle günümüzün devre kartı tasarımlarında ve bileşen paketleri küçülmeye devam ederken, OEM'ler daha yüksek hızlı sistemlere ihtiyaç duymaktadır.Bu yazımda PCB tasarımında elektromanyetik sorunlardan nasıl kaçınılabileceğini paylaşacağım.
1. Odak noktası çapraz konuşma ve hizalamadır
Doğru akım akışını sağlamak için hizalama özellikle önemlidir.Akım bir osilatörden veya benzeri bir cihazdan geliyorsa, akımın toprak katmanından ayrı tutulması veya akımın başka bir hizaya paralel olarak akmasını önlemek özellikle önemlidir.Paralel olarak iki yüksek hızlı sinyal, özellikle çapraz karışma olmak üzere EMC ve EMI üretebilir.Direnç yollarının mümkün olduğu kadar kısa, dönüş akımı yollarının ise mümkün olduğu kadar kısa tutulması önemlidir.Dönüş yolunun uzunluğu iletim yolunun uzunluğuyla aynı olmalıdır.
EMI için yollardan biri “ihlal yolu”, diğeri ise “kurban yolu” olarak adlandırılmaktadır.Endüktif ve kapasitif kuplaj, elektromanyetik alanların varlığından dolayı “kurban” yolunu etkiler, böylece “kurban yolu” üzerinde ileri ve geri akımlar üretir.Bu şekilde, sinyalin gönderme ve alma uzunluklarının neredeyse eşit olduğu kararlı bir ortamda dalgalanma üretilir.
Kararlı hizalamalara sahip, iyi dengelenmiş bir ortamda, indüklenen akımlar birbirini iptal etmeli, böylece karışma ortadan kaldırılmalıdır.Ancak böyle bir şeyin gerçekleşmediği kusurlu bir dünyadayız.Bu nedenle amacımız, tüm hizalamalar için karışmanın minimumda tutulması gerektiğidir.Paralel çizgiler arasındaki genişlik, çizgilerin genişliğinin iki katı olursa karışma etkisi en aza indirilebilir.Örneğin, çizgi genişliği 5 mil ise, iki paralel çizgi arasındaki minimum mesafe 10 mil veya daha fazla olmalıdır.
Yeni malzemeler ve bileşenler ortaya çıkmaya devam ettikçe PCB tasarımcılarının da EMC ve girişim sorunlarıyla uğraşmaya devam etmesi gerekiyor.
2. Ayırma kapasitörleri
Dekuplaj kapasitörleri karışmanın istenmeyen etkilerini azaltır.Düşük AC empedansı sağlayan ve gürültüyü ve karışmayı azaltan cihazın güç ve toprak pinleri arasına yerleştirilmelidirler.Geniş bir frekans aralığında düşük empedans elde etmek için çoklu dekuplaj kapasitörleri kullanılmalıdır.
Dekuplaj kapasitörlerinin yerleştirilmesinde önemli bir prensip, hizalamalar üzerindeki endüktif etkileri azaltmak için en düşük kapasitans değerine sahip kapasitörün cihaza mümkün olduğunca yakın yerleştirilmesidir.Bu özel kapasitör, cihazın güç kaynağı pinlerine veya güç kaynağı kanalına mümkün olduğu kadar yakın yerleştirilmeli ve kapasitörün pedleri doğrudan kanallara veya toprak seviyesine bağlanmalıdır.Hizalama uzunsa toprak empedansını en aza indirmek için birden fazla yol kullanın.
3. PCB'nin topraklanması
EMI'yi azaltmanın önemli bir yolu PCB topraklama katmanını tasarlamaktır.İlk adım, emisyonların, karışmanın ve gürültünün azaltılabilmesi için PCB kartının toplam alanı içerisinde topraklama alanını mümkün olduğunca geniş hale getirmektir.Her bir bileşeni bir topraklama noktasına veya topraklama katmanına bağlarken özellikle dikkatli olunmalıdır; bu olmadan güvenilir bir topraklama katmanının nötrleştirme etkisinden tam olarak yararlanılamaz.
Özellikle karmaşık bir PCB tasarımında birkaç kararlı voltaj bulunur.İdeal olarak, her referans voltajının kendine karşılık gelen topraklama katmanı vardır.Ancak çok fazla topraklama katmanı PCB'nin üretim maliyetini artıracak ve onu çok pahalı hale getirecektir.Bir uzlaşma, her biri birkaç topraklama bölümü içerebilen üç ila beş farklı konumda topraklama katmanları kullanmaktır.Bu yalnızca kartın üretim maliyetini kontrol altına almakla kalmaz, aynı zamanda EMI ve EMC'yi de azaltır.
EMC'nin en aza indirilmesi isteniyorsa düşük empedanslı bir topraklama sistemi önemlidir.Çok katmanlı bir PCB'de, düşük empedansa sahip olduğundan, bir akım yolu sağladığından ve ters sinyallerin en iyi kaynağı olduğundan, bakır denge bloğu (bakır hırsızlığı) veya dağınık bir topraklama katmanı yerine güvenilir bir topraklama katmanına sahip olmak tercih edilir.
Sinyalin yere dönmesi için geçen sürenin uzunluğu da çok önemlidir.Sinyalin kaynağa gidip gelmesi için geçen süre karşılaştırılabilir olmalıdır, aksi takdirde anten benzeri bir olay meydana gelecek ve yayılan enerjinin EMI'nin bir parçası haline gelmesine izin verilecektir.Benzer şekilde, sinyal kaynağına giden/sinyal kaynağından gelen akımın hizalanması mümkün olduğu kadar kısa olmalıdır, eğer kaynak ve dönüş yolları eşit uzunlukta değilse, zemin sıçraması meydana gelecek ve bu da EMI üretecektir.
4. 90° açılardan kaçının
EMI'yi azaltmak için hizalamanın, yolların ve diğer bileşenlerin 90° açı oluşturacak şekilde ayarlanmasından kaçınılmalıdır, çünkü dik açı radyasyon üretecektir.90° açıyı önlemek için köşeye en az iki adet 45° açılı kablo hizalaması yapılmalıdır.
5. Aşırı delik kullanımında dikkatli olunması gerekir
Hemen hemen tüm PCB düzenlerinde, farklı katmanlar arasında iletken bir bağlantı sağlamak için yolların kullanılması gerekir.Bazı durumlarda, hizalamada yolların oluşturulması sırasında karakteristik empedans değiştiğinden yansımalar da üretirler.
Via'ların hizalamanın uzunluğunu artırdığını ve eşleştirilmesi gerektiğini unutmamak da önemlidir.Diferansiyel hizalamalar durumunda, mümkün olduğunca yollardan kaçınılmalıdır.Bu kaçınılmazsa, sinyal ve dönüş yollarındaki gecikmeleri telafi etmek için her iki hizalamada da yollar kullanılmalıdır.
6. Kablolar ve fiziksel koruma
Dijital devreleri ve analog akımları taşıyan kablolar parazitik kapasitans ve endüktans üreterek EMC ile ilgili birçok soruna neden olabilir.Bükümlü çift kablolar kullanıldığında düşük düzeyde bir bağlantı korunur ve oluşturulan manyetik alanlar ortadan kaldırılır.Yüksek frekanslı sinyaller için, EMI girişimini ortadan kaldırmak amacıyla hem önden hem de arkadan topraklanmış ekranlı kablolar kullanılmalıdır.
Fiziksel koruma, EMI'nin PCB devresine girmesini önlemek için sistemin tamamının veya bir kısmının metal bir paketle kaplanmasıdır.Bu koruma, kapalı, toprak ileten bir kapasitör gibi davranarak anten döngüsünün boyutunu azaltır ve EMI'yi emer.
Gönderim zamanı: 23 Kasım 2022