Nghiên cứu về tối ưu hóa khả năng tương thích điện từ của thiết kế bảng mạch in tốc độ cao doc

Nghiên cứu về tối ưu hóa khả năng tương thích
điện từ của thiết kế bảng mạch in tốc độ cao
Tóm tắt-Trong bài viết này trình bày ba phương pháp tối ưu hóa thiết kế nối đất được
sử dụng để giải quyết vấn đề EMI trên PCB trộn với tín hiệu analog và kỹ thuật số. Một mô
hình được xây dựng để kiểm tra bề mặt hiện tại, trường E, trường H và S-thông số của các
bảng mạch để xem xét ảnh hưởng của các phương pháp tránh vấn đề EMI và SI. Sau đó, thí
nghiệm mô phỏng trên một sản phẩm thực sự được thực hiện để hiển thị các cải thiện sau khi
áp dụng những phương pháp đó.
Từ khóa -high_speed PCB layout; EMC; EMI; spilt ground; SI
I. GIỚI THIỆU
Xu hướng gần đây trong việc sử dụng của các gia đình logic tốc độ cao mạch điện tử
nâng cao EMI (can thiệp điện từ) vấn đề của một sản phẩm PCB. Các tần số cao có thể gây
nhiễu sóng một cách dễ dàng trong một thiết kế không thích hợp chẳng hạn như chuông,
nhiễu xuyên âm, phản xạ và bức xạ. Nếu được bỏ qua, nhiễu có thể ảnh hưởng nghiêm trọng
đến hiệu suất hệ thống. Trong thiết kế PCB, các nhà thiết kế luôn luôn cho rằng mặt phẳng đất
không có gì. Nhưng có lẽ họ không biết rằng vấn đề EMI của PCB có thể là sản phẩm do lỗi
của thiết kế nối mặt phẳng đất.
Bài viết này được tổ chức như sau: Trong phần II, ba yêu cầu để giảm EMI từ in bảng
mạch với thiết kế tiếp đất. Trong phần III, bằng cách sử dụng các công cụ mô phỏng để làm
cho lý thuyết vào ví dụ cụ thể mô phỏng cho phép độc giả trực quan hơn sự hiểu biết về sự
đúng đắn của lý thuyết. Trong phần IV thí nghiệm được thực hiện trong một sản phẩm thực để
thể hiện được cải thiện do thông qua ba kỹ thuật. Cuối cùng, tạo ra một kết luận về thiết kế
nối mặt phẳng đất trong sản phẩm PCB để tránh các vấn đề EMI.
II. BA YÊU CẦU CỦA THIẾT KẾ GROUND
A. Lớp tín hiệu cần phải chặt chẽ với mặt phẳng đất
Trong các vấn đề toàn vẹn tín hiệu, chúng ta thường gọi là "Mặt phẳng đất" như đường trở
lại. Trong tần số cao, điện cảm của đường dẫn tín hiệu và đường dẫn trở lại giảm thiểu, điều
này có nghĩa rằng, miễn là các trường hợp cho phép, trả lại đường dẫn sẽ cố gắng để gần với
đường tín hiệu. Hình 1 Khi hiển thị, có một dòng tín hiệu trên một PCB, và đường trở lại là
nằm ở đường thứ ba. Tại thời điểm này trở kháng của tín hiệu giữa hai lớp trung bình, trở
kháng tương đương Z

1,2
và Z
2,3
[1], Vì vậy, trở kháng các tín hiệu là:
Z
driver
= Z
1,2
+ Z
2,3


Hình 1. Mô hình vật lý của đường tín hiệu và mạch tương đương
Vì vậy, nhỏ hơn trở kháng của hai lớp, hoặc càng thấp, hoặc giá trị Z
driver
càng thấp, trở kháng
của tín hiệu nhiều cách tiếp cận để Z
2,1
.
Do đó, chúng ta có thể kết luận rằng giảm trở kháng giữa các lớp liền kề nhất cách thức quan
trọng để giảm thiểu độ dày của mặt phẳng giữa các phương tiện truyền. Hoặc chúng ta phải
làm cho đường trở lại gần các tín hiệu.
B. Tín hiệu khác nhau thiết lập lên đất khác nhau
Bản chất khác nhau của mạch cần khác nhau tính chính xác của điện áp, trở lại con đường
khác nhau, tại cùng một thời gian, khả năng chịu đựng giới hạn nhiễu là không giống nhau.
Thông thường, tần số của mạch kỹ thuật số cao hơn nhiều, và mô phỏng độ nhạy của nhiễu
mạch là mạnh mẽ hơn, do đó phần kỹ thuật số và một phần tương tự nên được tách ra càng
nhiều càng tốt. Vì vậy, cả hai quay trở lại con đường sẽ lẫn nhau bị cô lập. Khi các bảng mạch
tồn tại như tính chất khác nhau của mạch và trộn với nhau, trong trường hợp đất được phân
vùng [2].

C. Viết qua các phân đoạn giải phóng mặt bằng là không thích hợp
Tín hiệu tương tự và tín hiệu kỹ thuật số cuối cùng sẽ đi trở lại đất, tuy nhiên, do tín hiệu kỹ
thuật số thay đổi tốc độ, do đó, sẽ có rất nhiều nhiễu tạo ra, nhưng các tín hiệu tương tự cần
một đất tham không nhiễu. Nếu không phân chia đất, nhưng trộn lẫn chúng với nhau, nhiễu
tín hiệu kỹ thuật số sẽ ảnh hưởng đến tín hiệu tương tự thông qua đất. Nhiều nhà thiết kế thừa
nhận rằng gần đây, khi họ thiết kế một PCB sản phẩm có tính đến các phân đất. Nhưng mà
không có quyền phân chia đất, vẫn còn có thể mang lại một số vấn đề EMI. Các điển hình
nhất vấn đề gây ra bởi các dòng tín hiệu trên phân khúc khe hở.
Viết qua các phân khúc giải phóng mặt bằng có thể gây ra những câu dưới đây:
 Kết quả trở kháng đường dây gián đoạn;
 Tạo nhiễu xuyên âm;
 Có thể gây ra phản xạ tín hiệu;
 Tăng khu vực vòng lặp hiện tại, các vòng lặp điện cảm, và làm cho dạng sóng đầu ra
dễ bị dao động;
 Tăng bức xạ, và dễ bị tổn thương. tác động của không gian từ;
 Hãy nối từ trường khác mạch một cách dễ dàng;
 Tần số cao giảm điện áp của vòng lặp điện cảm thành phần của chế độ phổ biến bức
xạ, và thông qua một cáp bên ngoài sinh ra phổ biến chế độ bức xạ.
Khi chúng tôi thiết kế một mạch tín hiệu hỗn hợp, chúng tôi không thể cho phép tương tự mặt
phẳng đất và các sản phẩm kỹ thuật số mặt đất chồng chéo [1]. Nếu không, cả hai sẽ gây ra
tiếng ồn và can thiệp vì các khớp nối điện dung [3]. Như hình 2 hiển thị, nếu có một dòng trên
sự hình thành không thể thiếu, vì vậy, vấn đề là những gì? Nếu chúng ta sử dụng các phân
khúc phương pháp như hình dưới đây, giả sử chúng ta chia đất vào kỹ thuật số mặt đất
(DGND) và mặt đất tương tự (AGND), và giả sử rằng hai phần của liên kết đất cùng nhau tại
một điểm không chắc chắn, con đường trở lại tín hiệu hình dưới đây, không dưới đường tín
hiệu, nhưng quay trở lại một mình điểm kết nối và tạo thành một vòng lặp lớn.

Như chúng ta biết, dòng chảy qua các đa dẫn bề mặt sẽ sản xuất chế độ phổ biến EMI, kết quả
đầu ra hiện tại của dòng chảy các thành phần mạch vào tải trọng sẽ tạo ra sự khác biệt giữa

chế độ EMI [4].
Chế độ khác biệt giữa bức xạ được tính như [5]:
Trong công thức này:
Ip Hai lớp trở kháng
f Tần số hiện tại
Ls Khu vực vòng lặp
d Khoảng cách đo ăng-ten để cáp
Từ công thức trên, nó là bức xạ cường độ tỷ lệ thuận với khu vực vòng lặp, có nghĩa
là, lớn của con đường trở lại, lớn hơn của bức xạ. Từ phân tích, chúng ta có thể kết luận rằng
vì sự tín hiệu trên các phân khúc giải phóng mặt bằng dẫn đến tín hiệu hiện tại không thể
được trở về nguồn thông qua tối thiểu vòng lặp, và các năng lượng bức xạ điện từ bằng cách
chế độ khác biệt và vì tín hiệu hiện tại chảy ngược trở kháng trở nên rất lớn [6] [7]. Vì vậy,
tiếng ồn hiện tại trên mặt đất cũng có thể trở nên lớn và chế độ bức xạ phổ biến phát sinh từ
các điện áp khác biệt lớn trên mặt đất là cũng rất mạnh mẽ. Nếu có một số đường tín hiệu phải
trên hai loại đất, nhà thiết kế kết nối mặt đất với một điểm duy nhất theo tín hiệu, để làm cho
con đường trở lại ngắn nhất [8].
III. MODEL xác nhận
Để xác minh sự đúng đắn của lý thuyết, bài viết này sử dụng các phần mềm mô phỏng
để xác minh các điểm trên. Ở đây chúng tôi sử dụng SIwave và HFSS để mô phỏng.
Bài viết này thiết lập một bảng mạch hai lớp PCB. Như thể hiện trong hình. 3, giả sử rằng có
một đường tín hiệu từ trên AGND DGND ở trên. Từ 0.135mm máy bay mặt đất và cung cấp
cho một dòng điện đến đường dây này tại điểm A và quan sát bề mặt hiện hành, phân phối
của cánh đồng gần E, H và cách ly trên toàn bộ hội đồng quản trị.

Bài viết này kết nối AGND và DGND ở vị trí khác nhau, như hình 3 cho thấy, B nằm ngay
bên dưới đường tín hiệu, C nằm ở dưới cùng của cạnh của phân khúc giải phóng mặt bằng, D
nằm ở trên một phần của các cạnh của phân khúc giải phóng mặt bằng. Phân tích hiện tại bề
mặt, các lĩnh vực gần S_ các thông số về ba điều kiện.
A. Bề mặt hiện tại
Chúng tôi phân tích bề mặt hiện tại trong HFSS, Hình 4, Fig.5 và Fig.6 là kết quả mô

phỏng về hiện tại bề mặt của kết nối của B, C, và D. các số liệu so sánh như sau:



Tương phản có thể được tìm thấy, bề mặt hiện tại phân phối về C và D là lớn hơn so
với B. Trên kết nối đường dây, C và D cũng sản xuất bề mặt lớn hơn không phân phối. Nhưng
chúng ta có thể biết từ Hình 4 mà khi điểm nằm ở B, bề mặt hiện tại phân phối là tập trung,
chủ yếu dưới đường tín hiệu, vì vậy bức xạ nhỏ hơn khác hai.
B. Gần trường
Bài viết này sử dụng SIwave để có được cánh đồng gần kết quả phân tích lĩnh vực điện từ,
bởi vì mối quan hệ phức tạp về điện trường và từ trường gần trường. E và H không xác định
mối quan hệ. Vì vậy, chúng tôi mô phỏng nhau.

Fig.7 Cường độ từ trường:


Fig.8 Cường độ điện trường:

Kết luận có thể được rút ra từ hai nhóm hình ảnh lên. Khi kết nối được nằm dưới đường tín
hiệu (điểm B), phân phối năng lượng được tập trung; hầu hết trong số đó là dưới đường tín
hiệu. Vì vậy, diễn đàn này không nên sản xuất bức xạ, và có rất ít ảnh hưởng đến bên ngoài.
Nhưng khi kết nối C và D, cho dù điện trường hoặc từ trường có thể được nhìn thấy rằng năng
lượng và không hoàn toàn dọc theo đường dây phân phối. Trong vị trí của kết nối, cũng có
năng lượng phân phối đó có nghĩa là nó có thể dễ dàng sản xuất EMI vấn đề.
C. Cách ly
Kết nối S-tham số thăm dò trên các tín hiệu đầu vào cổng và cổng tín hiệu chảy
ngược, để có được điện áp chuyển tiếp hệ số truyền (S (2,1)).


Nó có thể được nhìn thấy từ Fig.9, khi kết nối được nằm dưới tín hiệu, hệ số truyền tối

thiểu, hoặc chúng ta có thể nói rằng tác động là giảm thiểu các thiết bị trên tàu.
IV. Một ví dụ ứng dụng
Đối với thiết kế ban đầu của PCB 4 lớp, tương tự Các GND nằm ở lớp thứ ba (GND)
(Fig.10 (a)), RF tín hiệu mặt đất tham chiếu trong lớp-4 (phía dưới) (Fig.10 (b), (c)). BCI biện
pháp không đáp ứng tiêu chuẩn ISO 11452-4 yêu cầu, dựa trên phân tích lý thuyết, chúng ta
có thể có được hội đồng quản trị này tồn tại trong những vấn đề sau đây:
 dây tín hiệu RF quá xa RF_GND
 Không chế biến cách ly giữa RF và kỹ thuật số mặt đất.
 Rỗng trong GND làm cho con đường trở lại không liên tục giữa RF và kỹ thuật số, kết
quả trong con đường trở lại là không thể kiểm soát và làm cho EMI vấn đề.



Vì vậy, cải thiện Fig.11 thể hiện như sau:
 Sử dụng các đồng để điền vào màu đen vào GND lớp (kỹ thuật số lớp) và tách ra RF
đất (a)
 Kết nối mặt đất RF và mặt đất kỹ thuật số với một điểm duy nhất dưới đường tín hiệu
(b)
 Ngắt kết nối GND kỹ thuật số và RF GND lớp dưới cùng (c)



Để xác nhận tác dụng cải thiện, sử dụng SIwave mô phỏng để có được S-các thông số.
PORT_1 cho các cổng đầu vào thực tế, PORT_2 thiết lập như là mỗi pin chip RF. S
1
,
2
là ngày
cho sự can thiệp từ kết nối cổng vào cổng của RF chip. Nhỏ hơn các S
1

,
2
là nhiễu xuyên âm
nhỏ.
Figure.12 để Figure.13 là trước và sau khi biểu đồ so sánh cho cổng nhạy cảm nhất. Từ đó
chúng ta có thể biết rằng tín hiệu nhiễu xuyên âm chủ yếu là cải thiện, tín hiệu nhiễu có được
hiệu quả ức chế, và xác minh những cải tiến có tính khả thi.

V. KẾT LUẬN
Trong quá trình thiết kế PCB, EMC là không được bỏ qua, điều này giấy kết hợp ví dụ
lý thuyết và thực tiễn để thảo luận về những vấn đề EMC và SI trong PCB tín hiệu hỗn hợp
mặt đất thiết kế và phân tích mối quan hệ chặt chẽ giữa các khu vực vòng lặp và bức xạ điện
từ và SI. Sử dụng phần mềm mô phỏng EMC để xác minh nó. Các kết quả cho thấy rằng một
phân đoạn mặt đất tốt cho tốc độ cao PCB có một ý nghĩa to lớn.

Tài liệu tham khảo
[1] Eric Bogatin, Signal Integrity:Simplified,2005
[2] Jing wei, “The Split Ground Plane”, Printed Circuit Information, 2007, (3), pp.39-43.
[3] J, Q, Shen, “Improve the electromagnetic compatibility of the mixed signal PCB partition
design”, Digital technology and application, 2010, (9), pp.81-82.
[4] Neal Schneier, “High Speed Digital Interconnect analysis”, 1998 IEEE Aerospace
Conference.
[5] Tamir E Moran, “Methods to Reduce Radiations from Spilt Ground Plane Structures”,
IEEE, 1999.
[6] Ohnson H, “Common Mode Ground Currents”, HSDD, newsletter v01.7#02, 2002
[7] H, Z, Gu, “The PCB EMC technology, Design Practice”, 2004.
[8] A, F, Qian, “Printed circuit board design of EMI solution”, EDN Electronic design
technology, 2009,(1), pp.70-71