Thiết kế bo mạch máy giặt đảm báo tính tương thích điện từ - môn tương thích điện từ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
TIỂU LUẬN MÔN HỌC
TIỂU LUẬN MÔN HỌC
TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ
TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ
ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ BO MẠCH MÁY GIẶT ĐẢM BẢO TÍNH
TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ
Người hướng dẫn : PGS.TS. Tăng Tấn Chiến
Họ và tên học viên : Huỳnh Văn Đông
Lớp : Kỹ thuật điện tử - Khóa 25
Đà Nẵng, 10/2013
MỤC LỤC
Chương 1: Tổng quan về tương thích điện từ 1
1.1 Các thành phần trong môi trường điện từ 1
1.1.1 Nguồn nhiễu điện từ 1
1.1.2 Đường nối 2
1.1.3 Thiết bị ảnh hưởng nhiễu điện từ 2
1.2 Kết luận 3
Chương 2: Lựa chọn linh kiện và kỹ thuật thiết kế mạch 4
2.1 Lựa chọn linh kiện 4
2.1.1 Lựa chọn điện trở 4
2.1.2 Lựa chọn tụ điện 5
2.1.1 Lựa chọn cuộn cảm 6
2.1.1 Lựa chọn diode 8
2.2 Mạch tích hợp IC

10
2.2.1 Đóng gói mạch tích hợp

10
2.2.2 Mạch điều chỉnh và ổn định điện áp 11
2.2.3 Ghép nối các thiết bị 11
2.2.3.1 Kiểu nối tiếp 12
2.2.3.2 Kiểu song song 13
2.2.3.3 Kiểu RC 13
2.2.3.4 Kiểu Thevenin 14
2.2.3.5 Kiểu ghép nối diode 14
2.2.4 Mạch vi điều khiển 14
2.2.4.1 Chân vào ra 15
2.2.4.2 Chân Reset 15
2.2.4.3 Mạch dao động 16
Trang 2
2.3 Kết luận

17
Chương 3: Kỹ thuật Layout và in mạch 18
3.1 Những đặc điểm cơ bản của bản mạch in 18
3.1.1 Kỹ thuật phân đoạn 18
3.2 Kỹ thuật Layout 18
3.2.1 Kỹ thuật Layout bảng mạch nhiều lớp 18
3.2.2 Đi dây góc 45 độ 19
3.2.3 Sắp xếp tín hiệu hình sao 19
3.2.4 Sắp xếp các tín hiệu bức xạ 19
3.2.5 Đường đi dây có độ rộng không đổi 19
3.2.6 Tối thiểu hóa khu vực lặp 19
3.3 Kỹ thuật nối đất 20
3.3.3.1 Đường nối đất trong bảng mạch in một lớp 20
3.3.3.2 Đường nối đất trong bảng mạch in hai lớp 20
3.3.3.3 Vòng bảo vệ 21

3.3.3.4 Tụ điện của bảng mạch in 21
3.3.3.5 Mạch có tốc độ cao và mạch có tốc độ chậm 21
3.3.3.6 Lấp đầy lớp đất bằng lớp đồng 21
3.3.3.7 Lớp nguồn và lớp đất trong bảng mạch in đa lớp 22
3.3.3.8 Bảng mạch có nhiều mức điện áp 22
3.4 Kỹ thuật phủ và bảo vệ 22
3.5 Kết luận

23
PHỤ LỤC 25
Trang 3
Các Bảng
Bảng 1: Một số đặc trưng của các loại
Diode………………………………………….8
Bảng 2: Tóm tắt một số kiểu đi
dây………………………………………………… 12
Các Hình
Hình 1: Mô hình nhiễu điện từ…………………………………………………………
1
Hình 2: Từ trường trong lõi cuộn cảm…………………………………………………6
Hình 3: Cuộn cảm vòng hở…………………………………………………………….6
Hình 4: Bộ lọc LC…………………………………………………………………… 7
Hình 5: Mạch lọc nguồn AC………………………………………………………… 7
Hình 6: Bảo vệ chuyển mạch tức thời trong
Relay…………………………………….9
Hình 7: Bảo vệ chuyển mạch tức thời
DC…………………………………………… 9
Hình 8: Bảo vệ chuyển mạch DC trong máy biến
áp………………………………… 9
Hình 9: Tụ điện trong mạch điều chỉnh và ổn định điện

áp………………………… 11
Hình 10: Phương pháp nối tiếp……………………………………………………….12
Hình 11: Phương pháp song song…………………………………………………….13
Hình 12: Phương pháp RC……………………………………………………………13
Hình 13: phương pháp thevenin………………………………………………………
14
Hình 14: phương pháp Diode…………………………………………………………
14
Trang 4
Hình 15: Mạch dao động thạch anh 1Mhz đến 20MHz………………………………
17
Hình 16: Kỹ thuật phân đoạn các
khối……………………………………………… 18
Hình 17: Đi dây góc………………………………………………………………… 19
Hình 18: Vòng lặp
đất……………………………………………………………… 20
Hình 19: Vòng bảo vệ……………………………………………………………… 21
Hình 20: Sắp xếp đi dây trong bảng mạch in nhiều lớp………………………………
22
Hình 21: Đi dây trong mạch nhiều mức điện
áp…………………………………… 22
Hình 22: Kỹ thuật phủ và bảo vệ…………………………………………………… 23
Các chữ viết tắt
CM Common Mode Mode chung
DM Differential Mode Mode khác biệt
EMC Electromagnetic Compatibility Tương thích điện từ
EMI Electromagnetic Interference Nhiễu giao thoa điện từ
IC Integrated Circuits Mạch tích hợp
MCUs Microcontroller Circuits Vi điều khiển
PCB Printed Circuit Board Bảng mạch in

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
Trang 5
Tiểu luận môn học: Tương thích điện từ
Chương 1 : Tổng quan về tương thích điện từ.
Nhiễu điện từ là một trong những vấn đề chính trong mạch điện tử hiện nay được
quan tâm nghiên cứu. Để khắc phục và hạn chế những ảnh hưởng của nhiễu điện từ lên
hệ thống, người thiết kế phải loại bỏ nguồn gây ra nhiễu điện từ lên hệ thống hoặc bảo
vệ những mạch điện tử bị ảnh hưởng. Mục tiêu cuối cùng là phải làm cho hệ thống bo
mạch làm việc như dự kiến – tức là đạt được tương thích điện từ (EMC).
Đạt được một bo mạch tương thích điện từ có lẽ là chưa đủ. Mặc dù mạch có thể
làm việc tại một module bo mạch, nhưng nó có thể tạo ra nhiễu phát xạ và làm ảnh
hưởng đến các module khác của hệ thống và làm ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống.
Hơn nữa, tương thích điện từ trong hệ thống hay trong từng thiết bị có lẽ phải đáp ứng
những tiêu chuẩn phát xạ nhất định, vì vậy các thiết bị sẽ không làm ảnh hưởng đến
các thiết bị khác.
Nhiều nước phát triển có các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về tương thích điện từ trên
các thiết bị điện, điện tử. Các người thiết kế sẽ phải suy nghĩ làm sao hạn chế hoặc loại
bỏ nhiễu điện từ khi bắt đầu thiết kế bo mạch.
1.1. Các thành phần trong môi trường điện từ.
Mô hình nhiễu điện từ cơ bản bao gồm ba thành phần:
-Nguồn nhiễu điện từ.
-Đường nối
-thiết bị thu nhận.
Hình 1: Mô hình nhiễu điện từ
1.1.1 Nguồn nhiễu điện từ
Nguồn nhiễu điện từ bao gồm bộ vi xử lý, vi điều khiển, phóng tĩnh điện, máy
phát, các thiết bị chuyển tiếp như rơle, bộ chuyển đổi nguồn điện. Trong hệ thống vi
điều khiển , mạch đồng hồ thường tạo ra nhiễu băng rộng lớn nhất, nó là nhiễu phân bố
Trang 1
Tiểu luận môn học: Tương thích điện từ

trên toàn bộ dải tần số làm việc. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ bán dẫn
dẫn đến tốc độ xử lý của các vi xử lý, vi điều khiển nhanh hơn, các mạch có thể gây
nhiễu ở tần số lên đến 300Mhz.
1.1.2 Đường nối
Cách đơn giản nhiễu có thể gây ảnh hưởng lên mạch là thông qua dây dẫn. Nếu
một dây dẫn chạy qua môi trường bị nhiễu, các dây dẫn sẽ bị ảnh hưởng của nhiễu và
nó gây ảnh hưởng đến mạch. Ví dụ: một ghép nối được tìm thấy khi nhiễu xâm nhập
vào hệ thống qua lớp chì của bộ nguồn. Nhiễu này được mang đi đến tất cả các mạch
trong hệ thống qua đường dây dẫn nguồn.
Ghép nối cũng có thể xảy ra trong mạch phối hợp trở kháng. Ví dụ, hai mạch mà
dùng chung dây dẫn thực hiện việc cung cấp điện áp và nối đất chung.
Đường ghép nối cũng có thể là bức xạ điện từ và nó gây ảnh hưởng đến tất cả các
mạch điện. Bất cứ khi nào dòng điện thay đổi, bức xạ sóng điện từ sẽ được tạo ra. Các
sóng này có thể kết hợp đến các vật dẫn gần đó và gây giao thoa với các tín hiệu khác
trong mạch.
1.1.3 Thiết bị ảnh hưởng nhiễu điện từ
Tất cả các mạch điện tử có thể tiếp nhận nhiễu điện từ. Gần như các nhiễu điện từ
nhận được từ quá trình chuyển tiếp, mặc dù một số nhận được từ tần số vô tuyến trực
tiếp (RF) được truyền đi. Trong mạch kỹ thuật số, các tín hiệu quan trọng là thường dễ
bị ảnh hưởng nhất đối với nhiễu điện từ. Chúng bao gồm thiết lập lại, ngắt, và điều
khiển dòng tín hiệu . Bộ khuếch đại tương tự ở mức độ thấp, mạch điều khiển, cũng
rất nhạy cảm với nhiễu điện từ.
Để thiết kế mạch cho tương thích điện từ ( EMC) và đáp ứng tiêu chuẩn EMC,
người thiết kế nên giảm thiểu sự bức xạ năng lượng, và tăng tính nhạy cảm hoặc miễn
nhiễm từ những bức xạ. Cả sự bức xạ và khả năng miễn nhiễm có thể được phân loại
theo bức xạ và khớp nối dẫn điện, như thể hiện trong hình 1. Đường nối bức xạ sẽ có
hiệu quả hơn trong các tần số cao hơn trong khi đường nối thực hiện sẽ có hiệu quả
hơn trong các tần số thấp.
1.2 Kết luận
Nội dung của chương chỉ đưa ra các khái niệm cơ bản và một số vấn đề liên quan

về tương thích điện từ, những ảnh hưởng và điều kiện để đạt được tương thích điện
Trang 2
Tiểu luận môn học: Tương thích điện từ
từ trong hệ thống nói chung và thiết kế bo mạch nói riêng. Chương sau sẽ đề cập
đến việc lựa chọn linh kiện và một số vấn đề thiết kế bo mạch để đạt được khả
năng tương thích điện từ trong mạch.
Chương 2: Lựa chọn linh kiện và kỹ thuật thiết kế mạch
Lựa chọn linh kiện và thiết kế mạch là những yếu tố chính sẽ ảnh hưởng đến
hiệu năng tương thích điện từ của bo mạch.
Từng loại linh kiện điện tử có những đặc trưng riêng của nó, và do đó đòi hỏi
thiết kế cẩn thận, cân nhắc.
Trang 3
Tiểu luận môn học: Tương thích điện từ
Trong chương 2 sẽ thảo luận về một số linh kiện điện tử thông thường và kỹ
thuật thiết kế mạch để giảm hoặc loại bỏ nhiễu điện từ.
2.1 Lựa chọn linh kiện
Về cơ bản có hai kiểu cho tất cả các linh kiện điện tử: pha chì và không pha chì.
Kiểu thành phần có pha chì gây ra hiệu ứng ký sinh, đặc biệt là ở tần số cao. Kiểu pha
chì có giá trị điện cảm thấp khoảng 1nH/mm. Thiết bị đầu cuối cũng có thể tạo ra một
hiệu ứng điện dung nhỏ, trong khoảng 4pF. Vì vậy, nó cần giảm càng nhiều càng tốt.
Kiểu thành phần không pha chì và bề mặt gắn kết các thành phần có hiệu ứng ký sinh
ít hơn so với các thành phần pha chì. Thông thường, kiểu không pha chì có giá trị điện
cảm 0.5nH và điện dung khoảng 0.3pF. Từ quan điểm tương thích điện từ EMC, bề
mặt gắn kết các thành phần được ưu tiên.
2.1.1. Lựa chọn điện trở
Bề mặt gắn kết điện trở luôn luôn được ưa thích hơn các loại có pha chì bởi vì
các yếu tố ký sinh thấp.Đối với các loại có pha chì, loại phim carbon là sự lựa chọn ưa
thích, tiếp theo là phim kim loại, sau đó dây quấn.
Điện trở phim kim loại, với các thành phần ký sinh có ưu thế hơn ở tần số tương
đối thấp (trong MHz), do đó phù hợp với mật độ năng lượng cao hoặc mạch độ chính

xác cao.
Điện trở dây quấn có độ nhạy cao, do đó nên tránh sử dụng trong ứng dụng có độ
nhạy tần số. Nó được sử dụng chủ yếu trong mạch điều khiển công suất cao.
Trong thiết kế mạch khuếch đại, sự lựa chọn điện trở là rất quan trọng. Ở tần số
cao, trở kháng sẽ tăng do ảnh hưởng của điện cảm trong điện trở. Vì vậy, vị trí của
thiết lập điện trở nên càng gần càng tốt để giảm thiểu điện cảm các mạch khuếch đại.
Trong mạch điện trở kéo lên (pull-up)/ kéo xuống (pull-down), việc chuyển đổi
trạng thái nhanh chóng từ các transistor. Để giảm thiểu hiệu ứng này, tất cả các điện
trở có xu hướng phải được đặt càng gần càng tốt để các thiết bị hoạt động tốt.
Trong bộ điều chỉnh hoặc trong mạch tham chiếu, điện trở phân cực một chiều
DC phải được đặt càng gần càng tốt để hoạt động thiết bị giảm thiểu được hiệu ứng
khử ghép (decoupling) (tức là cải thiện thời gian đáp ứng chuyển tiếp).
Trong mạch bộ lọc RC hiệu ứng cảm ứng từ điện trở phải được xem xét bởi vì
điện cảm ký sinh của điện trở dây quấn có thể dễ dàng gây ra các dao động nội.
2.1.2. Lựa chọn tụ điện
Trang 4
Tiểu luận môn học: Tương thích điện từ
Lựa chọn các tụ điện đúng theo yêu cầu thiết kế không phải là điều dễ dàng do tụ
điện có nhiều loại và hành vi khác nhau. Tuy nhiên, tụ điện là một trong những thành
phần có thể giải quyết nhiều vấn đề EMC. Các phần sau đây mô tả chung nhất những
loại phổ biến, đặc điểm sử dụng của nó.
Tụ điện nhôm thường được sản xuất bằng cách quấn lá kim loại xoắn giữa lớp
điện môi mỏng, nó có điện dung cao cho mỗi đơn vị thể tích nhưng làm tăng điện cảm
nội một phần.
Tụ điện tantalum được làm từ một khối điện môi kết nối trực tiếp với tấm kim
loại và pin, nó có một điện cảm nội thấp hơn bộ tụ điện nhôm.
Tụ gốm được làm từ nhiều tấm kim loại song song trong một môi trường điện
môi gốm. Các phần tử ký sinh chủ yếu là độ tự cảm của cấu trúc tấm kim loại và điều
này thường chiếm ưu thế trở kháng cho hầu hết các loại trong khu vực tần số thấp hơn
MHz.

Sự khác biệt trong đáp ứng tần số của vật liệu điện môi khác nhau dẫn đến có
những loại tụ điện chỉ phù hợp với một số ứng dụng hơn nữa. Loại tụ điện nhôm và
tantali chủ yếu được sử dụng ở mức tần số thấp, chủ yếu là trong các ứng dụng lọc tần
số thấp. Trong phạm vi khoảng giữa tần số (từ kHz đến MHz) các tụ điện gốm chiếm
ưu thế, cho việc tách và bộ lọc tần số cao. đặc biệt tụ gốm và tụ mica cótổn hao thấp
(giá thành cao hơn) cho những ứng dụng tần số làm việc rất cao và trong các mạch
siêu cao tần.
Cho hiệu suất tương thích điện từ (EMC) tốt nhất, điều quan trọng là phải có một
giá trị điện trở nối tương đương thấp , lúc đó nó cung cấp một sự suy giảm cao hơn các
tín hiệu, đặc biệt là tần số gần với tần số tự cộng hưởng của tụ trong quá trình sử dụng.
2.1.3. Lựa chọn cuộn cảm
Cuộn cảm là một trong những thành phần tạo thành một mối liên hệ giữa từ
trường và điện trường, do đó nó có khả năng dễ bị ảnh hưởng hơn các thành phần khác
nhưng nó vốn gắn liền với từ trường. Tương tự như tụ điện, tụ điện, khi được sử dụng
một cách thông minh, có thể cải thiện rất nhiều về vấn đề tương thích điện từ.
Về cơ bản có hai loại điện cảm: điện cảm vòng hở và điện cảm vòng kín. Sự khác
biệt của hai loại điện cảm này là vòng điện từ mà nó tạo ra. Điều này được minh họa
trong hình 2.
Trang 5
Tiểu luận môn học: Tương thích điện từ
Hình 2: Từ trường trong lõi cuộn cảm
Một lợi thế của cuộn cảm so các tụ điện hoặc điện trở là không có điện cảm ký
sinh, do đó có rất ít sự khác biệt giữa gắn kết bề mặt và các loại có pha chì. khi từ
trường của tụ điện vòng hở đi qua không khí, nó là nguyên nhân gây ra bức xạ và có
thể gây ra vấn đề nhiễu điện từ EMI. sự lựa chọn điện cảm vòng hở, loại cuộn bobbin
là tốt hơn so với loại rod hoặc Solenoid bởi vì từ trường được kiểm soát bởi các lõi .
Hình 3: Cuộn cảm vòng hở
Đối với điện cảm vòng kín, từ trường là hoàn toàn kiểm soát bởi lõi. Do đó, loại
điện cảm này là lý tưởng trong các thiết kế mạch, ngoại trừ nó có nhiều tốn nhiều chi
phí hơn loại vòng hở. Một lợi thế của cuộn cảm vòng kín hình dạng toroid là nó không

chỉ giữ cho vòng từ trường trong cốt lõi, nó còn có hiệu ứng tự miễn nhiễm với bất kỳ
bức xạ ảnh hưởng đến cuộn cảm.
Có hai loại vật liệu kim loại làm lõi cho cuộn cảm: sắt và ferit. Cuộn cảm lõi sắt
được sử dụng cho ứng dụng tần số thấp (hàng chục kHz) trong khi cuộn cảm lõi ferrite
được sử dụng cho các ứng dụng tần số cao (đến MHz). Vì vậy, cuộn cảm lõi ferrite là
phù hợp hơn cho các ứng dụng tương thích điện từ EMC.
Có hai loại đặc biệt của cuộn cảm được sử dụng đặc biệt trong các ứng dụng
tương thích điện từ EMC: ferit beads và ferrite clamps.
Ferrite beads là một cuộn cảm có sự suy giảm 10dB trong phạm vi tần số cao, và
một sự suy giảm thấp ở DC.
Trang 6
Tiểu luận môn học: Tương thích điện từ
Tương tự như ferit beads, ferrite clamp có sự suy giảm từ 10 đến 20 dB trong cả
hai chế độ mode chung (CM) và mode khác biệt (DM) trong vùng tần số cao hơn
MHz.
Trong các ứng dụng chuyển đổi DC-DC, cuộn cảm phải có lượng bức xạ thấp và
có khả năng xử lý dòng bão hòa cao. Dựa trên các yêu cầu này, các cuộn cảm bobbin
có những đặc điểm để phù hợp với ứng dụng này. Trong các ứng dụng làm bộ nguồn
cung cấp năng lượng, một bộ lọc LC là cần thiết để cung cấp trở kháng phù hợp giữa
trở kháng thấp của nguồn cung cấp và mạch kỹ thuật số có trở kháng cao. mạch biểu
thị như trong hình 4 có thể được sử dụng.
Hình 4: Bộ lọc LC
Một trong những sử dụng phổ biến nhất của cuộn cảm là trong mạch lọc nguồn
điện AC , như thể hiện trong hình 5.
Hình 5: Mạch lọc nguồn AC
2.1.4. Lựa chọn Diode
Diode là dụng cụ đơn giản nhất của các thiết bị bán dẫn. Căn cứ vào đặc điểm,
một số diode có thể giúp giải quyết và bảo vệ tránh nhiễu điện từ và các vấn đề liên
quan. Bảng 1 loại tổng kết một số loại diode.
Bảng 1: Một số đặc trưng của các loại Diode

Đặc trưng Ứng dụng
EMC
Chú thích
Trang 7
Tiểu luận môn học: Tương thích điện từ
Diode chỉnh
lưu
Dòng lớn, đáp
ứng chậm và giá
thành rẽ
Không Thành phần
trong các bộ cung
cấp nguồn
Diode
Schotky
Độ rơi điện áp
chuyển tiếp thấp,
mật độ dòng cao,
thời gian chuyển
tiếp ngược nhanh
Tín hiệu
chuyển tiếp nhanh
và bảo vệ tăng vọt
Chế độ
chuyển mạch trong
bộ nguồn cung cấp.
Diode Zener Hoạt động
trong chế độ ngược,
chuyển tiếp điện áp
ngược nhanh, điện

áp rơi trong
khoảng(5.1v ± 2%)
Bảo vệ ESD,
bảo vệ quá áp, điện
dung thấp bảo vệ
tín hiệu dữ liệu cao.
LED Chế độ làm
việc thuận, không
có sự tác động của
tương thích điện từ
lên nó.
Không Phát ra bức xạ
khi LED được gắn
trên bảng điều
khiển ở một khoảng
cách xa từ bảng
mạch in.
Transient
voltage
suppressor
diode
Tương tự như
diode zener nhưng
trong chế độ đánh
thủng;
khả năng chịu điện
áp (ví dụ 5V đến
khoảng giữa 6V
đến
12V).

Điện áp
chuyển tiếp cao từ
ESD rất nhanh
Một số ứng dụng diode
Nhiều mạch hoạt động với các tải nhạy, với các dòng chuyển mạch cao gây ra quá độ
được tạo ra trong hệ thống. Diode là một trong những thiết bị tốt nhất có thể được sử
dụng ở nguồn gốc của nhiễu như một linh kiện kiềm hãm điện áp rò. Các ví dụ dưới
Trang 8
Tiểu luận môn học: Tương thích điện từ
đây biểu thị kỹ thuật kiềm hãm điện áp rò sử dụng diode.
Hình 6: Bảo vệ chuyển mạch tức thời trong Relay
Trong hình 6, các thiết bị điều khiển sẽ chuyển đến các cuộn dây mở và tắt.
Chuyển mạch tức thời từ các cuộn dây sẽ bức xạ đến các bộ phận khác của mạch.
Diode D1 được sử dụng để kiểm soát điện áp thoáng qua này.
Hình 7: Bảo vệ chuyển mạch tức thời DC
Cấu hình diode trong hình 7 được sử dụng để ngăn chặn sự quá độ điện áp
chuyển mạch từ điện áp cao.
Hình 8: Bảo vệ chuyển mạch DC trong máy biến áp
Hình 8 cho thấy các máy biến áp điển hình và cấu hình chỉnh lưu. D2 là một
Schottky hoặc zener, được sử dụng để ngăn chặn sự quá độ sau khi chỉnh lưu.
2.2. Mạch tích hợp IC.
Phần lớn các mạch tích hợp (IC) kỹ thuật số hiện đại được sản xuất sử dụng công
nghệ CMOS. Việc tiêu thụ năng lượng tĩnh của các thiết bị CMOS có thể thấp hơn,
nhưng tốc độ chuyển mạch nhanh của các thiết bị CMOS phụ thuộc vào công suất quá
độ của nguồn cung cấp. Công suất động phụ thuộc mạch đóng thiết bị CMOS tốc độ
cao nó có thể vượt quá một thiết bị lưỡng cực tương đương. Vì vậy, tụ điện phải được
sử dụng trên những thiết bị để giảm sự phụ thuộc công suất quá độ từ các nguồn điện
cung cấp.
Trang 9
Tiểu luận môn học: Tương thích điện từ

2.2.1. Đóng gói mạch tích hợp
Ngày nay, có rất nhiều kiểu đóng gói cho các mạch tích hợp. Như với các thành
phần rời rạc, ít có vấn đề nhiễu điện từ EMI. Vì vậy, gắn kết bề mặt được ưa dùng hơn
vì cho hiệu suất tương thích EMC tốt hơn vì có điện dung kí sinh thấp hơn. Ngoài ra
nó được dán cố định và trực tiếp trên bo mạch in.
Việc phân bố các chân của một vi mạch cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất
tương thích điện từ EMC. IC với đường nguồn cung cấp gần chính giữa đóng gói, nó
cho độ dài ngắn nhất từ mạch tích hợp đến các chân vào ra, và do đó có điện cảm thấp
hơn. Gần các chân VCC và GND tạo nơi đặt tụ dễ dàng và hiệu quả hơn.
Mạch đồng hồ là yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất EMC của cả hai mạch
tích hợp và PCB hoặc toàn bộ hệ thống. Hầu hết các nhiễu từ IC có liên quan đến tần
số đồng hồ của nó. Vì vậy, cả hai thiết kế mạch và kỹ thuật layout PCB nên được áp
dụng cho mạch đồng hồ để giảm thiểu nhiễu tạo ra. Nối đất tốt, sử dụng tụ thích hợp
có thể giảm bức xạ phát ra. Việc sử dụng các bộ đệm trở kháng cao để phân bố tín hiệu
đồng hồ cũng giúp giảm bớt sự bức xạ từ các tín hiệu đồng hồ.
Kết hợp mạch logic với đồng hồ jitter, tín hiệu và các thành phần hài có thể xảy
ra khi các họ logic sử dụng hỗn hợp, như họ TTL và CMOS. Điều này chủ yếu là do
ngưỡng chuyển đổi khác nhau của nó. Vì vậy, cách tốt nhất để tránh những vấn đề trên
là sử dụng IC từ một họ logic. Ngày nay, hầu hết các nhà thiết kế sẽ lựa chọn các thiết
bị CMOS bởi vì nó có ngưỡng nhiễu (noise margin) cao hơn. Đây cũng là họ logic rất
ưa thích để giao tiếp với vi điều khiển, vì vi điều khiển cũng được sản xuất sử dụng
công nghệ CMOS. Một điểm quan trọng liên quan đến các thiết bị CMOS là chân đầu
vào không sử dụng phải được gắn liền với một trong hai với nguồn điện hoặc đất
(không để trống). Trong mạch MCU, môi trường nhiễu có thể gây ra tín hiệu không
mong muốn lên mạch làm ảnh hưởng đến hoạt động của mạch.
2.2.2. Mạch điều chỉnh ổn định điện áp
Cho Mạch điều chỉnh ổn định điện áp điển hình, các tụ điện phải được đặt càng
gần đầu ra Mạch điều chỉnh ổn định điện áp càng tốt bởi vì khoảng cách giữa đầu ra
của Mạch điều chỉnh ổn định điện áp và tải sẽ tạo ra một điện cảm trong đường dây và
gây ra dao động nội bộ của Mạch điều chỉnh ổn định điện áp. Thông thường, một tụ

điên 0.1μF được thêm vào cả hai đầu vào và đầu ra của mạch điều chỉnh ởn định điện
áp để ngăn ngừa khả năng dao động nội và để lọc nhiễu tần số cao. Ngoài ra, một tụ
điện có điện dung tương đối lớn (10μF mỗi ampe) để làm giảm gợn sóng. Hình 8 biểu
Trang 10
Tiểu luận môn học: Tương thích điện từ
thị việc nối tụ điện với mạch điều chỉnh ổn định điện áp. Các tụ điện nên đặt gần mạch
điều chỉnh ổn dịnh điện áp càng tốt.
Hình 9: Tụ điện trong mạch điều chỉnh và ổn định điện áp
2.2.3. Ghép nối các thiết bị.
Khi một mạch đang hoạt động ở tốc độ cao, trở kháng kết hợp giữa nguồn và đích
là rất quan trọng. Vì không phối hợp sẽ gây ra tín hiệu phản xạ dội trở lại. Năng lượng
RF dư thừa sẽ bức xạ hoặc kết hợp đến các phần khác của mạch, gây ra vấn đề EMI.
Việc ghép và đi dây tín hiệu giúp làm giảm các hiệu ứng không mong muốn.
Việc ghép và đi dây không chỉ làm giảm tín hiệu phản xạ bằng cách kết hợp trở
kháng giữa nguồn và điểm đến, nó còn có thể làm chậm sườn lên và xuống của các tín
hiệu.
Có một số phương pháp ghép và đi dây, mỗi cách đều có ưu và nhược điểm của
nó. Bảng 2 liệt kê tóm tắt một số phương pháp ghép và đi dây
Bảng 2: Tóm tắt một số kiểu đi dây
Kiểu ghép,
đi dây thiết
bị đầu cuối
Chi phí Trễ cộng
thêm
Yêu cầu
nguồn cung
cấp
Thông số
Quan trọng
Đặc trưng

Nối tiếp Thấp Có Thấp Rs=Zo=Ro
Good DC
Noise
margin
Song song Thấp Nhỏ cao R=Zo
Vấn đề về
tiêu thụ
công suất
RC Trung bình Nhỏ Trung bình
R=Zo
C=20 đến
600pF
Kiểm tra
băng thông
và điện dung
cộng thêm
Trang 11
Tiểu luận môn học: Tương thích điện từ
Thevenin Trung bình Nhỏ cao R=2xZo
Công suất
cao cho
CMOS
Diode Cao Nhỏ Thấp
.2.2.3.1 Kiểu nối tiếp
Hình 10: Phương pháp nối tiếp
Hình 10 biểu thị phương pháp nối tiếp. RS phải được đặt càng gần điều khiển
nguồn càng tốt. Giá trị của RS là phần thực trong phương trình:RS = (Z0-ZS). Thông
thường, RS vào khoảng 15 đến 75Ω.
2.2.3.2 Kiểu song song
Hình 11: Phương pháp song song

Hình 11 biểu thị phương pháp song song. điện trở song song RP được thêm vào,
như vậy mà RP / / ZL phối hợp với Z0. Nhưng phương pháp này là không thích hợp
cho các sản phẩm cầm tay, vì giá trị của RP thấp (thường 50Ω), và sẽ tiêu thụ năng
lượng cao và đòi hỏi bộ điều khiển nguồn điều khiển giá trị dòng (100mA @ 5V,
50Ω). Phương pháp này cũng cộng thêm trễ nhỏ bằng Z
OL
× C
d
, trong đó Z
OL
= R
p
/ / Z
l
và C
d
là điện dung tải.
2.2.3.3 Kiểu RC
Trang 12
Tiểu luận môn học: Tương thích điện từ
Hình 12: Phương pháp RC
Hình 12 biểu thị phương pháp ghép nối RC. Tương tự như ghép nối song song,
nhưng với việc bổ sung của CI. R giống như ở kết nối song song để phối hợp trở kháng
phù hợp với Z
O
, Và CI cung cấp dòng lái R và lọc năng lượng cao tần RF đầu ra từ
nguồn đến mặt đất. Vì vậy, ghép nối RC cần dòng điều khiển nguồn ít hơn kết nối
song song.
Giá trị R và CIphụ thuộc Z
O

, trễ lan truyền (TPD) và C
d
Hằng số thời gian RC = 3 × TPD, trong đó R / / Z
L
= Z
O
, C = CI / / C
d
.
2.2.3.4 Kiểu Thevenin
Hình 13: phương pháp thevenin
Hình 13 biểu thị phương pháp ghép nối thevenin. Nó được hình thành bởi các
điện trở R1 kéo lên và điện trở R2 kéo xuống, như vậy là logic cao và thấp có thể đáp
ứng yêu cầu của tải đích. Giá trị của R1and R2can được xác định bằng R1 / / R2 = Z0.
2.2.3.5 Kiểu ghép nối Diode
Trang 13
Tiểu luận môn học: Tương thích điện từ
Hình 14: phương pháp Diode
Hình 14 biểu thị phương pháp ghép nối diode. Nó tương tự như ghép nối
thevenin, ngoại trừ các điện trở được thay thế bằng diode, trong đó nó tiêu thụ điện
năng thấp hơn. Các D1và D2 được sử dụng để hạn chế dòng quá tải của tín hiệu phản
xạ từ tải. Các diode không ảnh hưởng đến phối hợp trở kháng, không giống như ghép
nối thevenin. Schottky diode và diode chuyển mạch nhanh là sự lựa chọn tốt để sử
dụng cho kiểu ghép nối này.
Ưu điểm của ghép nối này là Z
O
không cần phải được biết đến, và nó có thể được
sử dụng kết hợp với các loại ghép nối khác. Ghép nối này thường được sử dụng trong
MCUs bảo vệ các cổng I/O.
2.2.4 Mạch vi điều khiển.

Ngày nay, nhiều nhà sản xuất vi mạch liên tục giảm kích thước của vi điều khiển.
Giảm kích thước thường làm cho các transistor hoạt động nhanh hơn. Do đó, mặc dù
tốc độ đồng hồ của vi điều khiển MCU có thể không tăng, nhưng thời gian lên và thời
gian xuống sẽ tăng. Trong nhiều trường hợp, việc giảm kích thước có thể không thông
báo cho người sử dụng, do đó, vi điều khiển MCU có thể ban đầu là tốt trong một
mạch, sau đó đôi khi sau một thời gian vấn đề tương thích điện từ EMC có thể phát
sinh. Các cách tốt nhất để thích ứng với những phát sinh đó là chú ý thiết kế mạch
ngay từ ban đầu.
Nhiều ứng dụng thời gian thực đòi hỏi vi điều khiển MCUs có tốc độ cao, các nhà
thiết kế phải cẩn thận thiết kế mạch và bố trí bảng mạch in PCB để giảm các vấn đề
có khả năng gây ra vấn đề EMC. Nguồn điện cung cấp lớn sẽ làm cho tốc độ xử lý
của MCUs tăng lên. Nhưng không áp dụng cho tất cả các mạch nguồn cung cấp.
Vi điều khiển MCUs thường có một bộ dao động trên chip, đòi hỏi tinh thể thạch
anh riêng của nó, và tránh sử dụng đồng hồ từ các mạch điều khiển đồng hồ khác.
Đồng hồ độc lập này cho phép khả năng miễn nhiễm tốt hơn từ nhiễu bức xạ từ các bộ
phận khác của hệ thống.
Trang 14
Tiểu luận môn học: Tương thích điện từ
2.2.4.1 Chân vào ra.
Với hầu hết các MCUs, chân thường là đầu vào có trở kháng cao hoặc hỗn hợp
đầu vào / đầu ra. Trở kháng đầu vào cao chân rất nhạy cảm với nhiễu và dẫn đến có
thể sai mức logic. Chân là đầu vào cần nối với trở kháng cao (ví dụ như 4.7kΩ
hoặc10kΩ) gắn liền với mỗi chân nối đất hoặc lên nguồn cung cấp để đảm bảo chắc
chắn mức logic. Nếu không nối chân đầu vào thì mức điện áp nằm lưng chừng giữa
mức 0 ( nối đất) hoặc mức 1 ( nối lên nguồn) hoặc một điện áp không xác định do
dòng rò nội bên trong vi điều khiển.
Đối với chân IRQ hoặc chân reset (chân đầu vào) là quan trọng hơn là các cổng
I/O chung. nếu nhiễu gây ra hai chân này để sai kích hoạt nó sẽ có tác động nghiêm
trọng về hành vi hoạt động mạch.
2.2.4.2 Chân Reset.

Reset không đúng cách có thể gây ra nhiều vấn đề từ các ứng dụng khác nhau đặt
trên điều kiện khác nhau trong khởi động và tắt của vi điều khiển MCU. Thiết lập lại
chức năng cơ bản của vi điều khiển đảm bảo rằng các MCU bắt đầu thực thi mã trong
một cách có kiểm soát một khi có nguồn cung cấp.
Nguồn cung cấp tăng lên đến điện áp hoạt động của vi điều khiển MCU, và nó sẽ
qua một thời gian trước khi dao động trở nên ổn định. Vì vậy, nó cần một khoảng thời
gian trễ trên chân reset. Cách tạo trễ đơn giản nhất là dung một điện trở, tụ điện tạo
thành mạch RC, lúc đó tụ điện được nạp bởi dòng điện chạy qua điện trở cho đến khi
nó đạt đến một mức điện áp nhất định và nó được phát hiện bởi chân Reset vi điều
khiển MCU như mức logic 1.
Lý tưởng nhất là không có giới hạn trên các giá trị của điện trở và tụ điện, nhưng
có xem xét khác. Dòng rò nội cho phép cho chân reset được quy định vào khoảng tối
đa 1μA (theo Freescale HC08 MCU), có nghĩa là các điện trở có giá trị lớn nhất vào
khoảng 100kΩ và tụ điện không phải là một loại điện phân, giữ dòng hiện tại ở mức tối
thiểu. Tụ gốm theo như đề cấp trên là xem xét các yếu tố chi phí thấp, rò rỉ thấp, và
đáp ứng tần số cao. Tụ điện dùng cho mạch reset có điện dung rất thấp (nhỏ hơn 5pF
theo Freescale HC08 MCU). Cũng có những giới hạn cho điện trở tối thiểu cho dòng
kéo xuống tối đa xấp xĩ là khoảng 5mA ở 1V (VOL). Cùng với nguồn điện áp trở
kháng thấp của tụ điện bên ngoài, nó là cần thiết để đảm bảo một điện trở kéo lên nhỏ
nhất có giá trị khoảng 2kΩ.
2.2.4.3 Mạch Dao động.
Trang 15
Tiểu luận môn học: Tương thích điện từ
Nhiều vi điều khiển MCUs kết hợp với một bộ khuếch đại đảo được sử dụng với
một tinh thể bên ngoài hoặc gốm cộng hưởng trong cấu hình dao động Pierce. Dưới
đây sẽ đề cập và thảo luận về những lợi ích tối thiểu (transconductance) của bộ khuếch
đại cần thiết để đảm bảo dao động với các thành phần bên ngoài.
Hình 15 biểu thị cấu hình dao động Pierce tiêu chuẩn điển hình được sử dụng
trên MCU cho các tinh thể thạch anh trong 1MHz đến dải tần số 20MHz. Mạch bên
trong vi điều khiển MCU được thể hiện trong hình thức đơn giản như một NAND cổng

theo sau là cổn NOT. Cổng NAND có hai giá trị đầu vào một là kết nối đến chân của
vi điều khiển gọi là OSC1 và chân còn lại được kết nối đến với tín hiệu STOP bên
trong vi điều khiển.
Khi sử dụng một tinh thể dao động tần số giữa 1MHz và 20MHz, R0 nên được
dùng trong phạm vi của 1MΩ để 10MΩ.
Hình 15: Mạch dao động thạch anh 1Mhz đến 20MHz
2.3 Kết luận
Chương này đã giới thiệu một vài kỹ thuật thiết kế, lựa chọn linh kiện nhằm
nâng cao khả năng tương thích điện từ trong mạch. Ngoài ra để tăng khả năng miễn
nhiễm các tín hiệu nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống mạch thì ở chương sau sẽ đề cập
một số kỹ thuật layout trong việc thực hiện bảng mạch in.
Trang 16
Tiểu luận môn học: Tương thích điện từ
Chương 3: Kỹ thuật Layout và in mạch.
3.1 Những đặc điểm cơ bản của bảng mạch in.
Một bảng mạch in PCB được xây dựng sử dụng một lớp cán mỏng. Trong bảng
mạch in đa lớp, hầu hết các nhà thiết kế sẽ đặt tín hiệu theo dõi ở hai lớp bên ngoài để
sửa lỗi dễ dàng hơn.
3.1.1 Kỹ thuật phân đoạn.
Kỹ thuật phân đoạn là việc sử dụng việc ngăn cách về mặt vật lý để giảm các
ghép nối giữa các loại mạch khác nhau, đặc biệt là đường nối lên nguồn và đường nối
đất.
Hình 16: Kỹ thuật phân đoạn các khối
Hình 16 biểu thị một ví dụ điển hình của việc tách bốn mạch khác nhau bằng
cách sử dụng kỹ thuật phân đoạn. Trong lớp đất, những đường hào phi kim loại được
sử dụng để cách ly vùng nối đất thành bốn vùng khác nhau.
Trang 17
Tiểu luận môn học: Tương thích điện từ
Mạch kỹ thuật số tốc độ cao số cần phải được đặt gần đầu vào nguồn cung cấp vì
mạch số thường có tốc đọ và khả năng chuyển trạng thái nhanh.

3.2. Kỹ thuật Layout.
Các phần sau đây thảo luận về một số quy định về chạy dây trong bảng mạch in
PCB.
3.2.1 Layout bảng mạch nhiều lớp.
Đối với mạch nhiều lớp, để liên kết giữa các lớp trong bảng mạch nhiều lớp thì
thông thường sử dụng các lỗ giữa các lớp. Đối với tín hiệu có tốc độ cao, việc đi qua
các lỗ như vậy tức là qua đường có điện cảm 1 đến 4nH và tụ điện 0.3 đến 0.8pF. Do
đó, việc sử dụng các lỗ để liên kết tín hiệu giữa các lớp nên được giữ tối thiểu khi
layout đường tín hiệu tốc độ cao. Nếu việc thay đổi các lớp là không thể tránh trên các
đường song song tốc độ cao, lúc đó hãy đảm bảo rằng số lỗ là giống nhau trên mỗi
đường tín hiệu.
3.2.2 Đi dây góc 45 độ.
Tương tự như việc kết nối các lớp bo mạch thông qua các lỗ. Đi dây góc nên
tránh bởi vì nó có thể tạo ra trường điện từ tập trung góc bên trong. Trường này có thể
là nguyên nhân gây nhiễu cho các đường gần đó. Do đó tất cả các đường gấp khúc nên
để ở góc 45 độ. Hình 17 biểu thị quy tắc chung cho đường gấp khúc 45 độ.
Hình 17: Đi dây góc
3.2.3 Sắp xếp tín hiệu hình sao
Mặc dù sắp xếp hình sao phù hợp với đường nối lớp đất từ nhiều bo mạch in
PCBs với đường tín hiệu , tuy nhiên nó có thể tạo ra nhiều stubs. Do đó, việc bố trí
hình sao nên tránh với các tín hiệu tốc độ cao và tín hiệu cảm ứng.
3.2.4 Sắp xếp các tín hiệu bức xạ.
Việc sắp xếp các tín hiệu bức xạ thường là đường ngắn nhất và gây trễ nhỏ nhất
từ nguồn phát đến tất cả các đầu thu, tuy nhiên việc làm này có thể gây giao thoa,
Trang 18
Tiểu luận môn học: Tương thích điện từ
phản xạ và bức xạ. Do vậy, điều này nên tránh đối với tín hiệu có tốc độ cao và tín
hiệu cảm ứng.
3.2.5 Đường đi dây có độ rộng không đổi.
Độ rộng của đường tín hiệu nên không đổi từ trung tâm điều khiển đến tải. Việc

thay đổi độ rộng tạo ra sự thay đổi trở kháng của đường đi dây ( điện trở, điện cảm và
điện dung) và do đó có thể gây ra phản xạ và trở kháng của đường tín hiệu mất cân
bằng. Tốt nhất ta nên giữ đường nhỏ hơn độ rộng mà nó thay đổi.
3.2.6 Tối thiểu hóa khu vực lặp
Giữ đường tín hiệu và đường đất gần nhau sẽ giúp giảm thiểu các vòng lặp lớp
đất, do đó ta ta sẽ có khả năng tránh được việc lặp này. Với tín hiệu tốc độ cao, đôi khi
đường lặp lớp đất này có thể là đường dọc theo tín hiệu nếu tín hiệu không có lớp đất
có trở kháng thấp xem hình 18.
Hình 18: Vòng lặp đất
3.3.3. Kỹ thuật nối đất.
Kỹ thuật nối đất áp dụng cho cả bảng mạch in nhiều lớp và một lớp. Mục tiêu
của kỹ thuật nối đất là để giảm thiểu trở kháng đất và do đó làm giảm khả năng của
các vòng lặp từ mạch trở lại nguồn cung cấp
3.3.3.1 Đường nối đất trong bảng mạch in một lớp.
Đối với bảng mạch in một lớp ( một mặt) , thì độ rộng của đường đất càng rộng
càng tốt, ít nhất là 1.5mm. Việc sắp xếp linh kiện hình sao là không thể trên bo mạch
in một lớp, việc sử dụng các jumper và thay đổi chiều rộng đường đất nên được giữ ở
mức tối thiểu, nó có thể là nguyên nhân gây ra sự thay đổi trở kháng và điện cảm trên
đường dẫn.
Trang 19
Tiểu luận môn học: Tương thích điện từ
3.3.3.2 Đường nối đất trong bảng mạch in hai lớp.
Đối với bảng mạch in 2 lớp ( hai mặt). Việc đường nối đất được sắp xếp bố trí
theo ma trận lưới được ưa thích trong các mạch số bởi vì việc sắp xếp này có thể làm
giảm trở kháng, vòng lặp của đường nối đất, như trong bảng mạch in một lớp thì độ
rộng của đường nối đất và đường cung cấp nguồn nên ít nhất là 1.5mm.
Một cách thiết kế khác là phải có một mặt của bo mạch làm mass, các đường tín
hiệu và đường nguồn ở mặt bên kia. Trong bố trí sắp xếp này đường trở lại mặt đất và
trở kháng sẽ giảm và tụ nên được đặt càng gần đường nguồn cung cấp cho IC và
đường đất càng tốt.

3.3.3.3 Vòng bảo vệ
Vòng bảo vệ là một kỹ thuật nối đất có thể cô lập các môi trường nhiễu bên
ngoài
vòng, vì không có dòng điện chạy qua các vòng bảo vệ nên hoạt động của mạch bình
thường xem hình 19.
Hình 19: Vòng bảo vệ
3.3.3.4 Tụ điện của bảng mạch in
Trên bảng mạch nhiều lớp, một tụ điện của bảng mạch in PCB được tạo ra bởi sự
cách ly nhỏ của đường nguồn và đường đất . Trên bảng mạch một lớp, hiệu ứng điện
dung này cũng có được khi đường nguồn và đường mass chạy song song với nhau. Một
ưu điểm của tụ điện trên bảng mạch in PCB là nó có đáp ứng tần số rất cao và điện
cảm thấp được phân bố đều dọc theo mặt hay đường của bo mạch. Trong hiệu ứng này,
Trang 20