طراحی PCB برای EMC

یکی از زمینه های کلیدی طراحی مدار با عملکرد EMC خوب، طراحی PCB است. PCB یک برد مدار چاپی (Printed Circuit Board) غیر رسانا و چندلایه مسی است که تمامی قطعات الکتریکی و الکترونیکی از طریق یک برد مشترک و به وسیله تکیه گاه فیزیکی نصب شده در کف برد به یکدیگر متصل اند

برای اینکه بدانید EMC یا سازگاری الکترومغناطیسی چیست اصول سازگاری الکترومغناطیسی را بخوانید.

طراحی PCB برای EMC می تواند یک برد مدار را قادر سازد تا از نظر عملکرد EMC عملکرد خوبی داشته باشد، و به کمک چند دستورالعمل اساسی وجود دارد که می توان برای ارائه عملکرد EMC خوب دنبال کرد.

اگرچه می توان از چندین لایه برای کاهش اندازه PCB استفاده کرد، اما هنگام طراحی PCB برای عملکرد خوب EMC، این مسیر همیشه بهینه نیست.

طراحی PCB برای عملکرد EMC ممکن است نیاز به کاهش کوپلینگ داشته باشد. برای این کار ممکن است نیاز باشد که سیگنال ها از هم فاصله داشته باشند یا فاصله بین برخی از اجزا افزایش یابد. اگرچه می توان PCB های کوچک با عملکرد EMC خوب طراحی کرد، اما باید از همان ابتدا مراقب بود.

هنگامی که به عملکرد بهینه EMC نگاه می کنیم، یک برد چهار لایه اغلب به عنوان تعادل خوبی بین چیدمان برد و عملکرد EMC در نظر گرفته می شود. همانطور که گفته شد، بسیاری از بردها با لایه های بیشتر می توانند عملکرد EMC خوبی داشته باشند، اما برای دستیابی به عملکرد خوب EMC نیاز به طراحی بسیار دقیق دارند.

 

صفحه زمین عملکرد EMC را بهبود می بخشند

مسیرهای برگشت سیگنال یکی از دشوارترین مسائل برای حل در بردهای مدار چاپی است. مسیریابی بازگشت زمین به طور رضایت بخش از هر مدار مجتمع در میان لایه های سیگنال دیگر و غیره می تواند دشوار باشد.

تنها راه حل رضایت بخش، استفاده از صفحه زمینی است که اندوکتانس کم و زمین مشترک با مقاومت کم را فراهم می کند که می تواند روشی برای ارائه طول سرب کوتاه به زمین ارائه دهد. با اختصاص یکی از لایه های PCB برای صفحه زمین، به راحتی می توان مسیر خوبی به زمین برای هرگونه سیگنال فراهم کرد.

برای برخی از مناطق حساس ممکن است لازم باشد زمین را جدا کنید تا از عبور جریان زمین از آن مقطع مدار جلوگیری شود. به عنوان مثال، ممکن است یک بخش حساس مدار نیاز به جداسازی زمین داشته باشد و یک اتصال واحد به زمین داشته باشد، به خصوص اگر یک بخش توان بالاتر در نزدیکی ممکن است باعث شود جریان های زمین در بخش حساس تر جریان یابد.

شکل 1 زمین کردن و صفحه زمین

 

شبکه بندی برای ایجاد صفحات زمینی

در برخی PCBها که ممکن است تعداد لایه های محدودی داشته باشند، به عنوان مثال یکی که فقط دو لایه در دسترس است، ممکن است از تکنیکی به نام شبکه بندی استفاده شود تا عملکرد خوب EMC تضمین شود. این تکنیک تقریبی نزدیک به داشتن یک صفحه زمین در یک تخته دو لایه است که از شبکه‌بندی زمین برای کاهش تشعشعات EMI از ردیابی سیگنال ناشی می‌شود.

اساساً شبکه‌بندی با ایجاد شبکه‌ای از اتصالات متعامد بین آثار حامل زمین عمل می‌کند. اگرچه صفحه زمین کاملاً به هم پیوسته نیست، اما به اندازه کافی از صفحه زمینی که برای بهبود EMC یک برد چهار لایه یا چند لایه استفاده می شود، با ایجاد یک مسیر بازگشت زمین در زیر هر یک از ردیابی های سیگنال، شبیه سازی می کند و امپدانس بین IC های اصلی و منطقه تنظیم ولتاژ کاهش می یابد.

شبکه‌بندی با فرآیند گسترش هرگونه آثار زمین و استفاده از الگوهای پر کردن زمین به دست می‌آید. هدف ایجاد شبکه ای از اتصالات به زمین در سراسر PCB است. شبکه بندی با گسترش خطوط زمین برای پر کردن فضای خالی PCB تا حد امکان به دست می آید. سپس، تمام فضای خالی باقی مانده با زمین پر می شود.

به این ترتیب تا جایی که ممکن است فضای PCB موجود با شبکه زمین پر می شود و در عین حال امکان برقراری اتصالات روی لایه وجود دارد.

همچنین می توانید طراحی فیلتر برای EMC را هم بخوانید

شکل 2 شبکه بندی زمین

منطقه بندی PCB

ایجاد مناطق مختلف روی PCB یکی دیگر از تکنیک های طراحی مفید برای بهبود EMC و نویز عمومی است.

منطقه بندی PCB اساساً یک فرآیند برنامه ریزی است که در آن مکان کلی اجزاء برای مناطق مختلف مدار قبل از تعیین هر گونه اثری تعریف می شود.

منطقه بندی PCB نه تنها عملکردهایی را بر روی یک برد در یک منطقه عمومی قرار می دهد، برخلاف اختلاط آنها با یکدیگر، بلکه سرعت سیگنال ها را در یک منطقه مشخص نیز در نظر می گیرد و به مکان بهینه نگاه می کند. به طول خطوطی که ممکن است نویز بیشتری ساطع یا دریافت کنند فکر می شود. برای مثال، یک ایده رایج این است که منطق پرسرعت، از جمله میکروکنترلرها را نزدیک منبع تغذیه قرار دهیم. به این ترتیب جداسازی خطوط آسان‌تر می‌شود و طول خطوط یا آثاری که ممکن است تابش کنند یا نویز بگیرند کاهش می‌یابد.

عملکردهای روی PCB که چندان حیاتی نیستند و شکل موج های کندتری دارند دورتر قرار دارند. به طور معمول بخش های آنالوگ برد حتی دورتر قرار دارند زیرا معمولا سیگنال های فرکانس پایین تری را حمل می کنند. برنامه ریزی نواحی برد به این روش می تواند تأثیر عمده ای بر عملکرد EMC PCB داشته باشد.

شکل 3 منطقه بندی برد مدار چاپی برای EMC

ابزار طراحی PCB

ابزارهای طراحی PCB روز به روز پیچیده تر می شوند. حتی نمونه های پایین رده قادر به ارائه عملکردهای زیادی هستند که تا همین اواخر فقط در بسته های نرم افزاری بسیار پیشرفته یافت می شد.

برخی از ابزارهای طراحی PCB ممکن است به طراحی برای عملکرد خوب EMC کمک کنند. از هر گونه امکاناتی که ممکن است به حداکثر برسد استفاده کنید. استفاده از ابزارها بهترین عملکرد EMC را از طراحی PCB به دست می آورد.

 

سایر اقدامات احتیاطی برای طراحی PCB برای EMC

چند نکته مشترک دیگر برای بهبود عملکرد PCB وجود دارد.

• نوسانگرها: هنگام مکان یابی و طراحی چیدمان برای اسیلاتورها باید دقت شود. هر حلقه خازن نوسان ساز باید دور از مدارهای آنالوگ، سیگنال های کم سرعت و کانکتورها قرار گیرد. این هم برای برد و هم برای فضای داخل جعبه حاوی برد صدق می کند.
• مجموعه های کابل سیستم: یکی دیگر از نکات کلیدی طراحی سیستم کلی است به طوری که مجموعه های کابل از نزدیک یک نوسانگر یا ناحیه ای که شامل منطق سرعت بالا، از جمله یک میکرو کامپیوتر پس از مونتاژ نهایی است، عبور نکند. مجموعه‌های کابل می‌توانند نویز را در سراسر واحد جمع‌آوری کنند و به این ترتیب عملکرد EMC را کاهش دهند.
• خطوط پرسرعت / پر سر و صدا را از لبه PCB دور نگه دارید: نکته خوب دیگر این است که خطوط پر سر و صدا یا پرسرعت را از لبه بیرونی برد دور کنید. دور نگه داشتن آثار بدون نویز از نواحی روی برد که می توانند نویز را دریافت کنند، مانند کانکتورها، مدارهای نوسانگر، رله ها و درایورهای رله نیز به کاهش مشکل کمک می کند.
• فیلتر کردن: در برخی موارد ممکن است فیلتر کردن در خطوط خاصی مورد نیاز باشد. فریت بید ها اغلب می‌توانند یک روش آسان برای محدود کردن سیگنال‌های فرکانس بالا ارائه دهند و جداسازی خوب روی برد، به‌ویژه برای خطوط تامین ضروری است.
• کانکتورهای فیلتر شده: در برخی PCB ها ممکن است لازم باشد از کانکتورهای فیلتر شده برای حذف نویز استفاده کنید. وقتی این کار انجام شد، ارتینگ کانکتور مهم است. باید بتوان این را محکم به PCB و شاسی متصل کرد.

بسیاری از مشکلات EMC را می توان با طراحی خوب PCB از بین برد. در واقع طراحی PCB برای عملکرد EMC همیشه عمل خوبی است و می تواند از بسیاری از تحقیقات زمان بر و دوباره کاری پرهزینه جلوگیری کند. اگر کار مجدد در اواخر چرخه طراحی مورد نیاز باشد، بسیار پرهزینه تر از زمانی است که در ابتدا در طرح تعبیه شود. بنابراین طراحی PCB برای EMC یکی از کلیدهای یک طراحی موفق است.