Pengaruh Tata Letak PCB Terhadap Kinerja EMC Produk Elektronik

Ground di PCB

• Pengaruh Interferensi Kode Umum terhadap Sinyal Bagian Dalam PCB

Garis tercetak dalam Printed Circuit Board (PCB) menampilkan parameter parasit relatif terhadap papan ground referensi dan ketika sinyal fungsi ditransmisikan di dalam PCB, node ekuipotensial yang sama di jaringan yang sama di sirkuit tidak lagi ekuipotensial. Arus i di dalam PCB dimulai dari ujung sumber, melewati serangkaian pembawa kembali ke sumber sinyal, membentuk sinyal. Terlebih lagi, saya cenderung mengalir di sepanjang jalan dengan impedansi rendah sehingga saya biasanya tetap tidak berubah dengan stabilitas impedansi.

Gambar 1 menunjukkan proses ketika gangguan mode umum diubah menjadi gangguan mode diferensial di dalam PCB. i_d mengacu pada mode diferensial arus di dalam aliran PCB sementara i_com mengacu pada arus mode umum yang dimulai dari PCB luar dan mengalir ke PCB melalui papan ground referensi atau dimulai dari bagian dalam PCB dan kembali ke bagian dalam PCB melalui papan ground referensi. i_com frekuensi tinggi memiliki dua jalur:yang pertama adalah dari titik A ke titik B di dalam PCB mulai dari GND; yang kedua dari titik A ke titik B mulai dari port S₁ ke PCB di dalam dengan kapasitansi C. Impedansi ground Z_AB mengarah ke generasi u_AB , jadi ketika sinyal normal dilewatkan ke IC₂ , deformasi akan terjadi pada sinyal dan interferensi mode umum diubah menjadi interferensi mode diferensial, yang menghasilkan pengaruh terhadap sinyal normal berdasarkan rumus yaitu u₂ =u₁ -Δu_AB .

Oleh karena itu, segera setelah i_com memasuki bagian dalam PCB melalui port I/O atau radiasi ruang, kapasitansi filter mode diferensial pada jalur sinyal PCB hanya dapat menekan bypass interferensi ke GND. Prasyarat dari hasil ini adalah bahwa GND dianggap sebagai impedansi rendah untuk arus balik sinyal dan arus selalu mengalir ke arah impedansi rendah.

• Kunci Implementasi Desain EMC:Ground Impedance di PCB

Alasan pembangkitan EMC oleh sinyal frekuensi tinggi terletak pada tingkat referensi sinyal GND gagal mempertahankan fitur impedansi rendahnya. Dengan peningkatan impedansi Z_GND tingkat referensi, kualitas transmisi sinyal menurun juga. Untuk mengatasi masalah interferensi frekuensi tinggi, metode umum digunakan dalam desain EMC seperti filter, ground dan shield yang terhubung erat dengan "ground".

Filter dapat dianggap sebagai kapasitor ke ground, dengan dua struktur salah satunya adalah membuat kapasitor X terhubung ke ground referensi sinyal dan yang lainnya adalah membuat sinyal terhubung ke cangkang logam dengan kapasitor Y atau koneksi ground yang berbeda di dalam PCB. Perisai dapat dianggap sebagai hasil ekspansi ground PCB ke luar angkasa. Tujuan dari filter atau perisai adalah untuk membuat gangguan mode umum frekuensi tinggi melewati bypass dengan impedansi rendah untuk menghindari mengalir ke sinyal operasi normal. Demikian pula, semua metode ini tidak akan berfungsi kecuali ground memiliki impedansi rendah.

Gambar 2 menunjukkan pengaruh impedansi tanah terhadap filter rangkaian. i_com mengalir sesuai urutan IC₁ →IC₂ →IC₁ dan ketika mengalir ke titik P, i_com akan mengalir ke sirkuit cabang IC₁ dan C₁ yang dilaluinya dari titik A ke B. Jika impedansi antara titik A dan B, yaitu Z_AB , jauh lebih kecil dari impedansi antara titik P dan IC₁ . Saat ini, i_com mengalir dari titik P ke A, IC₁ penyaring dapat terwujud. Ketika saya_com mengalir ke titik B, akan terjadi rangkaian cabang yaitu B→C dan B→Q. Jika tata letak PCB tidak terkontrol dengan baik, impedansi antara titik B dan C, yaitu Z_BC , Z_BC>>Z_C2 +Z_Q . Z_Q mengacu pada impedansi antara titik Q dan IC₂ . i_com mengalir mundur ke IC₂ masukan port melalui C₂ ketika kapasitansi yang awalnya digunakan hanya untuk IC₂ berperan dalam gangguan invasi sinyal.

Untuk membuat tingkat referensi dengan impedansi rendah, biasanya dirancang untuk menjadi permukaan. Secara umum, konduktor yang rasio panjang-lebarnya kurang dari 5 dapat dianggap sebagai impedansi rendah di bidang teknik. Impedansi garis yang dicetak tidak ditentukan oleh tingkat panjang atau ketebalannya. Dalam prinsip desain PCB tradisional, pentanahan satu titik sirkuit analog sangat direkomendasikan sehingga prinsip tata letak PCB dari pentanahan beberapa titik sirkuit digital dan pentanahan campuran sirkuit modul digital tidak lagi dapat diterapkan untuk menangani masalah EMC.

Karena semua arus balik dari semua sinyal harus dipastikan memiliki ground terintegrasi dengan impedansi rendah, papan 4-lapisan atau multi-lapisan dengan bidang tanah terintegrasi mampu memenuhi persyaratan sementara papan tunggal berbiaya rendah tidak. Ketika papan lapis ganda harus digunakan berdasarkan batasan biaya, bidang tanah yang relatif terintegrasi harus dirancang untuk sinyal di dalam PCB. Dalam aplikasi praktis, impedansi ground PCB dipengaruhi baik oleh bentuknya maupun oleh kabel sinyal melalui lubang, retak dan slotting. Gambar 3a dan 3b masing-masing menampilkan desain bidang tanah impedansi rendah yang buruk dan sangat baik.

Pada gambar ini, semua komponen berada di bagian depan PCB sedangkan ground plane berada di bagian belakang. Keripik dihubungkan melalui garis tercetak ab di sisi depan dan cd adalah garis tercetak di sisi belakang. Di bawah tekanan gangguan mode umum frekuensi tinggi dari luar, slotting yang dibentuk oleh cd akan menyebabkan peningkatan Z_GND aliran balik garis tercetak. Z_GND berfluktuasi dalam proses transmisi sinyal, yang menyebabkan rendahnya kualitas sinyal. Oleh karena itu, lapisan garis tercetak antar cd dapat dipertukarkan berulang kali melalui lubang pada proses desain layout PCB sehingga Z_GND akan berkurang. Selain itu, dua IC_S dengan sinyal sensitif dapat diatur bersama sehingga membuat GND menjadi ground plane yang relatif terintegrasi secara lokal untuk memastikan sinyal tidak akan terganggu dalam proses transmisi sinyal. Perhatikan bahwa melalui lubang tidak dapat diatur dengan banyak kepadatan, jika tidak retak pada bidang tanah juga akan menyebabkan eskalasi Z_GND .

Desain Penumpukan PCB

Desain EMC adalah yang terbaik untuk PCB 4-lapisan. Dari perspektif EMS, baik cangkang logam atau pelindung cangkang logam dari sirkuit yang sensitif secara lokal mampu memecahkan masalah interferensi. Dari sudut pandang EMI, terkadang papan 4-lapisan gagal memenuhi persyaratan pembatasan emisi radiasi dan jumlah lapisan harus ditambah karena papan multilayer dapat membuat sinyal dengan d_u yang tinggi. /d_t dan d_i /d_t memastikan area loop sinyal yang lebih kecil dalam proses transmisi, menyediakan arus balik dengan impedansi rendah untuk sinyal berkecepatan tinggi.

Prinsip dasar desain susun PCB adalah mengatur lapisan sinyal berkecepatan tinggi dan bidang daya yang berdekatan dengan bidang tanah. Gambar 4 menunjukkan desain susun papan 4 lapis dan 6 lapis. S₁ pada Gambar 4a mengacu pada lapisan sinyal berkecepatan tinggi sedangkan Gambar 4b, 4c dan 4d adalah tiga desain PCB 6-lapisan biasa.

Di antara 3 desain PCB 6 lapis, desain b adalah yang terburuk dan S₂ lapisan harus lapisan sinyal berkecepatan tinggi. S₂ lapisan dalam desain c dan d adalah lapisan sinyal berkecepatan tinggi. Desain c adalah yang terbaik karena setiap lapisan sinyal berdekatan dengan bidang tanah untuk memastikan jalur arus balik sinyal terpendek dan S₂ dan lapisan P dilindungi oleh GND₁ dan GND₂ . Dibandingkan dengan desain c, S₃ dalam desain d jauh dari lapisan GND dan P hanya dapat mencapai efek satu sisi, bukan efek sisi ganda yang disebabkan oleh desain c.

Antena Setara di PCB

Fungsi dasar antena adalah untuk memancarkan dan menerima gelombang radio nirkabel. Dalam proses radiasi, arus frekuensi tinggi dapat diubah menjadi gelombang elektromagnetik; dalam proses menerima, gelombang elektromagnetik diubah menjadi arus frekuensi tinggi. Radiasi di bidang EMC terutama mengacu pada radiasi medan jauh. Pembentukan antena tergantung pada dua kondisi dasar:sumber sinyal RF dan panjang konduktor tertentu yang terhubung ke sumber sinyal RF. Dalam bidang teknik diyakini bahwa efek antena akan muncul bila panjang penghantar sesuai dengan rumus yaitu l=λ/20. Ketika l=(λ/4)n, efek antena adalah yang terbesar dengan n sebagai bilangan asli.

Ketika sinyal sedang ditransmisikan di dalam PCB, loop dalam memiliki efek yang sama dengan antena loop. Semakin besar area loop, semakin banyak efek antena. Kontrol loop PCB yang ketat dapat secara efektif menghentikan gangguan mode diferensial, yang layak dalam praktik. Namun, peningkatan panjang garis tercetak akan menyebabkan efek antena batang yang jelas sehingga panjang sinyal interkoneksi harus dikurangi sebanyak mungkin dalam proses tata letak PCB.

Saat Z_GND relatively yang relatif tinggi terjadi pada jalur arus balik sinyal du/dt tinggi yang ditransmisikan di dalam PCB, sumber driver mode umum u_com akan berlangsung dengan i_com mengalir melewati Z_GND , bersama dengan garis cetak yang terhubung atau kandang I/O, yang dapat menyebar ke luar.

Jika PCB berukuran relatif kecil, garis cetak bagian dalam tidak dapat mencapai persyaratan radiasi antena karena keterbatasan panjang. Dalam kondisi ini, kabel I/O dapat dianggap sebagai perluasan garis cetak, kebutuhan radiasi dapat dipenuhi. Meskipun tidak ada koneksi langsung ke I/O stable, kopling crosstalk harus dihentikan di antara kabel I/O.

Crosstalk di dalam PCB dan Solusinya

• Kopling antara garis cetak PCB dan ground referensi

Karena EMC terutama membahas sinyal mode umum frekuensi tinggi, parameter distribusi tidak dapat dihindari di dalam dan di luar PCB. Kopling kapasitif terjadi antara PCB dan tanah referensi yang kapasitansi terdistribusi disusun oleh kapasitansi pelat dan kapasitansi alami dalam ruang terkecil. Kapasitansi pelat berbanding lurus dengan ukuran PCB dan secara tidak langsung berbanding lurus dengan jarak antara PCB dan ground. Kapasitansi alami dalam ruang terkecil berbanding lurus dengan diameter setara garis tercetak di dalam PCB. Oleh karena itu, di mana pun PCB ditempatkan, bahkan jauh dari tanah secara tak terhingga, kapasitansi terdistribusi selalu ada antara garis tercetak di dalam dan tanah. Dalam PCB, kapasitansi terdistribusi dari bidang GND yang relatif terintegrasi ke papan arde referensi kira-kira 10pF dan kapasitansi terdistribusi dari garis tercetak di dalam ke papan arde referensi kira-kira dalam kisaran 0,001pF hingga 0,1pF atau lebih rendah. Kapasitansi terdistribusi dari garis tercetak di tengah PCB jauh lebih rendah dibandingkan dengan garis tercetak di tepi PCB.

• Kopling di dalam PCB

sebuah. Teori kopling di dalam PCB dan pengaruhnya terhadap sinyal

Kopling di dalam PCB terdiri dari kopling kapasitif dan kopling induktif yang teorinya ditampilkan pada Gambar 5.

Pada gambar ini, baik AB dan CD adalah garis cetak paralel dengan spasi kecil di antara dua garis. Z₀ mengacu pada pembawa jalur sinyal 1 sementara Z₁ dan Z₂ lihat masing-masing pembawa saluran sinyal 2. Pada Gambar 5a, ketika tegangan puncak sinyal pada garis cetak AB adalah u, waktu naik sinyal adalah t, dan frekuensi sudut adalah , tegangan Z₂ akan menjadi u_v =[Z₁ Z₂ /(Z₁ +Z₂ )]cΔu/Δt. Meskipun _c memiliki nilai yang sangat rendah, nilai u/dt bisa sangat tinggi dan produknya tidak dapat dihindari. Pada Gambar 5b, ketika arus puncak sinyal pada AB adalah I_c , waktu naik sinyal adalah t, dan frekuensi sudut adalah , induktansi timbal balik m antara 2 garis tercetak akan melewati CD di mana tegangan induksi adalah u_v =mωi_c . Meskipun nilai m sangat kecil, frekuensi sinyal dapat ditingkatkan. Oleh karena itu, produk mereka tidak dapat dihindari.

Akibatnya, baik kopling kapasitif dan kopling induktif terkait dengan parameter terdistribusi dua garis tercetak c atau m. Selama tata letak PCB, nilai c dan m dapat dikurangi dengan meningkatkan jarak antara garis paralel. Dalam rangkaian praktis, kopling kapasitif menyumbang sebagian besar rangkaian digital dan ketika bidang PCB tidak mulus atau ada slotting atau retak, crosstalk induktif akan memiliki pengaruh lebih besar daripada crosstalk kapasitif. Namun, ketika area PCB terbatas, crosstalk tidak dapat diatasi hanya dengan memperbesar jarak antar garis paralel. Untuk mempertahankan parameter terdistribusi terkecil antara dua garis paralel yang berdekatan, desain bidang terpadu harus diatur di area proyektif dan yang terbaik adalah memiliki lapisan tanah di bagian atas dan bawah.

b. Pengaruh kabel ground pelindung untuk mengurangi crosstalk

Tingkat crosstalk ditentukan oleh banyak elemen seperti frekuensi sinyal, waktu tepi naik sinyal, jarak antara garis sinyal, port penggerak dan fitur listrik dari port penerima dan jumlah lapisan PCB. Crosstalk dapat dikurangi dengan menyetel bidang tanah terintegrasi di bawah garis tercetak dan kabel ground pelindung dapat ditambahkan di antara sinyal.

Dalam proses tata letak PCB, dua aspek dapat bermanfaat untuk menghentikan crosstalk. Pertama, sirkuit dalam dan sirkuit luar yang sensitif harus dihentikan. Kedua, crosstalk antara sirkuit dalam atau sirkuit kebisingan dan sinyal lain harus dihentikan. Dalam tata letak PCB praktis, pengujian rinci harus dilakukan pada lapisan yang sama atau antara lapisan yang berbeda pada PCB untuk mendeteksi apakah ada risiko crosstalk atau tidak.

Selama prosedur tata letak PCB, beberapa jalur sinyal dengan atribut yang sama harus mengikuti perutean waktu dan arah yang sama dengan kepadatan. Jika keterbatasan ruang PCB menyebabkan komponen filter tidak dapat ditempatkan pada jalur yang sama, crosstalk antar sinyal cenderung muncul. Situasi ini ditunjukkan pada Gambar 6 di bawah ini.

c. Pengaruh kabel ground pelindung terhadap efek tepi

Ketika jalur sinyal yang sangat sensitif atau jalur sinyal dengan du/dt, di/dt tinggi diatur di sepanjang tepi PCB, mereka akan menanggung risiko EMC lebih besar daripada yang diatur di tengah PCB. Lebih mudah bagi garis sinyal tepi untuk menerima interferensi frekuensi tinggi atau radiasi luar dengan kapasitansi parasit yang lebih besar.

Di bawah keterbatasan area PCB, sangat sulit untuk mengatur tata letak PCB sesuai dengan prinsip 20H dalam file desain. "Paket" dapat digunakan untuk mengurangi gangguan dan radiasi luar. Garis paket tidak perlu memenuhi persyaratan khusus seperti ketebalan dan bentuk. Biasanya bila garis sinyal terlalu dekat dengan tepi PCB ke pelat tembaga, garis arde dalam kisaran 7 hingga 10 mil dapat ditambahkan sebagai pelindung.

d. Interferensi timbal balik antara sirkuit digital dan analog

Ketika PCB memegang sirkuit digital berkecepatan tinggi dan sinyal analog tingkat rendah, crosstalk biasanya dihasilkan ke sinyal analog oleh gangguan digital di bawah tata letak PCB yang buruk. Interferensi timbal balik antara sirkuit digital dan analog disebabkan oleh alasan berikut. Pertama, kebisingan crosstalk disebabkan oleh kapasitansi parasit dan induktansi parasit. Kedua, decoupling yang buruk dari riak daya dan daya chip digital akan menyebabkan kebisingan daya. Ketiga, impedansi tanah dan tempat sistem tanah menyebabkan kebisingan. Masalah kebisingan harus ditangani dengan urutan daya, sinyal, dan ground.

Sumber Daya Bermanfaat:
• Pengenalan Alat Otomatis EMI dan EMC Paling Komprehensif
• Memastikan Sukses Pertama Kali dalam Desain EMC PCB
• Aturan Desain Partisi PCB untuk Peningkatan EMC
• PCB Desain untuk Sirkuit Frekuensi Radio dan Kompatibilitas Elektromagnetik
• Tiga Pertimbangan Desain Memastikan EMC PCB Laptop
• Layanan Pembuatan PCB Fitur Lengkap dari PCBCart - Beberapa opsi Nilai tambah
• Layanan Perakitan PCB Tingkat Lanjut dari PCBCart - Mulai dari 1 buah