Teknik Perutean PCB Berkecepatan Tinggi untuk Mengurangi Pengaruh EMI

Generasi baru teknologi elektronik mengarah pada peningkatan kecepatan komponen yang tinggi. Peningkatan kecepatan kerja rangkaian menyebabkan kebutuhan desain PCB semakin tinggi. Kualitas desain PCB bahkan menentukan performa kerja komponen dan keseluruhan rangkaian. Apalagi dengan pertimbangan biaya dan area PCB serta fungsionalitas rangkaian yang komprehensif, sumber pembangkitan EMI (Electromagnetic Interface) menjadi semakin luas dengan mekanisme yang rumit.

Mekanisme dan Solusi EMI

Elemen utama EMI mengandung sumber interferensi elektromagnetik, rute transmisi dan objek yang diinterferensi. Dengan elemen yang mengarah pada munculnya EMI yang ditentukan, perlu untuk menentukan elemen yang mudah untuk resolusi dan yang hanya dapat diselesaikan sebagian dalam proses desain PCB sehingga dapat dipertimbangkan dalam proses tata letak, perutean dan landasan.

• Tata Letak

Dalam hal tata letak PCB, area harus dibagi sesuai dengan fungsi yang berbeda. Fungsi yang berbeda didistribusikan ke area yang berbeda sementara perhatian khusus harus diberikan pada unit sensitif di area fungsi.

Secara umum, prinsip-prinsip berikut harus diikuti untuk tata letak PCB:

sebuah. Dalam sirkuit berkecepatan tinggi, parameter distribusi pin komponen harus dipertimbangkan dan kapasitas terdistribusi dari pin komponen sangat penting terutama untuk sinyal clock berkecepatan tinggi. Sementara itu, induktansi terdistribusi harus diperhatikan karena dapat menyebabkan osilasi sinyal, yang menyebabkan kegagalan fungsi rangkaian. Oleh karena itu, dalam proses tata letak, distribusi harus diatur dengan kepadatan tinggi dengan panjang timah diturunkan untuk perutean di masa mendatang dan pengaruh EMI berkurang.

b. Jika komponen analog dan komponen elektronik berada dalam satu sirkuit, mereka harus didistribusikan secara independen dalam proses tata letak. Karena sinyal komponen digital memiliki komposit rumit dengan beberapa gelombang harmonik, pengaruh besar akan dihasilkan ke sinyal analog. Jadi mereka harus dipertimbangkan dengan sangat hati-hati.

c. Unit jam sangat penting dalam sirkuit berkecepatan tinggi. Mekanisme kerja unit jam sebenarnya setara dengan sumber kebisingan, yang berarti unit ini akan terombang-ambing ketika kondisi tertentu terpenuhi. Sebagai sumber penting gangguan konduktivitas dan gangguan radiasi, unit jam tidak boleh ditempatkan di tepi PCB. Jika tidak, EMI akan menjadi sangat serius. Penting untuk menempatkan unit jam di tengah PCB, yang dapat sangat mengurangi EMI di sirkuit.

• Perutean

Dalam proses routing PCB, dalam keadaan biaya rendah, ground plane dapat diperbesar sebanyak mungkin untuk mengurangi pengaruh EMI. Namun, dalam keadaan di mana biaya harus dikontrol secara ketat, jumlah lapisan PCB dan urutan tumpukan harus dipertimbangkan dengan hati-hati. Selain itu, jenis sinyal harus dipertimbangkan dan perutean harus dilakukan secara independen untuk sinyal berkecepatan tinggi dan sinyal berkecepatan rendah. Selain itu, elemen lain harus dipertimbangkan termasuk sumber kebisingan dan bagaimana memperkuat penghambatan kebisingan, masalah pada pencocokan impedansi (Sinyal berkecepatan tinggi tanpa pencocokan yang sesuai pasti akan menyebabkan pantulan sinyal dan menurunkan keandalan sirkuit), dan daftar bersih .

sebuah. Prinsip dasar perutean

Prinsip umum yang diikuti dalam perutean meliputi:

1).Breakpoint harus dihindari dalam perutean, yang berarti bahwa sudut siku-siku harus dihindari, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 di bawah.

Karena sudut siku-siku mungkin akan menyebabkan refleksi, titik belok harus dirancang dengan mulus untuk menghindari fenomena ini. Secara bersamaan, sinyal kunci tidak boleh berada di luar area yang terbagi, atau EMI akan langsung ditingkatkan. Pembypassan sinyal yang paling umum adalah melintasi area yang terbagi dalam daya yang berbeda.

2).Dalam proses tata letak, komponen analog dan komponen digital harus dipisahkan satu sama lain, yang berarti bahwa peruteannya harus dibagi. Secara bersamaan, lebar kabel arde dan kabel daya harus diperbesar dengan aturan umum bahwa lebar kabel arde lebih besar daripada lebar kabel daya yang lebih besar dari lebar kabel sinyal. Selain itu, prinsip 3W harus dipertimbangkan sepenuhnya pada perutean kabel sinyal sedangkan untuk papan multi-layer, prinsip 20H harus dipertimbangkan pada lapisan internal. Penyelesaian pekerjaan di atas mampu menghindari 70% EMI. Dalam hal kabel sensitif analog, tindakan dapat diterapkan seperti pembumian.

3). Untuk perutean USB2.0 atau jalur diferensial berkecepatan tinggi lainnya, perutean kopling harus diterapkan dan integritas permukaan referensi antara pasangan diferensial harus dijamin. Karena pasangan diferensial umumnya merupakan sinyal berkecepatan tinggi, perutean tidak boleh diatur di tepi PCB.

b. Putaran

Loop tidak pernah bisa dihindari dalam desain PCB. Loop terbentuk dari sinyal yang mengalir keluar hingga mengalir ke dalam dan masing-masing loop berperan sebagai antena secara fungsional. Untuk mengurangi EMI di PCB, jumlah loop dan kemampuan antena loop harus dikurangi. Ini berarti bahwa arah aliran setiap sinyal harus diperhatikan dalam desain PCB dan area loop harus dikurangi untuk sinyal berkecepatan tinggi.

Dalam rangkaian, loop yang paling umum digunakan terletak pada loop daya yang dikandung oleh kapasitor decoupling, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.

Jika kapasitor decoupling ditempatkan seperti diagram kiri pada Gambar 2, loop arus yang relatif besar akan dihasilkan dengan fenomena EMI yang jelas. Sebaliknya, pada diagram kanan Gambar 2 di mana kapasitor decoupling ditempatkan dekat dengan chip, loop decoupling yang sangat kecil dihasilkan dengan fungsi utama untuk mengurangi EMI. Prinsip-prinsip yang harus diikuti ditampilkan untuk mengurangi loop:

1).Hanya satu jalur yang dipastikan antara dua titik pada setiap jalur sinyal.

2).Ground plane harus diterapkan tanpa memastikan adanya blok pada loop sinyal.

c. Kabel ground dari PCB

1). Perbedaan harus diperjelas antara ground digital, ground analog, dan ground shield sistem dalam sistem grounding PCB. Manik-manik magnetik dan kapasitor diterapkan untuk memisahkan arde digital dan arde analog dan arde digital dan arde medan harus dihubungkan secara langsung.
2).Jika memungkinkan, kabel arde harus dilebarkan di PCB.
3).Bentuk sirkuit tertutup oleh kabel ground sehingga kapasitas anti-interferensi akan diperkuat dan perbedaan level listrik antar sistem berkurang.

• Desain filter

Pada PCB berkecepatan tinggi, pemrosesan filter dapat diimplementasikan pada kabel daya dan kabel sinyal. Langkah-langkah umum termasuk penambahan komponen filter magnetik, filter EMI dan kapasitor decoupling.

sebuah. Pemilihan kapasitor decoupling

1). Dalam sebuah sirkuit, kapasitor decoupling membantu membuat daya menjadi lancar dan memperkuat kapasitas anti-interferensi. Umumnya, kapasitor keramik dipilih sebagai kapasitor decoupling karena stabilitasnya yang tinggi, akurasi yang tinggi, volume yang kecil dan ESR (Equivalent Series Resistance) yang rendah. Dalam desain sirkuit, nilai resistansi dipilih dalam kisaran dari 1μF hingga 100μF sedangkan kemampuan menahan tegangan harus dipertimbangkan sesuai dengan sirkuit.
2). Kapasitor pemisah harus ditempatkan dekat dengan komponen.

b. Pemilihan komponen magnetik

Komponen magnetik dapat diklasifikasikan menjadi induktor dan manik-manik magnetik. Umumnya, induktor diambil di ujung terminal daya sementara manik-manik magnetik di antara garis sinyal. Dalam proses pemilihan komponen, parameter saturasi harus dipertimbangkan. Setelah komponen magnetik mencapai saturasi, mereka akan terbakar. Selain itu, kualitas dan parameter DCR komponen magnetik harus dipertimbangkan.

Ukuran yang umum digunakan di antara jalur sinyal terletak pada penerapan manik-manik magnetik pada jalur serial untuk memperkuat kapasitas EMI.

c. Pemilihan filter EMI

Area dengan gangguan mode umum yang serius terletak di tempat dengan daya masuk dan saluran sinyal keluar. Langkah-langkah biasa untuk menghindari gangguan mode umum termasuk penambahan induktor mode umum, piezoresistor, sirkuit LC dan filter EMI spesifik. Di sirkuit berkecepatan tinggi, masalah EMI harus dipertimbangkan untuk transmisi berkecepatan tinggi pada antarmuka digital seperti USB dan HDMI.

• Refleksi sinyal

Dalam transmisi sinyal, energi pada terminal sumber diharapkan selalu ditransmisikan ke terminal pembebanan, yang berarti bahwa ZL harus sama dengan ZO. Jika mereka tidak sama satu sama lain, sebagian energi akan dipantulkan.

Jika penundaan transmisi saluran relatif lama, sinyal yang lebih kuat akan dipantulkan kembali ke terminal sumber. Kemudian jumlah yang relatif besar harus diubah untuk kompensasi saat dering dihasilkan, yang ditunjukkan pada Gambar 5 di bawah ini.

Saat dering terjadi pada sinyal, EMI mencapai puncak keparahan. Untuk menghindari fenomena seperti itu dalam desain PCB, ikuti prinsip-prinsip pada Tabel 1.

Waktu tepi sinyal (ns)	Panjang garis sinyal (inci)
5	8.6
4	6.9
3	5.1
2	3.4
1	1.7

Uji EMI

Setelah desain produk, meskipun banyak tindakan untuk menghindari EMI, masalah tidak akan ditemukan sampai implementasi pengujian. Kemudian, beberapa modifikasi dapat dilakukan untuk memecahkan masalah.

Tes EMI meliputi metode pengujian, perangkat, dan posisi pengujian. Metode pengujian harus dilakukan dengan mengacu pada semua item. Jika perangkat gagal mencapai standar, spektrometer dapat diterapkan untuk uji kualitatif. Jika nilai EMI spesifik perangkat diperlukan, perangkat profesional harus diterapkan. Adapun posisi tes, yang terbaik adalah melakukan tes di kamar gelap.

Sumber Daya Bermanfaat
• Panduan Tata Letak PCB Ramah Insinyur yang Tidak Dapat Dilewatkan
• Penelitian tentang Desain PCB Berkecepatan Tinggi dalam Sistem Aplikasi Tertanam
• Pengenalan Alat Otomatis EMI dan EMC yang Paling Komprehensif
• 5 Tips Desain Sirkuit Otomotif untuk Mengalahkan EMI
• Layanan Pembuatan PCB Fitur Lengkap dari PCBCart - Beberapa opsi Nilai Tambah
• Layanan Perakitan PCB Tingkat Lanjut dari PCBCart - Mulai dari 1 buah