Wie kann man elektromagnetische Störungen im PCB-Design reduzieren?

Elektromagnetische Interferenz (EMI) ist eine Art elektromagnetischer Interferenz, bei der Energie durch Strahlung/Leitung von einem elektronischen Gerät auf ein anderes übertragen wird und die Signalqualität beeinträchtigt, was zu Störungen führt. Sie ist in fast jedem Bereich unseres Lebens vorhanden. Wenn sich beispielsweise unser Mobiltelefon in der Nähe eines laufenden Radios befindet, hören wir ein summendes Geräusch, das auf elektromagnetische Interferenz hindeutet. Dieses Problem hat PCB-Designer schon immer beschäftigt, da sie sicherstellen müssen, dass die von ihnen entworfenen elektronischen Produkte den Anforderungen entsprechen. EMV (Elektromagnetische Verträglichkeit)Tatsächlich ist es schwierig, elektromagnetische Störungen vollständig zu vermeiden. Wir können die elektromagnetische Störung jedoch im Designprozess so weit wie möglich reduzieren. In diesem Artikel listen wir einige wichtige Designregeln zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen in Leiterplatten auf. Lassen Sie uns direkt loslegen.

Was verursacht elektromagnetische Störungen in Leiterplatten?

Es gibt verschiedene Faktoren, die zur Entstehung elektromagnetischer Störungen in Leiterplatten beitragen:

• Aufgrund der hohen Rate an Zustandsübergängen können hochfrequente digitale Schaltkreise, einschließlich Mikroprozessoren und Speichergeräten, die häufigste Ursache sein.
• Schaltnetzteile und schnell schaltende Transistoren sind aufgrund ihrer schnellen Stromschwankungen die Hauptverursacher von EMI-Strahlung.
• Wenn die Signalleitungen schlecht ausgelegt oder verlegt sind, insbesondere diejenigen, die Hochfrequenzsignale übertragen, werden sie zu einer Quelle elektromagnetischer Störungen, da sie als Antennen fungieren.
• Schleifen auf der Erdungsebene und eine schlechte Erdung sind aufgrund von Störströmen ebenfalls Quellen von elektromagnetischen Störungen. Wenn die Stromversorgungsebenen nicht nahtlos miteinander verbunden sind, entstehen Impedanzunterbrechungen, die wiederum zu Signalreflexionen und elektromagnetischen Störungen führen.
• Diese Probleme können durch eine falsche Positionierung der Komponente und eine unzureichende Abschirmung verschlimmert werden, weshalb EMI eine der größten Herausforderungen beim PCB-Design darstellt.

Warum ist es wichtig, elektromagnetische Störungen zu reduzieren?

Erstens entspricht es den regulatorischen Maßnahmen wie den FCC-Vorschriften und der CE-Kennzeichnung, die in Märkten, in denen elektronische Geräte verkauft werden, vorgeschrieben ist. Die Nichteinhaltung von Richtlinien kann zu erhöhten Kosten wie Neugestaltung, verspäteter Markteinführung des Produkts und möglicherweise rechtlichen Problemen führen.
Zweitens verbessert die Reduzierung elektromagnetischer Störungen die Leistung und Qualität elektronischer Geräte. Hohe elektromagnetische Störungen können die Signalqualität ungünstig beeinflussen und zu Datenverlust, Systemausfällen oder einem Totalausfall des Geräts führen. In sensiblen Anwendungen wie medizinischen Geräten oder der Automobilelektronik können solche Probleme fatale Folgen haben.
Darüber hinaus führt die Verringerung der elektromagnetischen Störungen zu einem besseren Benutzererlebnis, da der Betrieb der jeweiligen Geräte nicht durch andere Geräte in der Nähe beeinträchtigt wird, wie beispielsweise durch Störungen des Radios durch ein Mobiltelefon.
Schließlich führt ein gutes EMI-Design auch zu einer Verbesserung der Energieeffizienz und Wärmeableitung, was sich in einer längeren Akkulaufzeit bei tragbaren Produkten und einer erhöhten Produktlebensdauer niederschlägt.

Wichtige Designprinzipien zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen

Häufige EMV-Probleme bei Leiterplatten beruhen im Wesentlichen auf Designfehlern, die durch Störungen durch Leiterbahnen, Schaltkreise, Durchkontaktierungen und andere zugehörige Elemente auf der Leiterplatte entstehen. In diesem Abschnitt werden grundlegende Prinzipien und bewährte Verfahren zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen aus verschiedenen Blickwinkeln vorgestellt:

1. Grundebene

• Maximierung der Massefläche: Auf einer großen Massefläche können Signale leichter verteilt werden, was Übersprechen und Rauschen reduziert. Daher muss die Massefläche innerhalb der Leiterplatte so weit wie möglich vergrößert werden. Ist die Massefläche zu klein, kann eine mehrlagige Leiterplatte verwendet werden.
• Gehen Sie mit geteilten Masseflächen vorsichtig um: Die Teilung sollte selektiv erfolgen, da bei einer schlechten Positionierung der Schnittflächen die Gefahr besteht, dass Schlitzantennen entstehen, die die EMI-Strahlung verstärken.
• Minimieren Sie Verbindungen zwischen separaten Masseflächen: Verbinden Sie getrennte Masseflächen idealerweise nur an einer Stelle. Mehrere Masseverbindungspunkte können problematisch sein, da sie Schleifen verursachen, die wiederum zusätzliche Emissionen von Ihrer Leiterplatte bedeuten.
• Optimierung der Platzierung von Bypass-Kondensatoren: Löten Sie Bypass- oder Entkopplungskondensatoren auf geeignete Weise mit minimierten Rückstrompfaden und Schleifengrößen an die Massefläche, um die elektromagnetischen Störungen zu reduzieren.

2. Trace-Layout

• Biegedesign: Ersetzen Sie scharfe 90-Grad-Bögen durch abgerundete oder 45-Grad-Winkel. Dies trägt zur Aufrechterhaltung einer konstanten Impedanz bei und reduziert Signalreflexionen.
• Signaltrennung: Es kann sinnvoll sein, Hochgeschwindigkeitssignale (z. B. Taktleitungen) von Niedriggeschwindigkeitssignalen zu trennen. Um Interferenzen zu reduzieren, empfiehlt es sich, analoge und digitale Signale zu trennen.
• Optimierung des Rückwegs: Entwerfen Sie kurze, direkte Rückwege, um die Schleifenbereiche und damit die elektromagnetischen Störungen zu minimieren.
• Routing von Differenzialpaaren: Verlegen Sie Differenzialspuren nahe beieinander, um eine bessere Kopplung zu erreichen und Rauschen in den Gleichtaktmodus zu verschieben, was bei Differenzialeingängen weniger problematisch ist.
• Via Nutzung: Bei der Gestaltung der PCB ViasDies sollte mit Bedacht erfolgen, da die Vias die Signalamplitude erhöhen und zusätzliche Induktivität und Kapazität mit sich bringen. Bei differenziellen Paaren sollte die Verwendung von Vias so weit wie möglich minimiert werden. Nur im Notfall sollte ein gemeinsames ovales Anti-Pad verwendet werden, um die parasitäre Kapazität zu reduzieren.

3. Komponentenanordnung

• Trennen Sie Analog und Digital: Wenn Sie sowohl analoge als auch digitale Schaltkreise im selben Design haben, schirmen Sie analoge Schaltkreise von digitalen Schaltkreisen ab und verwenden Sie so viele Schichten wie möglich mit getrennten Erdungen.
• Analoge Schaltungen vor Hochgeschwindigkeit schützen: Schützen Sie die analogen Schaltungen durch Abschirmung der Massesignale. Bei mehrlagigen Leiterplatten sollten Masseflächen zwischen den analogen Leiterbahnen und den Hochgeschwindigkeitssignalen platziert werden.
• Verwalten Sie Hochgeschwindigkeitskomponenten: Reduzieren und trennen Sie schnell kleine Teile, die mehr elektromagnetische Störungen erzeugen. Minimieren Sie die Kopplung von Hochgeschwindigkeitssignalen und stellen Sie sicher, dass sie kurz sind und sich in der Nähe der Masseflächen befinden.

4. EMI-Abschirmung
   

Wenn die vollständige Beseitigung von EMI nicht möglich ist, muss man sich für entscheiden PCB AbschirmungGanze Leiterplatten werden mithilfe externer Abschirmungen, wie beispielsweise Faradayscher Käfige, von elektromagnetischen Störungen ferngehalten. Interne Abschirmungen isolieren besonders empfindliche Komponenten innerhalb der Leiterplatten. Kabelabschirmungen mit leitfähigen Beschichtungen oder geflochtenen Ummantelungen tragen dazu bei, hochfrequente Signale einzudämmen und die Übertragung elektromagnetischer Störungen zu reduzieren.

Abschließende Überlegungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Reduzierung elektromagnetischer Störungen ein kritischer Aspekt des PCB-Designs ist, der nicht übersehen werden darf. Mit einem Verständnis der Ursachen von EMI und angewandten Designtechniken kann ein Ingenieur leistungsstärkere Schaltkreise auf der Leiterplatte herstellen, die sicher vor EMI-Risiken arbeiten können. Da moderne elektronische Geräte immer ausgefeilter werden und praktisch in jeder Ecke unseres Lebens vorkommen, bedeutet dies auch, dass das EMI-Problem in Zukunft immer kritischer wird. Obwohl die Probleme der EMI-Reduzierung komplex sein können, kann die Zusammenarbeit mit zuverlässigen PCB-Designspezialisten die Situation zum Besseren verändern. Hier kommt MOKO ins Spiel. Mit unserem Know-how im Hochleistungs-PCB-Design unterstützen wir Sie gerne bei der Lösung der mit der EMI-Reduzierung verbundenen Probleme und bei der Erreichung der elektromagnetischen Verträglichkeit. Nehmen Sie Kontakt mit MOKO Technology auf right now!