Ontwerpers van printplaten (PCB's) worstelen vaak met elektromagnetische interferentie bij het ontwerpen van printplaten. Ze moeten rekening houden met elektromagnetische compatibiliteit om te voldoen aan de systeemspecificaties. Zelfs kleine onoplettendheid bij de lay-out kan elektromagnetische complicaties veroorzaken, zoals kortsluiting of EMI/RFI-ruis. Hier komt een PCB-shield goed van pas!
Wat is een PCB-schild?
Een PCB-schild is een behuizing die je printplaat omhult om deze te beschermen en elektrische interferentie te verminderen. Het is meestal gemaakt van een geleidend metaal dat als elektromagnetisch schild fungeert. De meest gebruikte materialen zijn aluminium, staal en tin.
Afscherming kan kortsluiting voorkomen door uw printplaat te beschermen tegen contact met andere componenten of oppervlakken. Het beschermt ook tegen stof en vuil dat kortsluiting kan veroorzaken. Bovendien blokkeert het elektromagnetische interferentie (EMI) van radio's, motoren en andere bronnen die uw gevoelige circuits kunnen verstoren.
Voordelen van het gebruik van PCB-schild
Dit zijn enkele van de belangrijkste voordelen van het gebruik van PCB-afscherming:
- Voorkomt kortsluitingen – De afscherming voorkomt onbedoelde kortsluitingen tussen soldeer pads of componenten op de printplaat door de elektronica te isoleren.
- Vermindert EMI/RFI-interferentie – Elektromagnetische afscherming blokkeert inkomende en uitgaande EMI/RFI-ruis die de werking van uw circuit kan verstoren.
- Beschermt tegen stoten – Een stevig schild rond de printplaat beschermt tegen fysieke stoten, trillingen en andere mechanische spanningen.
- Bevat emissies – Het blokkeert de elektromagnetische energie die door uw PCB wordt gegenereerd, zodat deze niet naar buiten straalt en interferentie veroorzaakt met nabijgelegen elektronica.
- Verbetert de veiligheid – Afscherming kan het risico op elektrische schokken verminderen door contact met onder spanning staande componenten en circuits te voorkomen.
- Maakt prototyping mogelijk – Met een schild kunt u uw PCB-ontwerp eenvoudiger en veiliger testen en aanpassen voordat u een aangepaste behuizing maakt.
Soorten PCB-afscherming
Twee veelgebruikte afschermingsmethoden zijn radiofrequentie (RF)-afscherming en Arduino-afscherming:
PCB RF-afscherming
RF-afscherming blokkeert elektromagnetische velden, elektrostatische ladingen en radiogolven. Veelgebruikte RF-afschermingsoplossingen zijn onder andere metalen blikken, elastomeermaterialen, ferrietkralen en -platen, geleidend gaas en geïsoleerde aardingsvlakken. Deze oplossingen fungeren als Kooien van Faraday, waardoor wordt voorkomen dat externe interferentie gevoelige componenten verstoort.
Arduino-afscherming
Arduino-shields zijn modulaire printplaten die op Arduino-boards worden bevestigd om functionaliteit toe te voegen. Zo breiden draadloze, Ethernet-, GSM- en prototyping-shields de mogelijkheden van Arduino uit. Shield-pinnen verbinden de stapelbare boards en vermijden gereserveerde pinnen voor I²C- en SPI-bussen. Dankzij vooraf gebouwde circuits en codebibliotheken maken Arduino-shields een snelle implementatie mogelijk in vergelijking met maatwerkontwerpen.
Zowel RF- als Arduino-afscherming hebben voor- en nadelen. RF-afscherming biedt robuuste EMI-bescherming, maar kan kostbaar en complex zijn om te implementeren. Arduino-afscherming is betaalbaar en eenvoudig, maar biedt minder gespecialiseerde afscherming. Een doordacht afschermingsontwerp is essentieel voor het vinden van een balans tussen bescherming, kosten en complexiteit voor een specifieke toepassing.
Hoe werkt PCB-schild?
Een PCB-afscherming werkt door de elektromagnetische velden van de PCB te isoleren en externe elektromagnetische interferentie (EMI) van andere bronnen te blokkeren. De geleidende behuizing vormt een kooi van Faraday rond de elektronica, waardoor elektromagnetische interferentie langs de buitenkant van de afscherming stroomt. Dit voorkomt interferentie met componenten in het afgeschermde gebied.
Een goede aarding van het schild helpt ook om uitgestraalde emissies te absorberen en naar de aarde af te leiden. Kleine openingen zijn doorgaans aanwezig voor toegang tot testpunten, displays en bedieningselementen. Eventuele openingen worden zoveel mogelijk beperkt.
6 tips voor het ontwerpen van EMI-afscherming in PCB-layouts
Het verminderen van elektromagnetische interferentie in printplaatontwerpen vereist zorgvuldige lay-outtechnieken. Het volgen van deze 6 belangrijke strategieën kan helpen elektromagnetische interferentie te verminderen:
- Gebruik een grondvlak met lage inductie.
Wijd een hele laag toe aan meerlagige platen Als grondvlak. Maximaliseer het grondvlakoppervlak om het inductielusoppervlak te verkleinen. Dit verlaagt de impedantie van het retourpad, waardoor common-mode ruis en uitgestraalde emissies worden verminderd. Sluit alle signalen rechtstreeks aan op het grondvlak met behulp van via's om antennes op het retourpad te vermijden.
- Bescherm gevoelige componenten.
Gebruik geaarde geleidende behuizingen rond componenten die gevoelig zijn voor interferentie. EM-velden induceren stromen in de afscherming die de invallende velden neutraliseren door reflectie en absorptie. Kies geschikte afscherming, zoals behuizingen, pakkingen of schermen, op basis van de vereiste demping.
- Regel de impedantie met aangepaste transmissielijnen.
Stem de spoorimpedantie af op de bron- en belastingsimpedantie met behulp van breedte-/ruimteverhoudingsregels. Dit voorkomt reflecties en resonanties die ringing en EMI veroorzaken. Volg gecontroleerde impedantie: Ontwerp op hogesnelheidssporen. Gebruik indien nodig impedantie-afstemstubs en afsluitweerstanden.
- Omzeil de stroomrails met ontkoppelingscondensatoren.
Plaats keramische ontkoppelingscondensatoren met lage inductantie direct op elke IC-voedingspin. Dit creëert een ladingsreservoir om snelle schakelruis te verwerken en de voedingsrails schoon te houden. Gebruik meerdere condensatoren met verschillende waarden om een breed frequentiebereik te bereiken.
- Scheid en filter de bordsecties.
Verdeel het bord in analoog, digitaal, hogesnelheids, enz. en houd de signalen lokaal. Wanneer signalen domeinoverschrijdend moeten zijn, filter dan met ferrieten, common-mode smoorspoelen en condensatoren. Dit beperkt ruis in elke sectie.
- Organiseer de plaatsing van componenten.
De gekoppelde componenten worden samengebracht en gelijkmatig georiënteerd. Plaats digitale circuits met ruis uit de buurt van gevoelige analoge circuits. Routeer sporen efficiënt om lengte en kruising te minimaliseren. Verminder antenne-effecten met periodieke via's naar de aarde.
Takeaways
Het toevoegen van een goede PCB-afscherming aan uw project kan problemen door kortsluiting, EMI/RFI-ruis en statische schokken helpen voorkomen. Een zorgvuldig afschermingsontwerp is nodig om ongewenste elektromagnetische interferentie volledig te beperken. Met robuuste afscherming, geïntegreerd in de PCB-layout en -behuizing, kunt u de betrouwbare werking van uw elektronica garanderen.
