Piirilevyjen EMI, EMS ja EMC: Määritelmät ja suunnitteluvinkit

Piirilevysuunnittelussa EMC:llä (sähkömagneettisella yhteensopivuudella) tarkoitetaan piirilevyä, joka ei lähetä liiallisia häiriöitä eikä ole ympäristönsä häiritsemä. EMI on itse ei-toivottu häiriö ja EMS on levyn alttius ulkoisille häiriöille. EMC:n saavuttaminen on enimmäkseen asetteluongelma, kiinteät maatasot, pienet virtasilmukat, jatkuvat paluureitit, hyvä irtikytkentä ja järkevä suodatus. Tämä opas selvittää nämä kolme termiä, selittää, mistä häiriöt tulevat, ja esittelee piirilevysuunnittelutekniikat ja testit, jotka pitävät tuotteen yhteensopivana ja vaatimustenmukaisena.

EMI, EMS ja EMC: Määritelmät ja erot

Nämä kolme termiä ovat toisiinsa liittyviä mutta erillisiä, ja niiden sekoittaminen johtaa sekaviin vaatimuksiin.

Yksinkertaisesti sanottuna sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) saavutetaan, kun piirilevy sekä tuottaa vähän sähkömagneettista häiriötä että sietää ympäristöään (hyvä häiriönsieto, matala EMS). Molempien puoliskojen, eli häiriöttömän ja häiriöttömän, on täytyttävä. Hiljainen mutta hauras tai kestävä mutta kohinainen piirilevy ei ole sähkömagneettisesti yhteensopiva.

Mikä aiheuttaa sähkömagneettista häiriötä piirilevyllä

Häiriöitä syntyy muuttuvien virtojen ja jännitteiden seurauksena, joten nopeimmat ja terävimmät signaalit ovat niiden suurimpia lähteitä.

• Nopeat reunojen vaihdot. Nopeat jännite- ja virtamuutokset sisältävät korkeataajuista energiaa, joka säteilee.
• Virtasilmukat. Mikä tahansa virtasilmukka toimii antennina; mitä suurempi silmukka, sitä enemmän se säteilee ja sitä enemmän se vastaanottaa.
• Kellot ja harmoniset yliaallot. Jaksolliset kellosignaalit tuottavat voimakasta energiaa kellotaajuudella ja sen harmonisilla yliaalloilla.
• Hakkurivirtalähteet. Hakkurisäätimet ovat voimakkaita paikallisia sekä säteilevän että johtuvan kohinan lähteitä.

Toistuva teema on virtasilmukka. Useimmat emissio- ja herkkyysongelmat liittyvät silmukan alueeseen: pieni silmukka on sekä huono häiriöiden lähetin että vastaanotin. Tästä syystä EMC-suunnittelussa on niin paljon kyse paluuvirran virtauspaikan hallinnasta, mikä on yhteinen huolenaihe suurnopeussuunnittelussa.

Päästöt vs. häiriönsieto: Sähkömagneettisen häirinnän kaksi puolta

Vaatimustenmukaisuudella on kaksi puolta, ja suunnittelun on otettava huomioon molemmat.

Päästöt

Päästöt ovat tuotteen lähettämiä sähkömagneettisia häiriöitä, jotka mitataan säteilevinä päästöinä (avaruuden läpi) ja johtuvina päästöinä (kaapeleita ja voimalinjoja pitkin). Määräykset rajoittavat tuotteen päästöjen määrää, jotta se ei häiritse muita laitteita.

Koskemattomuus

Häiriönsieto on kääntöpuoli: tuotteen on toimittava jatkuvasti, kun se altistuu ulkoisille häiriöille, kuten staattisille purkauksille, nopeille transienteille ja säteilykentille. Hyvä häiriönsieto tarkoittaa alhaista herkkyyttä. Monet samat asetteluvalinnat, kiinteät maadoitukset ja pienet silmukat, parantavat sekä päästöjä että häiriönsietoa samanaikaisesti, minkä vuoksi ne ovat EMC-suunnittelun perusta eivätkä jälkikäteen ajateltuja.

Piirilevyjen asettelutekniikat sähkömagneettisten häiriöiden vähentämiseksi

EMC voitetaan tai hävitään enimmäkseen pelilaudalla. Muutama tekniikka tekee suurimman osan työstä.

Pinoamis- ja paluureitin rooli

Tehokkain yksittäinen työkalu on jatkuva referenssitaso jokaisen signaalikerroksen vieressä, jotta paluuvirta kulkee suoraan signaalin alapuolella pienimmässä mahdollisessa silmukassa. Tämän tason jakaminen tai signaalin reitittäminen raon yli pakottaa paluuvirran kiertotielle, jolloin syntyy suuri säteilevä silmukka. Kunkin integroidun piirin lähelle sijoitetut erotuskondensaattorit tekevät saman tehtävän virransyöttösilmukalle. Nämä valinnat vaikuttavat asetteluun ja pinoamiseen, joka asetetaan piirilevyn valmistuksen aikana , ja juuri niitä suunnittelukatselmuksessa tarkastellaan.

Yleisiä EMC-suunnitteluvirheitä

Muutamat toistuvat asetteluvirheet selittävät useimpia EMC-vikoja, ja jokaiselle niistä on selkeä korjaus.

Huomaa, että jokainen korjaus palaa samoihin perusasioihin: pidä paluuvirta pienessä, jatkuvassa silmukassa, irrota paikallisesti ja maadoita suojaukset oikein. Näiden virheiden välttäminen suunnittelussa on paljon halvempaa kuin päästöjen jahtaaminen vaatimustenmukaisuuslaboratoriossa.

Piirilevyjen suojaus ja suodatus

Kun pelkkä asettelu ei riitä, suojaus ja suodatus lisäävät hallintaa entisestään.

• Lautatason suojat. Meluisan tai herkän alueen päällä olevat metallipurkit sisältävät tai estävät kenttiä.
• Suodatus. I/O-linjojen ja virransyöttölohkon suodattimet johtavat kohinaa sisään- tai ulosmenosta.
• Kontrolloitu impedanssi ja vähähäviöinen materiaali. Puhtaat ja hyvin sovitetut signaalit säteilevät vähemmän, minkä vuoksi pienihäviöiset piirilevyt ja sopiva korkeataajuisia materiaaleja apua nopeisiin suunnitteluihin.

Suojaaminen on itsessään syvällisempi aihe, mutta periaate on yksinkertainen: pidä energia, jota et voi poistaa, ja suodata sen muutoin kulkemat polut. Suojat ja suodattimet täydentävät hyvää asettelua, mutta eivät korvaa sitä.

EMC-standardit ja vaatimustenmukaisuus (FCC, CISPR, CE)

Useimpien tuotteiden on täytettävä EMC-määräykset ennen kuin niitä voidaan myydä, ja sovellettava standardi riippuu markkina-alueesta ja tuotetyypistä.

Tarkat raja-arvot ja testausmenetelmät vaihtelevat, mutta rakenne on yhdenmukainen: rajoitukset sille, mitä päästöjä teet, ja vähimmäishäiriötasot, joita häiriön on kestettävä. Sovellettavien standardien tunteminen jo varhaisessa vaiheessa muokkaa suunnittelua, koska sähkömagneettisen yhteensopivuuden jälkiasennus epäonnistuneen vaatimustenmukaisuustestin jälkeen on hidasta ja kallista.

EMC-testausmenetelmät

Vaatimustenmukaisuus osoitetaan testeillä, jotka heijastelevat sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) kahta puolta.

• Säteilevät päästöt. Mittaa tuotteen avaruuteen säteilemän energian tietyllä taajuusalueella.
• Johtuvat päästöt. Mittaa tuotteen virta- ja signaalilinjoihinsa takaisin lähettämää kohinaa.
• Immuniteettitestit. Altista tuote staattisen sähkön purkauksille, nopeille transienttipurskeille, jännitepiikeille ja säteilykentille varmistaaksesi, että se toimii edelleen.

Vikaantunut piirilevy korjataan usein käsittelemällä yllä mainittuja perusasioita, kiristämällä paluureittiä, lisäämällä irtikytkentää, sulkemalla tasovälin tai asentamalla suojan tai suodattimen. Näiden havaitseminen suunnittelussa on paljon halvempaa kuin epäonnistuneen testin jälkeen, minkä vuoksi sähkömagneettista yhteensopivuutta on parasta käsitellä suunnittelun lähtökohtana, ei viimeisenä esteenä.

Kuinka suunnitella piirilevy EMC-yhteensopivaksi

Luotettavin tapa läpäistä EMC-testaus on ottaa se huomioon suunnittelussa jo ensimmäisestä asettelupäätöksestä lähtien.

• Suunnittele pinoaminen joten jokaisella signaalilla on viereinen, jatkuva referenssitaso.
• Pidä silmukat lyhyinä kelloille, kytkentäsolmuille ja suurnopeussignaaleille.
• Irrota jokainen IC kondensaattoreiden ollessa lähellä virtajohtoja.
• Jaa levy osiin joten meluisat osat (kytkimet, radiot) erotetaan herkistä osista.
• Suunnittele I/O-suodatus ja mahdolliset suojaukset ennen kuin asettelu jäädytetään.

Nämä päätökset eivät maksa juuri mitään suunnitteluvaiheessa, ja jälkiasennukset ovat kalliita. Jos ne tehdään etukäteen, ne vaikuttavat valmistukseen ja luotettavaan piirilevykokoonpanoon ja suurtuotantoon. Merkittäviä lämpötiloja ja EMC-vaatimuksia omaavilla piirilevyillä, myös metalliytiminen kokoonpano voi vaikuttaa asiaan.

EMC tarkoittaa hiljaista ja kestävää piirilevyä. Tämä saavutetaan ohjaamalla virtasilmukoita kiinteillä tasoilla, irtikytkentällä, jatkuvilla paluureiteillä sekä järkevällä suojauksella ja suodatuksella, ja varmistamalla sitten päästö- ja immuniteettitesteillä. Suunnittelu alusta alkaen ja vaatimustenmukaisuus. Voit lukea lisää Highleap Electronicsista ja valmistus- ja kokoonpanokyvyistämme.

Usein Kysytyt Kysymykset

Mitä eroa on EMI:llä, EMS:llä ja EMC:llä?

Yleisenä tavoitteena on EMC (sähkömagneettinen yhteensopivuus): laite, joka toimii ympäristössään aiheuttamatta tai kärsimättä sietämättömistä häiriöistä. EMI on laitteen lähettämä ei-toivottu häiriö ja EMS sen alttius ulkoisille häiriöille. Yhteensopiva tuote sekä lähettää vähän EMI:tä että sillä on hyvä häiriönsietokyky (alhainen EMS).

Mikä aiheuttaa piirilevylle sähkömagneettista häiriötä?

Virtojen ja jännitteiden muuttuminen: nopeat kytkentäreunat, kellosignaalit ja niiden harmoniset aallot, kytkentävirtalähteet ja erityisesti virtasilmukat, jotka toimivat antenneina. Mitä suurempi silmukka, sitä enemmän se säteilee ja vastaanottaa. Useimmat EMI-ongelmat johtuvat silmukan pinta-alan ja paluuvirtareittien hallinnasta.

Mikä on tärkein yksittäinen EMC-suunnittelutekniikka?

Jatkuva referenssitaso (maataso) jokaisen signaalikerroksen vieressä, joten paluuvirta kulkee suoraan signaalin alapuolella pienimmässä mahdollisessa silmukassa. Tämän tason jakaminen tai reitittäminen raon yli pakottaa suuren paluusilmukan, joka säteilee. Lähes kaiken muun perustana ovat yhtenäiset tasot ja minimaalinen silmukkapinta-ala.

Auttavatko irrotuskondensaattorit sähkömagneettista turvallisuutta?

Kyllä. Eristyskondensaattorit (ohituskondensaattorit), jotka on sijoitettu lähelle kunkin mikropiirin tehonastoja, syöttävät paikallisesti transienttivirtaa, mikä kutistaa tehonsyöttösilmukkaa ja vähentää sen muuten säteilemää kohinaa. Ne myös vakauttavat syötön, mikä parantaa sekä päästöjä että häiriönsietoa. Sijoittaminen lähelle nastoja on yhtä tärkeää kuin niiden arvo.

Tarvitaanko suojausta EMC:n vuoksi, vai riittääkö pelkkä asettelu?

Hyvä asettelu, yhtenäiset tasot, pienet silmukat, irtikytkentä ja hallittu impedanssi ratkaisevat monia EMC-ongelmia ilman suojausta. Suojaukset ja suodattimet lisäävät hallintaa, kun pelkkä asettelu ei riitä, esimerkiksi kohinaisen radio-osan tai I/O-linjojen yli. Ne täydentävät hyvää asettelua sen sijaan, että ne korvaisivat sen.

Mitä EMC-standardeja minun on täytettävä?

Se riippuu markkinoista ja tuotteesta: Yhdysvalloissa FCC:n osa 15 säätelee päästöjä, Euroopassa EU:n EMC-direktiivi (CE) kattaa päästöt ja häiriönsietokyvyn, CISPR tarjoaa laajalti käytettyjä päästörajoja ja IEC 61000 -sarja määrittelee häiriönsietotestit. Selvitä sovellettavat standardit ajoissa, sillä ne muokkaavat suunnittelua.

Miten EMC-varmistetaan?

Testaamalla molemmat puolet: säteilevät ja johtuneet päästöt mittaavat tuotteen lähettämää signaalia, kun taas häiriönsietotesteissä käytetään staattisia purkauksia, nopeita transientteja, ylijännitepiikkejä ja säteileviä kenttiä sen varmistamiseksi, että laite toimii edelleen. Viat korjataan yleensä kiristämällä paluureittejä, lisäämällä irtikytkentää, kaventamalla tasovälejä tai lisäämällä suojausta tai suodatusta.

Miksi maatasossa oleva rako aiheuttaa sähkömagneettisia häiriöitä (EMI)?

Paluuvirta kulkee luonnostaan ​​suoraan signaalijäljen alapuolella, mutta referenssitasossa oleva rako tai halkeama estää tämän reitin ja pakottaa virran kiertämään raon. Kiertotie luo suuren virtasilmukan, joka säteilee tehokkaasti ja on alttiimpi vastaanotolle. Referenssitason pitäminen yhtenäisenä signaalien alla, mikä on keskeinen käytäntö suurnopeuspiirilevyjen suunnittelussa, välttää tämän.