Geriausia EMC ekranavimo ant spausdintinių plokščių praktika: kaip sumažinti elektromagnetinius trukdžius

Įvadas į temą

Didėjant elektromagnetinio suderinamumo (EMS) reikalavimams (EMS), spausdintinių plokščių (PCB) projektavimas tampa vis sudėtingesnis. Ekranavimas yra pagrindinė technika, apsauganti elektroninius komponentus nuo elektromagnetinių trukdžių (EMS). Šiame straipsnyje aptariami pagrindiniai EMC ekranavimo ant spausdintinių plokščių iššūkiai ir geriausia praktika.

Elektronikos rinka išgyvena dinamiškus pokyčius, o didėjant belaidžių įrenginių ir plataus vartojimo elektronikos skaičiui, elektromagnetinis suderinamumas (EMS) tampa pagrindiniu projektavimo aspektu. Elektroniniai prietaisai, pradedant išmaniaisiais telefonais ir baigiant pažangiomis medicinos ir automobilių sistemomis, turi atitikti griežtus EMS standartus, kad būtų užtikrintas saugus ir efektyvus veikimas. Sparčiai vystantis tokioms technologijoms kaip 5G, daiktų internetas (IoT) ir nešiojama elektronika, didėja įrenginių, veikiančių aukštesniais dažniais, skaičius. Tai savo ruožtu padidina jautrumą elektromagnetiniams trukdžiams (EMI).

2023 m. pasaulinė elektromagnetinio ekranavimo rinka, kaip manoma, pasiekė 7 mlrd. JAV dolerių, o tai rodo didėjančią šios technologijos svarbą. Manoma, kad iki 2030 m. ši rinka išaugs dar 50 % dėl didėjančio programų, kurioms reikalingas EMC atitikimas, skaičiaus. Įmonės, norėdamos atitikti šiuos reikalavimus, turi investuoti į pažangias ekranavimo technologijas. Dėl nepakankamo ekranavimo gali kilti įrenginių suderinamumo problemų ir tai gali neigiamai paveikti įrenginių veikimą ir patikimumą.

Problemos istorija ir ištakos

Su elektromagnetiniais trukdžiais (EMI) susijusios problemos siekia radijo technologijų atsiradimo laikus XX a. pradžioje. Ankstyvosios radijo ryšio sistemos buvo ypač jautrios kitų elektromagnetinės spinduliuotės šaltinių keliamiems trukdžiams. Tobulėjant elektronikai ir telekomunikacijoms, inžinieriai pradėjo suprasti, kad šie trukdžiai gali smarkiai paveikti signalo kokybę ir įrenginių patikimumą. Jau buvo imtasi pirmųjų žingsnių siekiant apsaugoti sistemas nuo EMI, pirmiausia naudojant tinkamus įžeminimo ir signalo izoliavimo metodus.

Aštuntajame dešimtmetyje, sparčiai augant elektroninių prietaisų populiarumui, elektromagnetinių trukdžių problema tapo vis labiau paplitusi ir rimtesnė. Tokios įmonės kaip „Bell Laboratories“ pradėjo intensyvius EMI apsaugos metodų tyrimus. Įvedus pirmuosius EMC reglamentus, tokius kaip MIL-STD-461 standartai karinei įrangai, gamintojai buvo priversti projektuoti savo įrenginius atsižvelgiant į ekranavimą.

Devintajame ir dešimtajame dešimtmečiuose, tobulėjant mikroprocesorių technologijoms ir skaitmeniniams įrenginiams, dar labiau išaugo EMC atitikties poreikis. Atsirado pažangesnės technologijos, tokios kaip Faradėjaus narvas ir specialios ekranavimo medžiagos, kurios tapo plačiai naudojamos pramonėje. Nuo to laiko elektromagnetinis ekranavimas tapo standartiniu elektronikos projektavimo elementu, ypač įrenginiams, veikiantiems aukštais dažniais.

Šiuo metu elektromagnetinių trukdžių ekranavimo ir valdymo metodai yra neatsiejama elektronikos pramonės dalis, ypač atsižvelgiant į kylančias 5G ir daiktų interneto technologijas, taip pat automobilių pramonėje, kur autonominės ir elektrinės sistemos tampa vis dažnesnės.

Pagrindiniai iššūkiai ir problemos

Miniatiūrizavimas ir projektavimo sudėtingumas

Didėjant elektroninių prietaisų miniatiūrizacijai, projektuotojai susiduria su iššūkiu efektyviai išdėstyti komponentus ribotoje erdvėje. Kuo mažesnis PCB dydis, tuo sunkiau išlaikyti tinkamą atstumą tarp trukdžius skleidžiančių komponentų ir jautrių komponentų. Projektuojant analogines, skaitmenines ir maitinimo grandines, ypač svarbu vengti abipusių trukdžių. Netinkamas komponentų išdėstymas gali sukelti trukdžius, kurie turi įtakos įrenginio stabilumui.

Įžeminimo plokštumos valdymas

Vienoda, nepertraukiama įžeminimo plokštuma yra esminė norint projektuoti PCB, kurios yra atsparios elektromagnetiniams trukdžiams. Įžeminimo plokštė atlieka pagrindinį vaidmenį sugeriant laidinius trukdžius. Tačiau projektuojant daugiasluoksnes spausdintines plokštes, ypač sudėtingiems įrenginiams, tokiems kaip mobilieji telefonai ar medicinos įranga, įžeminimo plokštėje gali atsirasti nutrūkimų. Jei kiaurymių jungtys netinkamai išdėstytos ir įžemintos, jos gali dar labiau sukelti laidumo trukdžių problemų.

Įžeminimo kilpos ir laidiniai trukdžiai

Įžeminimo kilpos yra dažna problema daugiasluoksniuose įrenginiuose. Jos susidaro, kai skirtingos plokštės dalys turi skirtingus įžeminimo potencialus, dėl kurių atsiranda laidiniai trukdžiai. Signalai, tekantys per šias kilpas, gali sukelti trukdžius tarp komponentų. Norėdami išvengti šio reiškinio, projektuotojai turi atidžiai suplanuoti įžeminimą ir signalų kelius, kad sumažintų tokių kilpų riziką.

Ekranavimo medžiaga

Tinkamos ekranavimo medžiagos pasirinkimas vaidina lemiamą vaidmenį užtikrinant veiksmingą apsaugą nuo elektromagnetinių trukdžių. Tokios medžiagos kaip varis, aliuminis ir nerūdijantis plienas pasižymi skirtingomis laidumo ir trukdžių slopinimo savybėmis. Varis dėl puikaus laidumo yra dažniausiai naudojamas, ypač konstrukcijose, kurioms reikalingas didelis našumas. Nerūdijantis plienas, nors ir pigesnis, pasižymi prastesnėmis trukdžių slopinimo savybėmis ir yra naudojamas mažiau reikliose srityse. Dėl aukštų dažnių, kuriais veikia šiuolaikiniai įrenginiai, reikia naudoti pažangesnes medžiagas ir metodus, tokius kaip daugiasluoksnės ekranuojančios dangos.

Spinduliuojami trukdžiai

Spinduliuojami trukdžiai gali prasiskverbti pro svarbius komponentus, tokius kaip mikroprocesoriai, osciliatoriai ir radijo moduliai. Ypač daiktų interneto įrenginiams, kurie dažnai veikia didelės elektromagnetinės interferencijos aplinkoje, labai svarbu, kad projektuotojai taikytų tinkamus ekranavimo ir signalo izoliavimo metodus. Dėl tokių įrenginių aukštų veikimo dažnių, siekiančių iki dešimčių GHz, standartinių ekranavimo metodų nepakanka. Tokiais atvejais labai svarbu naudoti specializuotas ekranavimo medžiagas ir tiksliai projektuoti grandines.

Geriausia projektavimo praktika ir metodai

Analoginių ir skaitmeninių signalų izoliavimas

Vienas iš svarbiausių PCB projektavimo aspektų, susijusių su elektromagnetiniu suderinamumu (EMS), yra tinkamas analoginių ir skaitmeninių signalų atskyrimas. Skaitmeniniai signalai, ypač aukšto dažnio, gali sukelti trukdžius analoginiuose keliuose, o tai turi įtakos matavimo tikslumui ir įrenginio stabilumui. Todėl rekomenduojama, kai tik įmanoma, analogines ir skaitmenines dalis išdėstyti skirtinguose sluoksniuose arba fiziškai atskirti plokštėje.

Tinkamas kiaurymių išdėstymas

Kiaurymės dažnai naudojamos daugiasluoksnėse konstrukcijose, tačiau netinkamas išdėstymas gali sukelti trukdžius. Norėdami to išvengti, venkite kiaurymių išdėstymo šalia jautrių komponentų ir išdėstykite jas simetriškai, kad sumažintumėte potencialų skirtumus įžeminimo plokštumoje.

EMI sugeriančių medžiagų naudojimas

EMI sugeriančios medžiagos, tokios kaip ferito karoliukai ir folijos, gali žymiai sumažinti komponentų skleidžiamą elektromagnetinę spinduliuotę. Ypač didelio tankio įrenginiuose, kur erdvė ribota, šios medžiagos gali būti naudojamos tose vietose, kur sunku įdiegti standartinius ekranavimo metodus.

Mažos varžos jungčių projektavimas

Mažos varžos jungtys, tokios kaip bendraašės jungtys, užtikrina veiksmingą apsaugą nuo trukdžių. Jos ypač svarbios aukšto dažnio jungtims, kur net maži varžos skirtumai gali sukelti signalo atspindžius ir trukdžius. Tinkamo jungties tipo pasirinkimas ir tikslus jos išdėstymas gali žymiai pagerinti visos sistemos atitiktį EMC reikalavimams.

Santrauka

Elektroninio suderinamumo (EMC) spausdintinių plokščių projektavimas reikalauja visapusiško požiūrio, apimančio tiek medžiagų pasirinkimą, tiek projektavimo metodus. Miniatiūrizavimas, aukšti veikimo dažniai ir šiuolaikinių elektroninių prietaisų sudėtingumas daro atitiktį EMC reikalavimams vis sudėtingesne užduotimi. Geriausios praktikos, tokios kaip ekranavimas, tinkamas tarpinių jungčių išdėstymas ir signalo izoliacija, taikymas padeda sumažinti trukdžių riziką ir užtikrinti patikimą bei saugų įrenginio veikimą.