Dari Pengembalian Sinyal ke Kapasitor Filter: Aturan Emas Desain Anti-Interferensi PCB! Arus Mode Diferensial dan Arus Mode Umum

Dari Pengembalian Sinyal ke Kapasitor Filter: Aturan Emas Desain Anti-Interferensi PCB! Arus Mode Diferensial dan Arus Mode Umum

Pembangkitan radiasi: Arus menyebabkan radiasi, bukan tegangan. Muatan statis menghasilkan medan elektrostatik; arus konstan menghasilkan medan magnet; arus yang berubah terhadap waktu menghasilkan medan listrik dan magnet. Dalam setiap rangkaian, terdapat arus mode umum dan arus mode diferensial. Sinyal mode diferensial membawa data atau sinyal yang berguna; sinyal mode umum merupakan efek negatif dari operasi mode diferensial.

Arus mode diferensial: Besarnya sama, arah (fase) berlawanan. Akibat kapasitansi dan induktansi terdistribusi pada jejak, diskontinuitas impedansi sinyal-jejak, dan jalur balik sinyal yang tak terduga, arus mode diferensial dapat dikonversi menjadi arus mode umum.

Arus mode umum: Besarnya mungkin tidak sama; arah (fase) sama.

Sebagian besar interferensi eksternal dari suatu perangkat umumnya bersifat mode umum. Interferensi mode diferensial juga ada, tetapi interferensi mode umum seringkali beberapa kali lipat lebih kuat. Interferensi eksternal juga sebagian besar bersifat mode umum. Interferensi mode umum sendiri umumnya tidak merusak peralatan, tetapi jika interferensi mode umum berubah menjadi interferensi mode diferensial, hal ini menjadi serius, karena sinyal yang berguna semuanya merupakan sinyal mode diferensial.

Medan magnet arus mode diferensial terutama terkonsentrasi di dalam area loop yang dibentuk oleh arus mode diferensial, dan di luar area loop, garis-garis fluks magnet saling meniadakan. Medan magnet arus mode umum muncul di luar area loop, dan arah medan magnet yang dihasilkan oleh arus mode umum adalah sama. Banyak desain PCB EMC mengikuti prinsip-prinsip ini.

Cara untuk menekan interferensi pada PCB meliputi:

• Mengurangi area loop sinyal mode diferensial

• Mengurangi pengembalian kebisingan frekuensi tinggi (penyaringan, isolasi, dan pencocokan)

• Mengurangi tegangan mode umum (desain ground)

Ringkasan Prinsip Desain PCB

Prinsip 1: Ketika frekuensi jam PCB melebihi 5 MHz atau waktu kenaikan sinyal kurang dari 5 ns, desain papan multilayer biasanya diperlukan.

Alasan: Desain multilayer memberikan kontrol yang baik pada area loop sinyal.

Prinsip 2: Untuk papan multilayer, lapisan perutean utama (jalur jam, bus, sinyal antarmuka, jalur RF, jalur reset, jalur pemilihan chip, dan sinyal kontrol lainnya) harus berdekatan dengan bidang tanah padat, sebaiknya di antara dua bidang tanah.

Alasan: Saluran sinyal utama merupakan sumber radiasi yang kuat atau sangat sensitif; pemasangan kabel dekat bidang tanah akan mengurangi area loop, sehingga mengurangi radiasi atau meningkatkan kekebalan.

Prinsip 3: Untuk papan lapisan tunggal, jejak sinyal utama harus memiliki pelindung tanah di kedua sisi.

Alasan: Ground pada kedua sisi mengurangi area loop dan mencegah crosstalk antara jalur sinyal.

Prinsip 4: Untuk papan lapis ganda, pastikan pengisian tanah di area yang luas pada bidang proyeksi jejak sinyal utama, atau gunakan pelindung tanah dan via yang serupa dengan papan lapis tunggal.

Alasan: Efek yang sama seperti sinyal utama yang dekat dengan bidang tanah pada papan multilayer.

Prinsip 5: Pada papan multilayer, bidang daya harus menyusut ke dalam sebesar 5H–20H relatif terhadap bidang tanah yang berdekatan (H adalah jarak antara bidang daya dan bidang tanah).

Alasannya: Mengecilkan bidang daya mengurangi masalah radiasi tepi.

Prinsip 6: Proyeksi lapisan perutean harus tetap berada dalam wilayah bidang jalur kembalinya.

Alasan: Jika lapisan perutean meluas ke luar proyeksi bidang kembali, radiasi tepi meningkat dan area putaran sinyal membesar, sehingga meningkatkan radiasi mode diferensial.

Prinsip 7: Pada papan multilayer, hindari sinyal >50 MHz pada lapisan ATAS atau BAWAH.

Alasan: Sinyal frekuensi tinggi sebaiknya berjalan di antara dua lapisan bidang untuk menekan radiasi.

Prinsip 8: Untuk papan yang beroperasi di atas 50 MHz, jika lapisan kedua dan kedua terakhir adalah lapisan perutean, lapisan ATAS dan BAWAH harus ditutup dengan tembaga arde.

Alasan: Sinyal frekuensi tinggi harus disalurkan antara dua lapisan bidang untuk menekan radiasi ruang angkasa.

Prinsip 9: Bidang daya kerja utama papan harus berdekatan dengan bidang tanahnya.

Alasan: Bidang daya dan bidang tanah yang berdekatan akan mengurangi area loop daya.

Prinsip 10–11: Pada papan lapisan tunggal atau ganda, jejak daya harus memiliki jejak ground yang berdekatan dan paralel.

Alasan: Mengurangi area loop arus daya.

Prinsip 12: Hindari lapisan perutean yang berdekatan dalam penumpukan. Jika tidak dapat dihindari, tingkatkan jarak antar lapisan perutean dan kurangi jarak antara lapisan perutean dan bidang baliknya.

Alasan: Jejak paralel pada lapisan perutean yang berdekatan menyebabkan crosstalk.

Prinsip 13: Hindari tumpang tindih area proyeksi pada bidang yang berdekatan.

Alasan: Tumpang tindih meningkatkan kopling kapasitif antar bidang, yang menyebabkan perpindahan derau.

Prinsip 14: Tata letak PCB harus mengikuti penempatan linear sepanjang arah aliran sinyal.

Alasan: Mencegah penggabungan langsung dan meningkatkan integritas sinyal.

Prinsip 15: Ketika beberapa modul sirkuit berada pada PCB yang sama, sirkuit digital, analog, kecepatan tinggi, dan kecepatan rendah harus dipisahkan.

Alasan: Mencegah interferensi timbal balik antara jenis sirkuit.

Prinsip 16: Ketika sirkuit berkecepatan tinggi, sedang, dan rendah hidup berdampingan, sirkuit berkecepatan tinggi dan sedang harus menjauhi antarmuka.

Alasan: Mencegah derau frekuensi tinggi terpancar keluar melalui antarmuka.

Prinsip 17: Untuk sirkuit/perangkat dengan perubahan arus besar (modul daya I/O, kipas, relai), letakkan kapasitor massal dan kapasitor filter frekuensi tinggi di dekatnya.

Alasan: Kapasitor massal mengurangi area loop arus besar.

Prinsip 18: Rangkaian filter masukan daya harus ditempatkan di dekat konektor.

Alasan: Mencegah saluran yang difilter disambungkan kembali.

Prinsip 19: Komponen filter, proteksi, dan isolasi untuk rangkaian antarmuka harus ditempatkan di dekat antarmuka.

Alasan: Memastikan perlindungan, penyaringan, dan isolasi yang efektif.

Prinsip 20: Jika penyaringan dan perlindungan ada pada suatu antarmuka, perlindungan harus didahulukan.

Alasan: Perlindungan menangani tegangan/arus berlebih; ​​jika tidak, komponen filter dapat rusak.

Prinsip 21: Hindari penggabungan antara jalur masukan dan keluaran filter, isolasi, dan sirkuit proteksi.

Alasan: Penggabungan melemahkan efektivitasnya.

Prinsip 22: Jika “ground bersih” digunakan pada antarmuka, komponen penyaringan dan isolasi harus ditempatkan di pita isolasi antara ground bersih dan ground kerja.

Alasan: Mencegah penggabungan bidang yang melemahkan penyaringan/isolasi.

Prinsip 23: Hanya komponen penyaringan dan perlindungan yang boleh ditempatkan di “tanah bersih”.

Alasan: Ground yang bersih sensitif terhadap gangguan; sirkuit yang tidak terkait tidak boleh ditempatkan di sana.

Prinsip 24: Perangkat radiasi kuat (osilator kristal, relai, catu daya switching) harus berjarak setidaknya 1000 mil dari tepi papan dan konektor.

Alasan: Mencegah radiasi langsung atau radiasi melalui kabel.

Prinsip 25: Sirkuit sensitif (sirkuit reset, pengawas) harus berjarak setidaknya 1000 mil dari tepi papan—terutama tepi konektor.

Alasan: Konektor rentan terhadap gangguan eksternal seperti ESD.

Prinsip 26: Kapasitor filter untuk IC harus ditempatkan sedekat mungkin dengan pin daya IC.

Alasannya: Semakin dekat kapasitor, semakin kecil area loop frekuensi tinggi, sehingga mengurangi radiasi.

Prinsip 27: Resistor terminasi seri ujung sumber harus ditempatkan di dekat ujung keluaran sinyal.

Alasan: Pencocokan seri memerlukan resistor + impedansi keluaran driver = impedansi karakteristik jejak.

Prinsip 28: Jejak PCB tidak boleh memiliki sudut siku-siku atau sudut tajam.

Alasan: Jejak sudut siku-siku menyebabkan ketidaksinambungan impedansi, dering, kelebihan tegangan, EMI yang kuat.

Prinsip 29: Jika lapisan rute yang berdekatan tidak dapat dihindari, jejak harus tegak lurus, atau panjang paralel <1000 mil.

Alasan: Mengurangi crosstalk.

Prinsip 30: Untuk lapisan jejak internal, rutekan jam dan sinyal penting lainnya pada lapisan dalam.

Alasan: Lapisan dalam memberikan perlindungan.

Prinsip 31: Jejak jam harus dilindungi oleh ground di kedua sisi, dengan ground vias setiap 3000 mil.

Alasan: Memastikan potensi yang sama di sepanjang jejak penjaga.

Prinsip 32: Sinyal utama (jam, bus, RF) harus mengikuti aturan 3W untuk jarak lapisan yang sama.

Alasan: Mengurangi crosstalk.

Prinsip 33: Untuk komponen dalam jalur daya ≥1A (sekring, manik-manik, induktor, kapasitor tantalum), bantalan harus memiliki setidaknya dua via ke bidang.

Alasan: Mengurangi melalui impedansi.

Prinsip 34: Pasangan diferensial harus dirutekan pada lapisan yang sama, paralel, panjang yang sama, dengan impedansi yang konsisten, dan tidak ada jejak lain di antaranya.

Alasan: Memastikan impedansi mode umum yang sama dan meningkatkan kekebalan.

Prinsip 35: Sinyal kunci tidak boleh melewati bidang terpisah (termasuk celah dari vias atau bantalan).

Alasan: Persimpangan yang bersilangan akan meningkatkan luas area lingkaran.

Prinsip 36: Jika perpotongan bidang terbagi tidak dapat dihindari, tambahkan kapasitor jembatan (1 nF) di dekat perpotongan tersebut.

Alasan: Menyediakan jalur pengembalian yang disengaja.

Prinsip 37: Tidak ada jejak yang tidak terkait yang boleh diarahkan di bawah filter.

Alasan: Kapasitansi liar melemahkan kinerja filter.

Prinsip 38: Jejak masukan dan keluaran filter tidak boleh berjalan paralel atau bersilangan.

Alasan: Mencegah terjadinya gangguan langsung antara saluran pra- dan pasca-filter.

Prinsip 39: Garis sinyal utama harus berjarak setidaknya 3H dari tepi bidang referensi.

Alasan: Menekan radiasi tepi.

Prinsip 40: Untuk komponen logam yang digiling pada sasis, tutupi area proyeksi pada lapisan atas dengan tembaga yang digiling.

Alasan: Kapasitansi terdistribusi antara penutup dan tembaga mengurangi radiasi dan meningkatkan kekebalan.

Prinsip 41: Pada papan lapisan tunggal atau ganda, minimalkan area loop selama perutean.

Alasan: Area lingkaran yang lebih kecil = radiasi yang lebih sedikit dan kekebalan yang lebih kuat.

Prinsip 42: Saat sinyal utama berganti lapisan, letakkan via ground di dekat via transisi.

Alasan: Mengurangi area loop.

Prinsip 43: Jejak radiasi yang kuat (jam, bus, RF) harus dijauhkan dari jalur sinyal antarmuka eksternal.

Alasan: Mencegah penggabungan ke kabel keluaran.

Prinsip 44: Sinyal sensitif (reset, pemilihan chip, sinyal kontrol) harus dijauhkan dari sinyal antarmuka eksternal.

Alasan: Saluran eksternal mungkin membawa gangguan yang dapat mengakibatkan kegagalan fungsi sistem.

Prinsip 45: Untuk papan lapisan tunggal dan ganda, kapasitor filter harus dirutekan sehingga pasokan melewati kapasitor sebelum mencapai IC.

Alasan: Memastikan pasokan disaring sebelum mencapai IC dan menyaring kebisingan yang dihasilkan IC.

Prinsip 46: Untuk jalur daya yang panjang, tempatkan kapasitor decoupling setiap 3000 mil (10 µF + 1000 pF).

Alasan: Menyaring kebisingan frekuensi tinggi pada saluran listrik.

Prinsip 47: Jejak filter-kapasitor ke daya dan ground harus setebal dan sependek mungkin.

Alasan: ESL yang lebih rendah meningkatkan frekuensi resonansi kapasitor, meningkatkan penyaringan frekuensi tinggi.