Otimizando Layout de PCI para Desempenho EMC Superior em Eletrônica

Terra em PCI

Influência de Interferência de Modo Comum no Sinal Interno da PCI

Linhas impressas internas de Placa de Circuito Impresso (PCI) apresentam parâmetros parasitas relativos ao plano de terra de referência e quando sinais de função estão sendo transmitidos dentro da PCI, o mesmo nodo equipotencial na mesma rede no circuito não é mais equipotencial. A corrente i dentro da PCI começa na extremidade da fonte, passa por uma série de portadores e retorna à fonte do sinal, formando um sinal. Além disso, i tende a fluir ao longo do caminho com baixa impedância, de modo que i geralmente permanece inalterado com a estabilidade da impedância.

A Figura 1 indica o processo quando interferência de modo comum é transformada em interferência de modo diferencial dentro da PCI. i_d refere-se à corrente de modo diferencial fluindo dentro da PCI, enquanto i_com refere-se à corrente de modo comum que ou começa fora da PCI e flui para dentro da PCI através do plano de terra de referência ou começa do interior da PCI e retorna ao interior da PCI através do plano de terra de referência. i_com de alta frequência tem dois caminhos: o primeiro é do ponto A ao ponto B dentro da PCI partindo do GND; o segundo é do ponto A ao ponto B partindo da porta S₁ para o interior da PCI por capacitância C. A impedância de terra Z_AB leva à geração de Δu_AB, então quando sinal normal é passado para IC₂, deformação ocorrerá no sinal e interferência de modo comum é transformada em interferência de modo diferencial, que produz influência no sinal normal baseado na fórmula u₂=u₁-Δu_AB.

Portanto, assim que i_com entra no interior da PCI através de porta I/O ou radiação espacial, capacitância de filtro de modo diferencial em linhas de sinal da PCI só pode pressionar interferência de bypass para GND. O pré-requisito deste resultado é que GND seja considerado como baixa impedância para retorno de sinal e a corrente sempre flui na direção de baixa impedância.

Chave da Implementação de Projeto EMC: Impedância de Terra em PCI

A razão para a geração de EMC por sinais de alta frequência reside no fato de que o nível de referência do sinal GND falha em manter sua característica de baixa impedância. Com o aumento da impedância Z_GND do nível de referência, a qualidade de transmissão de sinal diminui também. Para resolver o problema de interferência de alta frequência, métodos comuns são usados no projeto EMC, como filtro, terra e blindagem, que estão intimamente conectados à "terra".

Filtro pode ser considerado como capacitor para terra, com duas estruturas, uma das quais é fazer capacitor X conectado ao terra de referência do sinal e a outra é fazer sinal conectado a invólucro metálico por capacitor Y ou diferente conexão de terra dentro da PCI. Blindagem pode ser considerada como resultado da expansão da terra da PCI para o espaço. O propósito de filtro ou blindagem é fazer interferência de modo comum de alta frequência passar pelo bypass com baixa impedância para evitar fluir para sinal de operação normal. Similarmente, todos esses métodos não funcionarão a menos que a terra tenha baixa impedância.

A Figura 2 indica o efeito da impedância de terra no filtro de circuito. i_com flui de acordo com a sequência IC₁→IC₂→IC₁ e quando flui para o ponto P, i_com fluirá para circuitos ramificados de IC₁ e C₁ através dos quais flui do ponto A para B. Se a impedância entre ponto A e B, ou seja, Z_AB, for muito menor que a impedância entre ponto P e IC₁. Neste momento, i_com flui do ponto P para A, filtro de IC₁ pode ser realizado. Quando i_com flui para o ponto B, circuitos ramificados ocorrerão que são B→C e B→Q. Se o layout da PCI não for bem controlado, a impedância entre ponto B e C, ou seja, Z_BC, Z_BC ≫ Z_C2+Z_Q. Z_Q refere-se à impedância entre ponto Q e IC₂. i_com flui para trás para porta de entrada de IC₂ através de C₂ quando capacitância que era originalmente usada exclusivamente para IC₂ desempenha papel em interferência de invasão de sinal.

Para fazer nível de referência com baixa impedância, geralmente é projetado para ser uma superfície. Em termos gerais, condutor cuja razão comprimento-largura é menor que 5 pode ser considerado como baixa impedância no campo de engenharia. A impedância de linhas impressas não é determinada por seu grau de comprimento ou espessura. Nos princípios tradicionais de projeto de PCI, aterramento de ponto único de circuito analógico é massivamente recomendado, então princípio de layout de PCI de circuito digital múltiplos pontos de aterramento e aterramento de mistura de módulo de circuito digital não são mais viáveis para lidar com problemas de EMC.

Como todos os retornos de todos os sinais devem ser garantidos para apresentar uma terra integrada com baixa impedância, placas de 4 camadas ou multicamadas com plano de terra integrado são capazes de atender ao requisito, enquanto placas de camada única de baixo custo não são. Quando uma placa de dupla camada tem que ser usada baseada na limitação de custo, um plano de terra relativamente integrado deve ser projetado para sinais dentro da PCI. Na aplicação prática, a impedância de terra da PCI é influenciada tanto por sua forma quanto por furos passantes de fio de sinal, rachaduras e ranhuras. Figuras 3a e 3b respectivamente exibem projeto ruim e excelente de plano de terra de baixa impedância.

Nesta figura, todos os componentes estão no lado frontal da PCI enquanto o plano de terra está no verso. Chips são conectados através de linhas impressas ab no lado frontal e cd são linhas impressas no lado verso. Sob a pressão de interferência de modo comum de alta frequência pelo exterior, a ranhura formada por cd levará ao aumento de Z_GND das linhas impressas de retorno. Z_GND flutua no processo de transmissão de sinal, levando a baixa qualidade de sinal. Portanto, camadas de linhas impressas entre cd podem ser trocadas repetidamente através de furos no processo de projeto de layout de PCI para que Z_GND seja diminuído. Além disso, dois IC_S com sinais sensíveis podem ser arranjados juntos de forma a tornar o GND um plano de terra relativamente integrado localmente para garantir que sinal não será interferido no processo de transmissão de sinal. Atenção que furos passantes não podem ser arranjados com muita densidade, caso contrário rachadura no plano de terra será causada também, levando à escalada de Z_GND.

Projeto de Empilhamento (Stacking) de PCIs

Projeto EMC é melhor para PCIs de 4 camadas. Da perspectiva de EMS, tanto invólucro metálico quanto blindagem de invólucro metálico de circuitos sensíveis localmente é capaz de resolver problemas de interferência. Da perspectiva de EMI, às vezes placas de 4 camadas falham em atender ao requisito de limitação de emissão de radiação e número de camadas deve ser aumentado, já que placas multicamadas podem fazer sinais com alto d_u/d_t e d_i/d_t garantir menor área de loop de sinal no processo de transmissão, fornecendo retorno com baixa impedância para sinais de alta velocidade.

O princípio básico de projeto de empilhamento de PCI é arranjar camada de sinal de alta velocidade e plano de potência adjacentes ao plano de terra. A Figura 4 mostra o projeto de empilhamento de placas de 4 e 6 camadas. S₁ na Figura 4a refere-se a camada de sinal de alta velocidade, enquanto Figuras 4b, 4c e 4d são três projetos ordinários de PCI de 6 camadas.

Entre os 3 projetos de PCI de 6 camadas, projeto b é o pior e camada S₂ deve ser camada de sinal de alta velocidade. Camada S₂ no projeto c e d é camada de sinal de alta velocidade. Projeto c é o melhor porque cada camada de sinal é estreitamente adjacente ao plano de terra para garantir o caminho de retorno de sinal mais curto e camadas S₂ e P são blindadas por GND₁ e GND₂. Comparado com projeto c, S₃ no projeto d está longe da camada GND e P só pode alcançar efeito de lado único em vez de efeito de lado duplo causado pelo projeto c.

Antena Equivalente em PCIs

A função fundamental de antena é radiar e receber onda de rádio sem fio. No processo de radiação, corrente de alta frequência pode ser transformada em onda eletromagnética; no processo de recepção, onda eletromagnética é transformada em corrente de alta frequência. A radiação no campo EMC refere-se principalmente a radiação de campo distante. A formação de antena depende de duas condições básicas: fonte de sinal RF e certo comprimento de condutores conectados à fonte de sinal RF. No campo de engenharia, acredita-se que efeito de antena surgirá quando o comprimento do condutor estiver de acordo com a fórmula l=λ/20. Quando l=(λ/4)n, efeito de antena é o maior com n como número natural.

Quando sinal está sendo transmitido dentro da PCI, loop interno tem o mesmo efeito com antena de loop. Quanto maior a área do loop, maior o efeito de antena será. Controle estrito de loop de PCI pode efetivamente parar interferência de modo diferencial, o que é viável na prática. No entanto, aumentar comprimento de linhas impressas causará efeito óbvio de antena tipo haste, então comprimento de sinais de interconexão deve ser reduzido o máximo possível no processo de layout de PCI.

Quando Z_GND relativamente alto ocorre no caminho de retorno de sinais de alto du/dt transmitidos dentro da PCI, fonte de driver de modo comum u_com ocorrerá com i_com fluindo através de Z_GND, junto com linhas impressas conectadas ou I/O estáveis, que podem radiar para fora.

Se PCIs são relativamente pequenas em tamanho, linhas impressas internas não podem atingir requisito de radiação de antena por causa de limitação de comprimento. Sob esta condição, cabo I/O pode ser considerado como expansão de linhas impressas, requisito de radiação pode ser atendido. Mesmo se não existe conexão direta a I/O estável, crosstalk de acoplamento deve ser parado entre cabos I/O.

Crosstalk Dentro da PCI e Seus Remédios

Acoplamento entre linhas impressas de PCI e terra de referência

Como EMC discute principalmente sinais de modo comum de alta frequência, parâmetros distribuídos não podem ser evitados dentro e fora da PCI. Acoplamento capacitivo ocorre entre PCI e terra de referência cuja capacitância distribuída é composta por capacitância de placa e capacitância natural dentro do menor espaço. Capacitância de placa é diretamente proporcional ao tamanho da PCI e indiretamente proporcional à distância entre PCI e terra. Capacitância natural dentro do menor espaço é diretamente proporcional ao diâmetro equivalente de linhas impressas dentro da PCI. Portanto, não importa onde a PCI é colocada, mesmo longe da terra no infinito, capacitância distribuída sempre existe entre linhas impressas internas e terra. Em uma PCI, a capacitância distribuída de um plano GND relativamente integrado para placa de terra de referência é aproximadamente 10pF e a capacitância distribuída de linhas impressas internas para placa de terra de referência é aproximadamente na faixa de 0,001pF a 0,1pF ou menor. A capacitância distribuída de linhas impressas no centro da PCI é muito menor que a de linhas impressas na borda da PCI.

Acoplamento dentro da PCI

a. Teoria de acoplamento dentro da PCI e sua influência no sinal

Acoplamento dentro da PCI consiste de acoplamento capacitivo e indutivo cuja teoria é exibida na Figura 5.

Nesta figura, tanto AB quanto CD são linhas impressas paralelas com pequeno espaço entre duas linhas. Z₀ refere-se ao portador de linha de sinal 1, enquanto Z₁ e Z₂ referem-se respectivamente a portadores de linha de sinal 2. Na Figura 5a, quando a tensão de pico do sinal na linha impressa AB é u, tempo de subida do sinal é Δt, e frequência angular é ω, a tensão de Z₂ será u_v=[Z₁Z₂/(Z₁+Z₂)]cΔu/Δt. Embora c tenha valor muito baixo, o valor de Δu/dt pode ser muito alto e seu produto não pode ser evitado. Na Figura 5b, quando a corrente de pico do sinal em AB é I_c, tempo de subida do sinal é Δt, e frequência angular é ω, a indutância mútua m entre 2 linhas impressas passará através de CD na qual tensão induzida é u_v=mωi_c. Embora o valor de m seja tão pequeno, frequência do sinal pode ser aumentada. Portanto, seu produto não pode ser evitado.

Como resultado, tanto acoplamento capacitivo quanto indutivo estão relacionados com parâmetro distribuído c ou m de duas linhas impressas. Durante layout de PCI, valores de c e m podem ser reduzidos aumentando distância entre linhas paralelas. Em circuito prático, acoplamento capacitivo responde pela maior parte de circuito digital e quando plano de PCI não é liso ou ranhura ou rachadura existe, crosstalk indutivo terá mais influência que crosstalk capacitivo. No entanto, quando a área da PCI é limitada, crosstalk não pode ser lidado apenas aumentando a distância entre linhas paralelas. Para manter os menores parâmetros distribuídos entre duas linhas paralelas adjacentes, projeto de plano integrado deve ser arranjado na área projetiva e é melhor ter camadas de terra no topo e fundo.

b. Influência de fio de terra de blindagem para reduzir crosstalk

O grau de crosstalk é determinado por muitos elementos como frequência do sinal, tempo de borda de subida do sinal, distância entre linhas de sinal, porta de driver e características elétricas de porta de recepção e número de camadas de PCI. Crosstalk pode ser diminuído configurando plano de terra integrado sob linhas impressas e fio de terra de blindagem pode ser adicionado entre sinais.

No processo de layout de PCI, dois aspectos podem ser benéficos para parar crosstalk. Primeiro, circuito interno sensível e circuito externo devem ser parados. Segundo, crosstalk entre circuito interno ou circuito de ruído e outros sinais deve ser parado. No layout prático de PCI, teste detalhado deve ser realizado na mesma camada ou entre camadas diferentes na PCI para detectar se risco de crosstalk existe ou não.

Durante o procedimento de layout de PCI, algumas linhas de sinal com o mesmo atributo devem seguir o roteamento do mesmo tempo e mesma direção com densidade. Se a limitação de espaço da PCI leva ao fato de que componentes de filtro não podem ser colocados na mesma linha, crosstalk entre sinais tende a ser despertado. Esta situação é indicada na Figura 6 abaixo.

c. Influência de fio de terra de blindagem para efeito de borda

Quando linhas de sinal altamente sensíveis ou linhas de sinal com alto du/dt, di/dt são arranjadas ao longo da borda da PCI, elas sofrerão mais risco EMC que aquelas arranjadas no centro da PCI. É mais fácil para linhas de sinal de borda fazerem recepção de interferência de alta frequência ou radiação externa por maior capacitância parasítica.

Sob a limitação da área da PCI, é extremamente difícil layout de PCI de acordo com princípios 20H no arquivo de projeto. "Pacote" pode ser usado para reduzir interferência e radiação externa. Linhas de pacote não precisam atender requisitos específicos como espessura e forma. Geralmente quando uma linha de sinal está muito próxima da borda da PCI para revestir cobre, uma linha de terra na faixa de 7 a 10 mils pode ser adicionada como blindagem.

d. Interferência mútua entre circuitos digitais e analógicos

Quando uma PCI contém circuito digital de alta velocidade e sinais analógicos de baixo nível, crosstalk é geralmente gerado para sinais analógicos por ruído digital sob mau layout de PCI. A interferência mútua entre circuitos digitais e analógicos é causada pelas seguintes razões. Primeiro, ruído de crosstalk é causado por capacitância parasítica e indutância parasítica. Segundo, o mau desacoplamento de ripple de potência e potência de chip digital levará a ruído de potência. Terceiro, impedância de terra e local de terra do sistema causam ruído. O problema de ruído deve ser lidado na ordem de potência, sinal e terra.

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