Regras de projeto de particionamento de PCB para melhoria de EMC

EMC, abreviação de Electro-Magnetic Compatibility, refere-se a um estado de coexistência em que os dispositivos eletrônicos são capazes de implementar suas próprias funções no mesmo ambiente eletromagnético. Simplificando, a EMC permite que os dispositivos eletrônicos funcionem de forma independente e normalmente sem interferência entre eles, ou seja, esses dispositivos eletrônicos podem ser compatíveis entre si em todo o sistema. Como a EMC é alcançada controlando a EMI (Electro-Magnetic Interference), ela se desenvolve com uma série de estudos sobre EMI, como introdução de EMI, pesquisa sobre EMI, soluções anti-EMI e gerenciamento de EMI.

Princípios fundamentais da EMC

Para reduzir a interferência entre sinais digitais e sinais analógicos, você precisa primeiro conhecer dois princípios fundamentais de EMC.
Princípio 1:A área de loop do circuito deve ser MINIMIZADA.
Princípio 2:Apenas um ÚNICO plano de referência pode ser aplicado em um sistema.


Uma vez que o Princípio 1 não seja seguido e os sinais tenham que passar por uma grande área de loop, uma grande antena de loop será gerada. No entanto, uma vez que o Princípio 2 não seja seguido e dois planos de referência estejam disponíveis, uma antena dipolo será criada. Nenhum dos resultados é o esperado.

Regras e aplicativos de particionamento de PCB de sinal misto

É aconselhável que o aterramento digital e o aterramento analógico na mesma placa de sinal de mixagem sejam separados para obter o isolamento entre eles. Apesar da viabilidade desta solução, muitos problemas latentes ocorrerão, que se destacam especialmente em sistemas de grande escala. O problema crucial está no fato de que o rastreamento não pode ser configurado na divisão entre o solo digital e o solo analógico. Com o rastreamento configurado na divisão, tanto a radiação eletromagnética quanto a diafonia do sinal aumentarão drasticamente. O problema mais comumente visto no projeto de PCB está na ocorrência de EMI devido a linhas de sinal cruzando terra ou energia divididas.


A Figura 1 abaixo retrata a situação apresentada acima.

Com base nesse método de divisão, as linhas de sinal devem atravessar a divisão entre o terra digital e o terra analógico. Então, como é o caminho de retorno do circuito de sinal? Suponha que dois aterramentos divididos estejam conectados juntos em um ponto e, nesta situação, um grande loop será gerado pelo circuito de aterramento. Depois disso, o circuito de alta frequência que flui através do grande loop levará à ocorrência de um grande loop com alta capacitância de terra e radiação gerada. Se o circuito analógico de baixo nível fluir pelo loop grande, ele sofrerá facilmente a interferência de sinais externos. A pior situação ocorrerá quando o aterramento dividido estiver conectado à energia, um loop de circuito extremamente grande será formado. Além disso, uma antena dipolo será formada quando o terra analógico e o terra digital forem conectados juntos por meio de um cabo longo. Como resultado, os engenheiros devem conhecer o caminho e o método do circuito de retorno na otimização do projeto de PCB de sinal misto. No entanto, muitos engenheiros observam o caminho de fluxo do circuito de sinal sem pensar no caminho específico dos circuitos. Se o plano de aterramento tiver que ser dividido e o rastreamento tiver que ser organizado através da divisão, a conexão de ponto único pode ser implementada primeiro entre dois aterramentos divididos com a ponte formada de modo que um caminho de retorno de corrente contínua seja fornecido sob cada linha de sinal com uma pequena área de loop formado, o que é indicado na Figura 2.

A aplicação de dispositivos de isolamento óptico ou transformadores também pode conduzir os sinais através da divisão. Quando se trata de dispositivos de isolamento óptico, são os sinais ópticos que atravessam a divisão. Quando se trata de transformadores, é o campo magnético que atravessa a divisão. Outro método aplicável está na aplicação de sinais diferenciais. O sinal flui para uma linha enquanto retorna de outra linha de sinal. Nesta condição, o solo não é necessário como caminho de retorno.


O particionamento dividido pode ser aplicado nas três circunstâncias a seguir:
Circunstância 1:Alguns equipamentos médicos requerem uma baixa corrente de fuga entre o circuito conectado com os pacientes e o sistema.
Circunstância 2:A entrada de alguns equipamentos de controle de processos industriais pode ser conectado com dispositivos eletromecânicos com alto nível de ruído e potência.
Circunstância 3:O layout do PCB sofre de certas limitações.


Potências digitais e analógicas independentes geralmente estão disponíveis em PCBs de sinal misto e planos de potência divididos podem e devem ser dependentes. No entanto, as linhas de sinal próximas aos planos de potência não conseguem atravessar a divisão entre as potências e todas as linhas de sinal que cruzam essa divisão têm que ser ambientes aos planos condutores com grande área. Em algumas situações, problemas de divisão em relação aos planos de energia podem ser evitados projetando a energia analógica para serem fios de conexão da placa de circuito impresso em vez de apenas um plano.

Método de layout do plano de aterramento e aplicações de PCB de sinal misto

Para discutir a interferência deixada por sinais digitais em sinais analógicos, os atributos da corrente de alta frequência devem ser entendidos primeiro. A corrente de alta frequência sempre depende do caminho com impedância mínima (indutância mais baixa) e está diretamente sob os sinais. Como resultado, o caminho de retorno fluirá pelo plano do circuito ambiente, independentemente de este plano ser o plano de potência ou o plano de aterramento. Na operação prática, o plano de aterramento tende a ser usado com placa de circuito dividida em seção analógica e seção digital. Os sinais analógicos são colocados nas seções analógicas de todos os planos, enquanto os sinais digitais estão na área do circuito digital. Nesta situação, a corrente de retorno do sinal digital não fluirá para o solo dos sinais analógicos. Enquanto o layout do sinal digital for executado acima da seção analógica ou o layout do sinal analógico for executado acima da seção digital em PCBs, será gerada interferência produzida por sinais digitais em sinais analógicos.


A ocorrência de tais problemas não decorre da ausência de split ground, mas do layout inadequado dos sinais digitais. Quando se trata de projeto de PCB, aplicação de plano de terra, particionamento por circuitos digitais e circuitos analógicos e layout de sinal razoável geralmente ajudam a resolver problemas difíceis relacionados ao layout e particionamento. Além disso, alguns problemas potenciais causados ​​por terra dividida podem ser evitados. Como resultado, o layout e o particionamento dos componentes tornam-se elementos-chave que determinam a qualidade do design da PCB. Se o layout e o particionamento forem adequados o suficiente, a corrente no terra digital será limitada na seção digital em uma placa de circuito com sinais analógicos impedidos de sofrer interferência. O layout para tal situação deve ser cuidadosamente inspecionado e verificado para garantir que as regras de layout sejam totalmente conformes. Caso contrário, mesmo um layout de linha de sinal inadequado possivelmente levará à quebra de uma placa de circuito inteira.


Quando os pinos de aterramento analógico e digital do conversor A/D são conectados juntos, a maioria dos fabricantes de conversores A/D sugere conectar os pinos ADND e DGND com o mesmo aterramento com baixa impedância através de cabos mínimos. Isso porque esses pinos não estão conectados dentro da maioria dos conversores A/D IC e qualquer impedância externa conectada com DGND levará mais ruído digital acoplado ao circuito analógico dentro do IC através de capacitância parasita. Assim, os pinos AGND e DGND do conversor A/D devem ser conectados ao terra analógico. No entanto, surgirá um problema se o terra analógico ou o terra digital devem ser conectados ao terminal de aterramento do capacitor de desacoplamento de sinais digitais.


Quando se trata do sistema com um único conversor A/D, o problema apresentado acima pode ser facilmente resolvido. Com o aterramento separado, a seção de aterramento analógica e a seção de aterramento digital são conectadas sob o conversor A/D. Quando este método está sendo usado, a ponte entre dois aterramentos deve ser tão larga quanto a do IC e qualquer linha de sinal não deve atravessar a divisão.


Quando se trata de um sistema com alguns conversores A/D, 10 por exemplo, como devemos nos conectar? Se seguirmos a mesma solução apresentada acima, ou seja, conectar o terra analógico e o terra digital sob o conversor A/D, a conexão de múltiplos pontos será causada de modo que o isolamento entre o terra analógico e o terra digital se tornará sem sentido. Se a conexão não for realizada assim, a exigência do fabricante não será atendida. A solução ótima está na aplicação de um aterramento uniforme que é dividido em seção analógica e seção digital. Esse tipo de layout não apenas atende aos requisitos de aterramento analógico e digital dos fabricantes de IC que exigem baixa impedância entre eles, mas evita problemas contra EMC, como antena de quadro ou antena dipolo.


Se os engenheiros tiverem dúvidas sobre a aplicação uniforme do solo no projeto de PCB, o layout pode ser implementado com base no método de divisão do plano do solo. No processo de projeto, a placa deve ser acessível ao fio de salto com resistor de menos de 0,5 polegadas ou 0 ohm para conectar o terra dividido. Muita atenção deve ser dada ao particionamento e layout para garantir que nenhuma linha de sinal digital seja colocada acima da seção analógica e vice-versa. Além disso, qualquer linha de sinal não deve atravessar potências de separação de terra ou de isolamento de divisão. Para testar as funções da PCB e sua EMC, dois aterramentos devem ser conectados através de resistor de 0ohm ou fio de salto e, em seguida, testar novamente as funções da placa e sua EMC. A comparação de resultados indica que, em todos os casos, a solução de aterramento uniforme é melhor do que a solução de aterramento dividido em termos de funções e EMC.

O projeto de PCB de sinal misto é um processo complicado. Um PCB deve ser dividido em seção analógica independente e seção digital e o conversor A/D deve ser colocado entre as seções. Para separar potências analógicas e digitais, a divisão entre planos de potência isolados não deve ser cruzada e as linhas de sinal que precisam ser cruzadas devem ser dispostas na camada do circuito que é ambiente para área grande. Onde a corrente do caminho de retorno flui e como ela flui deve ser analisado para que o layout de componente adequado e as regras de layout corretas sejam cumpridas. Em todas as camadas de uma placa de circuito, os sinais digitais só podem ser dispostos em seções digitais, enquanto os sinais analógicos só podem ser dispostos em seções analógicas.

Método de layout do plano de aterramento e aplicações de PCB de sinal misto

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