Die Grundregeln für die EMV von Mixed-Signal-Leiterplatten lauten.
- Den Strompfad näher an der Quelle und so kompakt wie möglich gestalten, damit die Schleifenfläche so klein wie möglich ist.
- Bereitstellen von nur einer Bezugsmasseebene für ein System; Andernfalls ist es gleichbedeutend mit dem absichtlichen Erstellen einer Dipolantenne.
Stellen Sie sich eine Leiterplatte für einen Hochfrequenzwandler vor, bei der Eingangsspannung und -strom analoge Signale sind. Die Schalter im Wandler beginnen mit dem Anlegen eines digitalen Taktsignals zu schalten. Die Stromversorgungsschaltung im Konverter ist analog und die Steuerschaltung ist digital.
Die Konverter-Leiterplatte ist eine Mixed-Signal-Leiterplatte, da sie sowohl analoge als auch digitale Signale verarbeitet. In einer Mixed-Signal-Leiterplatte müssen die analogen und digitalen Signale in einem als "Partitionierung" bekannten Prozess physikalisch getrennt werden.
Das Entwerfen einer Mixed-Signal-Leiterplatte ist eine Herausforderung, da analoge und digitale Komponenten unterschiedliche Ströme, Spannungen und Nennleistungen haben. Das Befolgen einiger grundlegender Designregeln hilft jedoch dabei, die Partitionierung und das Layout von Mixed-Signal-Leiterplatten zu vereinfachen.
Designer müssen Mixed-Signal-PCBs partitionieren und Layouts sorgfältig entwerfen
Das Erreichen elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) ist ein Thema, das den Designern von Mixed-Signal-Leiterplatten große Bedeutung beimisst. Wenn analoge und digitale Signale ohne Isolierung nebeneinander auf einer Leiterplatte vorhanden sind, werden sie wahrscheinlich miteinander vermischt, was zu Übersprechen und elektromagnetischen Interferenzen führt. Zum Beispiel können Masseströme in der digitalen Logik analoge Signale mit niedrigem Pegel auf einer Mixed-Signal-Leiterplatte verunreinigen. Dies kann zu Rückkopplungsschleifenfehlern, Steuersystemausfällen und Oberschwingungen in der Ausgangswellenform führen. In diesen Fällen wird die elektromagnetische Verträglichkeit der Mixed-Signal-Leiterplatte beeinträchtigt, was zu einer schlechten Produktleistung führt. Die richtige Partitionierung und das richtige Layout tragen dazu bei, digitale und analoge Signale isoliert zu halten und zu verhindern, dass sie sich gegenseitig stören, wodurch das Übersprechen erheblich reduziert wird.
Beim Partitionieren und Layouten von Mixed-Signal-Leiterplatten müssen zwei Regeln beachtet werden.
1. Halten Sie den Strompfad näher an der Quelle und so kompakt wie möglich, damit die Schleifenfläche so klein wie möglich ist.
2. Stellen Sie nur eine Bezugsmasseebene für ein System bereit; Andernfalls ist es gleichbedeutend mit dem absichtlichen Erstellen einer Dipolantenne.
Diese beiden Regeln gelten als die Grundprinzipien der Mixed-Signal-PCB-Partitionierung und des Layout-Designs. Lassen Sie uns hier mehr über diese beiden goldenen Regeln erfahren.
Regel 1. Halten Sie den aktuellen Pfad lokalisiert und kompakt
Jedes Signal, das auf der Leiterplatte fließt, kehrt durch die Masseebene zur Quelle zurück. Die Signalleitungen und Rückleitungen bilden auf der Leiterplatte eine Stromschleife. Nach der ersten oben genannten Regel sollten die Rückleitungen so verlegt werden, dass sie an der Signalquelle anliegen und eine minimale Schleifenfläche entsteht.
F: Warum wird diese Einrichtung empfohlen und warum werden dadurch elektromagnetische Störungen reduziert?
Alle Rückströme fließen vorzugsweise über niederohmige Wege. Wenn die Rückleitung direkt unter der Signalleitung liegt, hat die Stromschleife die niedrigste Impedanz. Wenn die Signalleitung und ihre Rückleitung eine große Schleife bilden, wird ein Pfad mit hoher Impedanz gebildet. Dies wird durch die parasitäre Kapazität und Induktivität in der Stromschleife verursacht.
Wenn die Signal- und Rückleitungen weit voneinander entfernt sind, hat die parasitäre Kapazität einen hohen Wert, wodurch die Impedanz der Schleife erhöht wird. Es besteht auch eine Beziehung zwischen der Schleifeninduktivität und der Entfernung, die die Ladung zurücklegt, was die Impedanz des Pfads weiter erhöht. Wenn die Schleife groß ist, muss die Ladung, die von der Quelle ausgeht, eine lange Strecke zurücklegen, um den Boden zu erreichen. Dies erhöht die Induktivität der Stromschleife, was wiederum die Impedanz erhöht.
Wenn hochfrequente analoge Signale mit hoher Impedanz durch große Stromschleifen fließen, senden sie Strahlung aus und verursachen Störungen. Ebenso sind analoge Signale mit niedrigem Pegel anfälliger für elektromagnetische Störungen, wenn sie durch hochohmige Stromschleifen fließen. Außerdem bilden die Signal- und Rückleitungen eine Schleifenantenne, die das EMI-Problem verschlimmert. Deshalb wollen wir die Stromschleife kurz, lokalisiert und kompakt machen.
Regel 2. Notwendigkeit für eine einzige Bezugsmasseebene
Split Groundplane ist eine Möglichkeit, digitale und analoge Erdung zu isolieren. Bei diesem Verfahren sind die Masseebenen voneinander getrennt, und es ist nicht möglich, an der Teilung zu verdrahten. Bei solchen Leiterplatten, bei denen die Masseebenen voneinander getrennt sind, sind die beiden Masseebenen nur in der Nähe der Stromversorgung verbunden, wodurch eine große Stromschleife gebildet wird, was für PCB-Designs mit unempfindlichen elektromagnetischen Interferenzen nicht günstig ist. Außerdem liegen die analogen und digitalen Masseebenen auf unterschiedlichen Potentialen, und die auf diesen Ebenen verlegten langen Drähte bilden eine regelrechte Dipolantenne, die elektromagnetische Strahlung aussendet.
Unter Berücksichtigung all dieser Faktoren ist die Partitionierung der Mixed-Signal-Leiterplatte der ideale Ansatz. Die Partitionierung hält die Bezugsmasseebene gemeinsam. Analoge Signale werden in die analoge Sektion geroutet und digitale Signale werden in die digitale Sektion geroutet, sodass die Signale an ihrem eigenen Platz sind.
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