هنگام چیدمان صفحه مدار چاپی ، انتخاب اجزا و ایجاد امکان برای آن‌ها تا رسیدن به بهترین حالت عملکردشان، امری پیچیده است؛ نظیر سیگنال‌های ساعت و مسیریابی آن‌ها. می‌توان با پیروی از قواعد استاندارد در صنعت، مسائل تداخل الکترومغناطیس را بدون نیاز به روابط پیچیده و ابزارهای شبیه‌سازی گران، به حداقل رساند.
دلیل اینکه طرح PCB رفته رفته اهمیت بیشتری می‌یابد، بخاطر گرایش آن به کاهش اندازه‌ی صفحه (board) و افزایش یکپارچگی است. ضریب شکل کوچکتر و الکترونیک قدرت پایین‌تر همگی منجر به ملاحظات بیشتر می‌شود. فرکانس‌های سوئیچینگ هرچه بیشتر شود، تشعشعات بیشتری تولید می‌شود. با چیدمان مناسب، بسیاری از مسائل EMI می‌تواند برای دستیابی به مشخصات مورد نیاز به حداقل برسند. موارد لیست شده‌ی زیر برخی از توصیه‌های شرکت بین‌المللی ECS است که پیشنهاد می‌کند به‌عنوان یک عمل مهندسی مناسب دنبال کنید.
فهرست مطالب
راهنمای طراحی صفحه مدار چاپی کریستال (PCB)
- خازن‌های بار کریستال و بار خارجی را در PCB تا جایی که ممکن است به پایه‌های ورودی و خروجی نوسان‌ساز تراشه نزدیک کنید.
- طول مسیرها در مدار نوسان بایستی تا جایی که ممکن است کوتاه باشد و نباید سایر خطوط سیگنال را قطع کند.
- از خمیدگی زوایای راست روی مسیرها اجتناب کنید.
- اطمینان حاصل کنید که خازن‌های بار CX1 ، CX2 و CX3 ، در صورت استفاده از کریستال سوم، دارای صفحه زمین مشترک هستند.
- حلقه‌‌ها تا حد ممکن باید کوچک ساخته شوند تا نویز همراه PBC را به حداقل برسد و هرگونه پارازیت را تا حد امکان کاهش دهد.
- الگوی زمین (GND) را زیر واحد کریستال قرار ندهید.
- خطوط سیگنال دیجیتال/RF یا برق را برای مدار چاپی چندلایه، در زیر واحد کریستال اجرا نکنید.
راهنمای طراحی صفحه مدار چاپی اسیلاتور (PCB)
- پایه‌ی اسیلاتور روی مدار چاپی را تا حد امکان نزدیک به پایه‌های ورودی بار یا تراشه قرار دهید.
- طول مسیرها در مدار نوسان بایستی تا جایی که ممکن است کوتاه باشد و نباید سایر خطوط سیگنال را قطع کند.
- از خمیدگی زوایای راست روی مسیرها اجتناب کنید. افزایش ظرفیت در نقاط گوشه‌ای 45 درجه با تغییر امپدانس مشخصه‌ی مسیر، منجر به بازتاب می‌شود. این مسئله می‌تواند با گرد کردن گوشه‌های راست کاهش یابد.
- از پایان‌بندی سری استفاده کنید تا امواج ایستاده بین منبع و پایان‌بندی کاهش یابد. این کار از طریق افزودن یک مقاومت در سری، به‌صورت هرچه نزدیک‌تر به پایه‌ی خروجی اسیلاتور حاصل می‌شود. برای تطبیق مناسب امپدانس، باید امپدانس خروجی محرک ساعت به‌اضافه‌ی مقاومت پایان‌بندی سری، برابر با امپدانس مسیر باشد.
- طول مسیرهای خروجی دیفرانسیلی را به یک اندازه و تا حد امکان نزدیک به هم نگه دارید. این موضوع باعث افزایش ضریب اتصال (coupling factor) بین مسیرها می‌شود، نویز را به حالت معمول می‌رساند که برای یک مرحله‌ی ورودی دیفرانسیلی، مشکل کمتری ایجاد می‌کند.
- یک روش مناسب این است که اسیلاتور به صفحه زمین مشترک متصل باشد.
- الگوی زمین (GND) را زیر واحد کریستال قرار ندهید؛ باعث افزایش ظرفیت پارازیت می‌شود.
- خطوط سیگنال دیجیتال/RF یا برق را برای PCB چندلایه، در زیر اسیلاتورها اجرا نکنید؛ چون نویز را بیشتر می‌کند.
چیدمان اسیلاتور پیرس
نکات بالا برای استفاده از اسیلاتورهای پیرس مهم هستند که توسط ریزپردازنده ها به کار می‌روند. در زیر مدار و یک چیدمان نمونه از اسیلاتور پیرس با کریستال 4-پد را مشاهده می‌کنید.
حلقه‌ی اسیلاتور کریستال دارای امپدانس ورودی کم در فرکانس اسیلاتور، اما مشخصه‌ی امپدانس ورودی بالا خارج از محدوده‌ی فرکانس تشدید است.
این ویژگی امپدانس بالا در صورت اعمال یک میدان الکتریکی در مجاورت آن، در برابر EMI آسیب‌پذیر است. در فناوری جدید، سطح سیگنال اسیلاتور در کوچکتر از یک ولت، محدود شده است که باعث می‌شود حساسیت آن بیشتر گردد.
برای تأکید بر اهمیت پاین نگه داشتن ظرفیت PCB سرگردان، Cs در این محاسبات برجسته شده است. هرچه CL کریستال پایین‌تر باشد، تأثیر مدار چاپی سرگردان بر طراحی بیشتر است.
اتصال به زمین خازن‌های بار C1/C2 باید تا حد امکان کوتاه باشد تا از جریان زمین با مدارهای دیگر جلوگیری کند. اغلب پین‌های XTAL IN و XTAL OUT در مجاورت پردازنده قرار دارند ظرفیت پارازیت می‌تواند دردسر باشد، پس مسیرها باید تا جای ممکن دور از هم و در عین‌حال کوتاه تعیین شوند.
ظرفیت‌های معمولی می‌توانند به‌صورت زیر باشند:
XTAL IN به زمین: 1pF
XTAL OUT به زمین: 2pF
XTAL IN به XTAL OUT: 0.5 pF
اکثر انواع کریستال‌های رایج در مدار چاپی، دارای محفظه‌ی مهروموم شده‌اند به‌طوری که درب محفظه به‌صورت الکتریکی به پین‌های زمین متصل است. با توجه به این نوع بسته‌بندی، توصیه می‌شود پین‌ها را به زمین متصل کنید تا پتانسیل EMI از طریق درب کاهش یابد. خاطر نشان می‌شود که بسته‌بندی‌های مهروموم شده عملکرد بهتری ارائه می‌دهند. روش آب‌بندی جایگزین، کریستال‌های مهروموم شده با شیشه است و به‌خاطر این فرآیند، درب از پایه‌های زمین منفک شده است. با این نوع بسته‌بندی، توصیه نمی‌شود پایه‌های زمین روی کریستال را به زمین متصل کنید.
سازگاری الکترومغناطیس (EMC)
سازگاری الکترومغناطیس توانایی اجزای الکتریکی، تجهیزات و سیستم‌ها است تا مطابق طراحی خود در محیطشان عمل کنند. این کار با محدود کردن تولید، انتشار و دریافت ناخواسته‌ی انرژی الکترومغناطیسی انجام می‌شود. این منابع ناخواسته‌ی نویز، تحت عنوان تداخل الکترومغناطیس (EMI) شناخنه می‌شوند. هدف EMC عملکرد صحیح تجهیزات مختلف در یک محیط الکترومغناطیسی مشترک است.
چیدمان صفحه مدار چاپی
صفحه‌ی زمین زمانی مؤثر است که با مدار آنالوگ یا دیجیتال و ترکیبی از اجزا استفاده شود. اتصالات زمین به‌جای یکنواختی در تمام طرح، در صورت لزوم ایجاد می‌شوند.
صفحه‌ی زمین با پر کردن فضای خالی با مس و اتصال آن به زمین، ایجاد نمی‌شود. کارکرد آن اجازه‌ی جاری شدن به جریان برگشتی است و چیدمان ایده‌آل بایستی کمترین فاصله را با آن داشته باشد. بنابراین، بُردهای چندلایه استفاده می‌شوند. یک لایه‌ی کامل یکنواخت را می‌توان به زمین اختصاص داد؛ یکی را به برق و دیگری را به سیگنال‌دهی. این کار ظرفیت توزیع بین لایه‌ای را افزایش می‌دهد. همچنین، مزیت دیگری در امپدانس پایین بین برق و زمین در فرکانس‌های بالا دارد.
صفحه زمین در مدار چاپی
در مدار چاپی حفره‌های تکی در صفحه‌ی زمین تغییری ایجاد نمی‌کنند؛ اما شیارهای بزرگ چرا. زمانی که صفحه‌ی زمین توسط مسیرها و حفره‌های دیگر منقطع گردد، جریان عادی کم القا اطراف مانع انحراف می‌یابد و القا به‌صورت مؤثری افزایش پیدا می‌کند.
وقفه‌ها فقط بایستی تحمل شوند اگر که خطوط جریان di/dt بالا را قطع نکنند. مسیرهای زیرین اجزای حامل جریان‌های سویچینگ بالا یا لبه‌های منطقی سریع، باعث ایجاد ظرفیت القایی می‌شوند. حتی یک مسیر بسیار باریک که دو بخش صفحه‌ی زمین را به هم متصل می‌کند، بهتر از هیچ است. در فرکانس‌های بالا، جریان تمایل دارد مسیری را دنبال کند که کمترین شار مغناطیسی را دربر می‌گیرد و این شامل انتقالات لبه‌ی منطقی دیجیتال نیز می‌شود. این بدان معنی است که جریان برگشت صفحه‌ی زمین ترجیح می دهد در زیر مسیر سیگنال متناظر متمرکز شود.
برخی از تولیدکنندگانِ برد، به باقی گذاشتن سطح زیادی از مس توصیه ندارند چون ممکن است باعث تاب خوردن برد یا ترک برداشتن محافظ لحیم‌کاری (solder resist) شود. در صورت مشکل احتمالی، می‌توانید صفحه‌زمین جامد را با الگوی متقاطع جایگزین کنید، بدون اینکه اثربخشی آن کاهش یابد. برای ایجاد اتصال لحیمی به صفحه‌ی زمین یا هر سطح بزرگ دیگری از مس روی سطح برد، شما باید پد لحیم‌کاری را از سطح زمین «جدا» کنید و با استفاده از مسیرهای با طول کوتاه متصل کنید. این کار مانع از این می‌شود که صفحه‌ی زمین در حین لحیم‌کاری اتصالات قابل اطمینان، همانند یک گرماگیر عمل کند.
تداخل الکترومغناطیس (EMI) در مدار چاپی
آزمون انتشارات تابشی (EMI) چیست؟
آزمون انتشارات تابشی شامل اندازه‌گیری قدرت میدان مغناطیسی انتشاراتی (emission) است که ناخواسته توسط محصول شما تولید می‌شود. انتشارات ویزگی ذاتی ولتاژها و جریان‌های سوئیچینگ در هر مدار دیجیتال است. این به شما اجازه خواهد داد تا بدانید که سطح انتشارات در چه حدی است و سپس مشخص کنید که آیا بر عملکرد سیستمتان یا سیستم‌های مجاور تأثیرگذار است.
حالات عدم موفقیت معمول تابش
تقریبا تعداد نامحدودی از طرح‌ها یا روش‌های الکترومکانیکی وجود دارند که می‌توانند باعث انتشارات تابشی گردند. در اینجا لیست کوتاهی از برخی مسائل طرح‌های EMI معمول داریم:
- نویز کابل‌کشی
- اتصال به زمین ضعیف
- توده لایه‌ی غیر بهینه
- تفکیک برد غیرمؤثر
- پایان‌بندی ضعیف کابل
- پیوستگی ضعیف سیگنال
- منبع تغذیهی نویزدار
- جایابی اجزا
- قطع در مسیرهای برگشت
- حلقه‌های بزرگ جریان
- اتصال به زمین گرماگیرها و LCDها
- پرشدگی‌های تکه‌ای زمین
- سیگنال‌های نزدیک به لبه‌ی صفحه‌ی مرجع
- جایابی خازن تفکیک
- تفکیک برد غیرمؤثر
- پرشدگی‌های تکه‌ای زمین
- پیوستگی ضعیف سیگنال
- حلقه‌های بزرگ جریان
- جایابی اجزا
EM هدایتی
هر وسیله‌ی الکترونیکی انرژی الکترومغناطیس تولید می‌کند و بخشی از آن به منبع قدرت هدایت شده و به‌طور بالقوه، به منبع تغذیه خارجی متصل می‌شود.
به منظور محدود کردن میزان تداخلی که دستگاه شما می‌تواند دوباره به منبع تغذیه متصل شود؛ آزمایشگاه‌ها این انتشارات را اندازه می‌گیرند. معمولا، آن‌ها مشتاق به انتشار در پهنای باند 150 کیلوهرتز تا 30 مگاهرتز (150kHz ~ 30MHz) هستند. آن‌ها تابش را بررسی می‌کنند و نشان می‌دهند که با محدودیت‌های تعیین شده همخوانی دارند.
تهیه‌کنندگان و سطح آزمایش EMI توسط CISRP (کمیته‌ی بین‌المللی مخصوص تداخل تابشی)، اداره می‌شوند.
آزمون انتشار در مدار چاپی
مطابق ANSI C63.4، در حالیکه محصول شما روی زمین قرار دارد (یا در صورت بزرگ بودن وسیله، ایستاده بر کف باقی می‌ماند)، LISN (یا LISNs) روی زمین قرار می‌گیرد. درگاه RF از LISN مستقیما به تحلیلگر طیف متصل می‌شود (یا از طریق یک محدود کننده‌ی گذرا تا از آسیب‌های جهش ولتاژ جلوگیری کند).
قابلیت انتشار هدایتی
آزمون انتشار هدایتی معمولا روی وسایلی انجام می‌شود که به منبع تغذیهی AC متصل‌اند. صرف نظر از اینکه شما از منبع تغذیهی AC-DC از قبل تعیین شده استفاده می‌کنید. در برخی استانداردها، محدودیت‌هایی برای وسایلی که با منبع تغذیهی DC کار می‌کنند نیز وجود دارد.
توصیه های انتشار هدایتی در مدار چاپی
بدون ورود زیاد به جزئیات طرح مدار برای انطباق انتشار هدایتی، تعدادی روش ساده وجود دارد که شما می‌توانید خطر شکست آزمون انتشار هدایتی را به حداقل برسانید:
- همیشه منبع تغذیه‌ای را به‌کار گیرید که متناسب با محدودیت‌هایی باشد که نیاز به برآوردن آن‌ها دارید.
- اگر وسیله‌ی شما یک وسیله‌ی «درجه‌ی B» است، مطمئن شوید که از آداپتور کلاس B استفاده کنید. آداپتوری که تنها محدودیت‌های کلاس A را گذرانده باشد، بعید است منجر به برآوردن سیستم شود. آداپتور کلاس B قبول انتشار کلاس B را تضمین نمی‌کند اما قطعا کمک کننده خواهد بود.
- به‌طور مشابه، برای محدودیت‌های شدید نظامی، پزشکی، خودرویی یا هوافضا، همیشه منبعی را به‌کار بگیرید که مشخصات آن ادعای مطابقت با محدودیت‌های مربوطه را داشته باشد.
- حداقل 3 منبع تغذیهی متفاوت به آزمایشگاه بیاورید.
- اگر وسیله‌ی شما از آداپتور قدرت AC-DC خارجی استفاده می‌کند، معادل آن را برای سازنده‌های مختلف، به همراه داشته باشید. اگر موفق نشدید، می‌توانید ان را عوض کنید و ببینید که آیا منابع دیگر نتیجه بخش است.
- ریل‌های منبع تغذیه خود را از نظر وجود موج بررسی کنید.
- اگر منبع تغذیهی خوب و تمیزی دارید، احتمالا PDN و تفکیک در حالت خوبی قرار دارند. اگر با تعویض منابع تغذیه، موج یا جهش‌های بیشتری دیدید، این نویز ممکن است در سمت AC منبع تغذیهی شما وجود داشته باشد.
- اگر دلیل اساسی برای تقسیم صفحه‌ی زمین مانند جدا کردن زمینه‌های آنالوگ و دیجیتال برای جلوگیری از ادغام نویز وجود دارد، محتاط باشید زیرا صفحه‌های زمین تقسیم شده می‌توانند مانند آنتن‌های شکاف عمل کرده و تابش کنند. در این حالت، صفحه‌های زمین منفک را در یک نقطه‌ی واحد وصل کنید. هرچه اتصالات مشترک زمین بیشتری داشته باشید، حلقه‌های بیشتری ایجاد کرده‌اید و طرحتان EMI بیشتری تابش خواهد کرد.
- بسیاری از طرح‌ها دارای خازن‌های شنتی (bypass) و تفکیک (decoupling) هستند؛ با اتصال آن‌ها به زمین می‌توانید مسیر جریان برگشتی را کاهش دهید. این کار باعث کاهش اندازه‌ی حلقه‌ی زمین و درنتیجه تابش می‌شود. فقط مطمئن شوید که یک خازن شنتی را بین یک صفحه‌ی قدرت و یک صفحه‌ی زمین نامرتبط وصل نکنید که می‌تواند باعث اتصال خازنی شود.
