Lần đầu tiên vượt qua bài kiểm tra tuân thủ EMI—Phần 1: Vật lý 

Tác giả James Niemann

Tóm tắt

Bất kỳ sản phẩm nào được ngày nay thiết kế yêu cầu xung nhịp tốc độ cao đều có thể gặp phải các vấn đề về tuân thủ tương thích điện từ (EMC). Bài viết này phác thảo quan điểm định hướng trường điện từ (EM) cho thiết kế bảng mạch in (PCB) nhằm giúp người đọc vượt qua bài kiểm tra tuân thủ nhiễu điện từ (EMI) ngay lần đầu tiên. Các kỹ thuật tương tự được sử dụng để giảm nhiễu điện từ (EMI) cũng sẽ giảm thiểu nhiễu, gợi ý một triết lý bố trí PCB phổ quát. Bài viết này được trình bày thành ba phần. Bài viết đầu tiên đề cập đến những kiến ​​thức vật lý thiết yếu cần thiết để hiểu tại sao các kỹ thuật được mô tả giúp giảm thiểu EMI trên bố trí PCB. Phần 2 sẽ đề cập đến cách vật liệu trong Phần 1 đóng vai trò như thế nào trong bố trí bảng mạch thực tế được mô tả thông qua các ví dụ. Cuối cùng, Phần 3 sẽ thảo luận về các chiến lược bố trí PCB cho các bảng mạch phức tạp đáp ứng các giải pháp được trình bày.

Giới thiệu

Tại sao việc tuân thủ thường là điều cuối cùng được giải quyết trong quá trình thiết kế? Điều này thường xảy ra vì toàn bộ hệ thống cần phải sẵn sàng trước khi bất kỳ thử nghiệm thực tế nào có thể diễn ra. Các vấn đề được phát hiện muộn trong quá trình thiết kế có thể yêu cầu thay đổi bảng mạch in (PCB), điều này luôn tốn kém khi nhiều người tham gia vào giai đoạn cuối của chu trình thiết kế sản phẩm. Do đó, thật đáng tiếc vì việc tuân thủ tương thích điện từ (EMC) (bức xạ, dẫn điện hoặc độ cảm ứng) có thể được thiết kế một cách chắc chắn để vượt qua chỉ bằng cách làm theo các phương pháp hay nhất được mô tả trong bài viết. Các phương pháp được mô tả sẽ giúp duy trì sự tuân thủ nhiễu điện từ (EMI) trong suốt quá trình thiết kế, cấu trúc và bố trí PCB. Bài viết không chỉ hướng dẫn cách thiết kế một bo mạch để vượt qua thử nghiệm EMC. Mục tiêu là hiểu các nguyên tắc cơ bản và lý do tại sao chúng hoạt động để có thể áp dụng các nguyên tắc này ở những nơi khác.

Những nguyên tắc cơ bản đằng sau EMI, nhiễu và độ cảm ứng thực sự khá đơn giản. Giảm thiểu EMI là kiểm soát và hạn chế các trường điện và từ. Nói một cách đơn giản, nếu các trường điện từ (EM) tiếp xúc với không gian trống và được phép giãn nở, nhiễu và EMI sẽ xảy ra. Làm thế nào để hạn chế trường này? Tất cả những gì cần thiết là thiết kế sao cho điện tích gia tốc NET bằng 0 ở mọi nơi trên bo mạch (và trong bất kỳ cáp kết nối nào). Điều này có nghĩa là với mỗi điện tích đang gia tốc, sẽ có một điện tích khác rất gần đó được phép gia tốc theo hướng ngược lại với điện tích ban đầu. Khi các sự kiện này xảy ra đồng thời ở trường xa, tác động của mỗi điện tích có thể và sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Nếu không có năng lượng trường, sẽ không thể có EMI hoặc nhiễu. Điều này sẽ khiến toàn bộ năng lượng trường điện từ bị giới hạn bên trong các linh kiện hoặc lớp điện môi PCB, ngay giữa đường tín hiệu và mặt đất. Đây là ý tưởng cho các đường tín hiệu trên bo mạch, nhưng thực tế, các ăng-ten dài với trường không giới hạn gặp phải trên các hệ thống cô lập mới là vấn đề lớn hơn. Chủ đề này sẽ được thảo luận trong nội dung dưới đây.

Vật lý về Lực Tĩnh và Lực Động tác động lên Điện tích

Điện tích chỉ chuyển động khi chúng tiếp xúc với điện trường. Điện trường tại một vị trí nhất định trong không gian có thể tĩnh (chẳng hạn như điện trường của điện tích đứng yên). Điện trường tại một vị trí cũng có thể thay đổi theo thời gian (chẳng hạn như điện trường của điện tích chuyển động). Khi điện tích chuyển động, từ trường xuất hiện. Giống như điện trường, từ trường có thể tĩnh hoặc thay đổi theo thời gian. Chúng ta biết từ lực Lorentz, F = q (E + vxB) rằng một điện tích chuyển động trong từ trường sẽ chịu một lực hướng về hoặc ra xa các điện tích chuyển động tạo ra từ trường. Vì chỉ có điện trường mới có thể tác dụng lực lên điện tích, nên từ trường thực chất là một điện trường được tạo ra theo tính tương đối. Nó là biểu hiện của trường Coulomb ban đầu của các điện tích chuyển động. Điện trường và từ trường thực chất là một thứ có thể trông khác nhau tùy thuộc vào hệ quy chiếu của bạn.

Khi các trường này thay đổi theo thời gian, có khả năng bức xạ hoặc EMI có thể xảy ra. Điện tích có thể tĩnh, có thể chuyển động trong không gian, hoặc có thể được gia tốc. Bức xạ chỉ xảy ra khi điện tích chịu gia tốc. Điều này là do thực tế đơn giản rằng từ trường là một điện trường ở bên trong, và một điện tích tăng tốc sẽ khiến trường tương đối tính này bộc lộ năng lượng của nó. Các điện tích tăng tốc cho phép áp dụng cả định luật Ampere và Faraday để tạo ra trường lan truyền trong không gian. Lý do toán học cho điều này có thể được tìm thấy bằng cách xem xét kỹ các phương trình Maxwell được trình bày bên dưới. Phương trình thứ ba và thứ tư được cho là của Ampere và Faraday là chìa khóa để hiểu bức xạ và EMI.

Định luật Gauss cho điện trường:

Định luật Gauss cho từ trường:

Định luật Ampere-Maxwell:

Định luật Faraday:

Các phương trình này cho thấy có nhiều hơn một cách để tạo ra điện trường và từ trường bên cạnh việc sử dụng điện tích. Trường biến đổi hoặc trường động cũng có thể tạo ra trường. Hiệu ứng này chịu trách nhiệm cho việc lan truyền năng lượng trường điện từ trong không gian tự do hoặc trên PCB. Vectơ năng lượng Poynting mô tả sự chuyển động của năng lượng này.

Vectơ Poynting:

Trường điện từ luôn hiện diện ở bất cứ nơi nào có điện áp và dòng điện. Trường điện từ là nơi thông tin và năng lượng tồn tại. Việc loại bỏ trường điện từ là không khả thi và cũng không mong muốn. Mục tiêu là kiểm soát vị trí của chúng để chúng không thể tác dụng lực lên các điện tích bị ảnh hưởng (nhiễu) hoặc tiếp xúc với không gian tự do (EMI).

Tin tốt là việc hạn chế các trường này có thể diễn ra tự động nếu PCB được thiết kế chính xác.

Bất kỳ sự phân bố điện tích nào, dù chuyển động hay tĩnh, đều sẽ luôn tự sắp xếp để giảm thiểu năng lượng được lưu trữ hoặc tiêu tán (từ sự phân bố điện tích).

Điều này đúng với năng lượng tĩnh điện hoặc năng lượng từ. Các điện tích tham gia vào quá trình phân bố này trước tiên sẽ tự sắp xếp để lưu trữ càng ít năng lượng càng tốt. Theo thời gian, sự sắp xếp này sẽ trở lại để tiêu tán càng ít năng lượng càng tốt. Hành vi này đơn giản là kết quả của các điện tích của lực tác dụng lên nhau.

Làm thế nào để thiết kế bo mạch chủ để lưu trữ ít năng lượng nhất? Điều này có thể được thực hiện bằng cách cung cấp một mặt phẳng tiếp địa rất gần với đường dẫn tín hiệu và nguồn điện. Vị trí gần mặt đất sẽ cho phép hình học đồng lưu trữ ít năng lượng điện và từ nhất. Điều này đạt được bởi vì trường điện sẽ kéo điện tích từ mặt đất gần bằng không trường điện tổng khi nhìn từ bên ngoài lưỡng cực này. Tương tự, khi các điện tích tăng tốc, định luật Faraday sẽ tạo ra một dòng điện trong mặt đất, triệt tiêu từ trường bên ngoài. Bo mạch cần được thiết kế để điều này xảy ra một cách tự nhiên. Điều quan trọng nữa là phải hiểu rằng cả hai hiệu ứng này xảy ra gần như ngay lập tức, chỉ bị trễ bởi tốc độ C đến mặt đất.

Bài viết cũng mô tả các thuộc tính của đường truyền. Hầu hết các kỹ sư đều biết về đường truyền và sử dụng chúng hàng ngày cho các mạch tốc độ cao. Để tránh nhiễu cũng như EMI, các kỹ thuật đường truyền này phải được sử dụng cho tất cả các ứng dụng PCB. Có lẽ cấu trúc được sử dụng nhiều nhất trong thiết kế PCB là đường truyền vi dải, về cơ bản chỉ là một đường dẫn trên mặt đất. Về lý thuyết, đường dẫn này sẽ giới hạn điện trường và từ trường trong không gian giữa đường dẫn và mặt đất. Hình 1 cho thấy trong thể tích A, các phương trình Maxwell phát biểu rằng tổng điện tích được bao bọc bằng tích phân của thông lượng điện đi qua bề mặt thể tích. Vì điện tích bằng 0 được bao bọc, nên điện trường tổng hợp bên ngoài bề mặt sẽ tiến tới 0 khi khoảng cách giữa các điện tích bằng nhau và trái dấu nằm cùng vị trí. Đường truyền, bề mặt B, sẽ bao bọc điện tích gia tốc bằng 0. Các phương trình Maxwell phát biểu rằng tích phân đường của từ trường xung quanh bề mặt B này cũng sẽ tiến tới 0 nếu dòng điện tổng hợp qua bề mặt bằng 0. Theo định luật Faraday, tích phân đường xung quanh bề mặt C cũng sẽ tiến tới 0.

Hình 1. Biểu diễn trường điện và từ xung quanh đường truyền.

Khoảng cách giữa đường truyền và mặt đất không thể bằng 0 (dẫn đến trường ngoài bằng 0)—cần có đường truyền 50 Ω để tối đa hóa băng thông tín hiệu cho RF và các ứng dụng kỹ thuật số tốc độ cao. Đối với công suất, trở kháng thấp hơn nhiều, chỉ vài ohm, được sử dụng.

Đáng chú ý, tất cả những điều này có thể được rút gọn thành ba phương pháp hay cần tuân theo trong quá trình bố trí. Mỗi phương pháp sẽ được thảo luận trong phần sau.

Những phương pháp hay

#1 Cố gắng đạt điện tích gia tốc NET bằng 0.

Phương pháp này khuyến khích các nhà thiết kế chú ý đến đường dẫn dòng điện trong thiết kế PCB. Hãy xem xét liệu bố trí bo mạch có cho phép tự nhiên tạo ra dòng điện triệt tiêu theo định luật Faraday hay không. Hãy nhớ rằng, bất cứ nơi nào có dòng điện, nó phải thay đổi tại một thời điểm nào đó để đạt được giá trị đó.

#2 Trong bố trí, hãy giới hạn các trường E và B trong một không gian nhỏ chuyên dụng.

Đây thực sự là kết quả của việc áp dụng phương pháp đầu tiên. Nếu bố trí cho phép điện tích gia tốc NET bằng 0, thì trường điện E cũng nên được giới hạn. Điều quan trọng là phải ghi nhớ kết quả này một cách riêng biệt trong quá trình bố trí. Cả trường điện và trường từ đều cần thiết để truyền năng lượng.

#3 Hãy nghĩ về trường điện từ (EM) thay vì điện áp và dòng điện.

Năng lượng và thông tin di chuyển trong trường điện từ, chứ không phải trong lớp đồng trên PCB. Sẽ không bao giờ đạt được trường ngoài bằng 0 với một vi mạch không hoàn hảo. Trở kháng đường truyền càng lớn, trường càng ít bị giới hạn. May mắn thay, các đường trở kháng cao hơn (50 Ω cho băng thông tối đa) thường hoạt động ở dòng điện thấp hơn với các giá trị ban đầu được giới hạn bởi điện áp chia cho trở kháng đặc tính 50 Ω. Các mặt phẳng công suất có trở kháng thấp hơn (nên như vậy, điều này tốt) nhưng hoạt động ở dòng điện cao hơn (không tốt lắm) và cần phải được giảm chấn (có điện trở thực tế tối thiểu), nếu không tổn thất sẽ quá lớn. Các mạch Q cao này có thể gây ra bức xạ đáng kể, điều này sẽ được thảo luận trong bài viết tiếp theo. Thiên nhiên đang hỗ trợ bạn khi nói đến EMI chứ không phải chống lại bạn, luôn sắp xếp các điện tích để hấp thụ ít năng lượng nhất, được lưu trữ hoặc tiêu tán khỏi mạch.

Bố cục PCB có thể gây ra nhiễu điện từ (EMI) và nhiễu do liên kết từ tính hoặc tĩnh điện (tương hỗ cảm ứng và tương hỗ điện dung). Loại liên kết này xảy ra do cấu trúc được sử dụng để truyền năng lượng và thông tin trên PCB không hoàn hảo; chúng không hoàn toàn hạn chế trường điện từ như cáp đồng trục. Khoảng cách (điện môi) giữa ống dẫn sóng (các đường dẫn và mặt đất) sẽ dẫn đến nhiễu và nhiễu điện từ (EMI) trừ khi hình dạng có thể hạn chế hoàn toàn trường điện từ.

Bài viết tiếp theo sẽ thảo luận về bố cục bo mạch thực tế, chỉ ra các nguồn bức xạ phổ biến thường gặp do kỹ thuật bố trí không hoàn hảo cũng như cách cải thiện kết quả. Các tình huống sau đây trong bố trí PCB sẽ được đề cập.

Trên PCB, hiện tượng trường giới hạn thường bị mất khi:

• Tín hiệu chuyển tiếp giữa các lớp
• Các tín hiệu có cùng thể tích trên một mặt phẳng tiếp địa chung
• Các tín hiệu cắt nhau trên một mặt phẳng tiếp địa chung
• Các tín hiệu chạy song song
• Xảy ra hiện tượng viền trường
• Tín hiệu lan truyền trên một dải vi mạch hoặc đường truyền không hoàn hảo khác

Kết luận

Bài viết này đề cập đến các kiến ​​thức vật lý và quy trình tư duy thiết yếu cần thiết để thiết kế một bo mạch cho mục đích kiểm tra mức phát thải thấp và khả năng tuân thủ EMI. Cho đến nay, bài viết đã khám phá ra rằng chỉ có điện trường tác động lên các điện tích và từ trường được tạo ra từ các điện tích chuyển động thực chất là một điện trường tương đối tính. Với điều kiện các điện tích đang tăng tốc, các phương trình Maxwell và vectơ Poynting cho thấy cách các trường có thể lan truyền trong không gian tự do. Tất cả các hình học đồng của PCB đều có thể được coi là các đường truyền dẫn có thể tận dụng ảnh hưởng của trường điện tích để giới hạn các trường trong các vùng chuyên dụng trên PCB. Phần 2 của bài viết này sẽ dựa trên điều này để minh họa cách thiết kế PCB nhằm giảm thiểu các trường không giới hạn, vốn là nguồn gây nhiễu và EMI. Trường không giới hạn có thể đến từ hai nơi: bản thân mạch điện hoặc thế giới bên ngoài (độ cảm ứng). Mỗi trường hợp này sẽ được xem xét riêng trong bài viết tiếp theo.

Những điểm chính và tất cả những kiến ​​thức vật lý đó có thể được triển khai đơn giản bằng cách tuân theo ba phương pháp hay dưới đây.

• Phương pháp hay số 1: Cố gắng đạt được điện tích gia tốc ròng bằng 0.
• Phương pháp hay số 2: Trong bố cục, giữ cho trường E và B được giới hạn trong một không gian nhỏ riêng.
• Phương pháp hay số 3: Hãy nghĩ về trường điện từ thay vì điện áp và dòng điện.

Bất kỳ sự phân bố điện tích nào, dù chuyển động hay đứng yên, đều sẽ luôn tự sắp xếp để giảm thiểu năng lượng được lưu trữ hoặc tiêu tán (từ sự phân bố điện tích).

Tài liệu tham khảo

Feynman, Richard P., Robert B. Leighton, and Matthew Sands. The Feynman Lectures on Physics, boxed set: The New Millennium Edition. Basic Books, January 2011.

Johnson, Howard W. and Martin Graham. High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic. PTR Prentice Hall, April 1993.

Morrison, Ralph. Fast Circuit Boards: Energy Management. John Wiley & Sons Publications, January 2018.

Ts.James Niemann