Vượt qua bài kiểm tra tuân thủ EMI lần đầu tiên—Phần 2: Ví dụ về bức xạ PCB

Tác giả James Niemann

Tóm tắt

Bất kỳ sản phẩm nào được thiết kế ngày nay 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 thử nghiệm 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 thứ hai này đề cập đến một số ví dụ về kết nối PCB, minh họa chính xác cách triển khai các kỹ thuật được trình bày trong Phần 1. Cuối cùng, Phần 3 sẽ thảo luận về các chiến lược bố trí PCB cho các bo mạch phức tạp đáp ứng các giải pháp được trình bày.

Giới thiệu

Phần 1 đã đề cập đến tất cả các kiến ​​thức vật lý thiết yếu cần thiết để hiểu lý do tại sao chúng ta cần sử dụng đường truyền để hạn chế năng lượng trường trong bố trí nhằm quản lý nhiễu điện từ (EMI). Bài viết kết thúc bằng một danh sách ngắn các thách thức phổ biến về bố trí bảng mạch in (PCB) cần được giải quyết, được nhắc lại bên dưới.

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

1. Tín hiệu chuyển tiếp giữa các lớp
2. Tín hiệu có cùng thể tích trên một mặt phẳng tiếp đất chung
3. Tín hiệu giao nhau trên một mặt phẳng tiếp đất chung
4. Tín hiệu được chạy song song
5. Hiện tượng viền trường xảy ra
6. Tín hiệu lan truyền trên một vi mạch hoặc đường truyền không hoàn hảo khác

Bài viết thứ hai này đề cập đến những vấn đề này bằng hai ví dụ đại diện cho các nguồn bức xạ PCB phổ biến nhất mà ngay cả các kỹ sư giàu kinh nghiệm cũng bỏ qua.

Đường truyền có thể bức xạ

Hãy xem xét một cổng logic sắp tăng điện áp đầu ra. Giả sử tụ tách của IC ở gần đó, năng lượng được lưu trữ sắp được sử dụng ở đâu? Nó được lưu trữ cục bộ trong lớp điện môi (khoảng không) bên trong tụ tách. Bây giờ, hãy tưởng tượng IC tăng điện áp đầu ra bằng cách di chuyển điện tích đến chân đầu ra trước đó đã được nối đất. Điện tích được di chuyển có một trường sẽ ngay lập tức vươn ra với tốc độ ánh sáng và tác dụng lực lên bất kỳ điện tích nào mà nó gặp phải. May mắn thay, mặt phẳng tiếp địa sẽ là nguồn điện tích gần nhất, và vì là một vật dẫn điện tốt, chỉ cần rất ít năng lượng để di chuyển điện tích triệt tiêu trực tiếp xuống dưới đường mạch. Lực điện đảm bảo điện tích triệt tiêu này càng gần với điện tích ban đầu do cổng logic cung cấp càng tốt. Từ thời điểm này trở đi, đối với các vị trí xa bên ngoài lưỡng cực nhỏ này, trường sẽ gần bằng 0 và điều này càng đúng khi vị trí đó càng xa về mặt thời gian và khoảng cách so với hai điện tích triệt tiêu này. Đối với các trường được tạo ra từ các điện tích tăng tốc, sẽ có một dòng điện dịch chuyển trong tụ điện tách cũng như trong lớp điện môi giữa đường mạch ra và mặt phẳng tiếp địa, nơi diễn ra quá trình chuyển đổi điện áp. Có các điện tích tăng tốc trên toàn bộ vòng lặp điện nhỏ này (một số được cung cấp bởi điện trường biến thiên, tức là một dòng điện). Khi kích thước của một vòng lặp dòng điện nhỏ so với khoảng cách quan sát, các đoạn tăng tốc của vòng lặp sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Kết quả là, điện tích tăng tốc ròng dường như bằng 0 từ một điểm quan sát ở xa.

Trường tương đối tính được mô tả trong định luật Faraday rất quan trọng để hiểu về EMI. Mọi điện tích đều sở hữu một trường Coulomb, nhưng khi các điện tích chuyển động (tương đối) và tăng tốc, sẽ có hai trường điện bổ sung góp phần vào trường điện tổng. Chuyển động và gia tốc làm xoắn trường Coulomb thành tổng của ba thành phần. Khi các điện tích chuyển động tương đối so với các điện tích khác, thuyết tương đối hẹp sẽ nén không gian đủ để các mạch điện trung hòa điện thông thường phát triển một điện tích ròng. Về mặt toán học, hiện tượng này được gọi là từ tính, nhưng một trường điện thực sự được tạo ra do chuyển động tương đối này. Trường điện thứ ba và cũng là trường điện cuối cùng được tạo ra từ gia tốc của các điện tích và hướng vuông góc với gia tốc ban đầu (nhưng ngược hướng). Năng lượng chứa trong hai trường bổ sung này khác với năng lượng được lưu trữ trong trường Coulomb. Cả trường từ và trường E ngang đều tương đối tính. Điều này có nghĩa là năng lượng được lưu trữ có thể phụ thuộc vào tình huống. Nó chỉ thực tế từ góc độ trực giao theo chiều, và điều này dẫn đến hệ quả thú vị là loại bỏ một tọa độ không gian. Trong khi năng lượng trường Coulomb được lưu trữ trong không gian ba chiều, thì năng lượng của trường ngang này lại hiện diện và được lưu trữ trong không gian hai chiều. Theo định luật Faraday, điều này có nghĩa là tích phân đường của E xung quanh bất kỳ quỹ đạo khép kín nào sẽ khác không khi có trường ngang này (khi các điện tích đang tăng tốc). Điều này cũng có nghĩa là năng lượng suy giảm ít mạnh hơn theo khoảng cách so với trường Coulomb, lan truyền theo diện tích bề mặt chứ không phải theo thể tích. Trường ngang từ điện tích đang tăng tốc sẽ tạo ra một trường đối lập cũng tác động lên điện tích.

Mạch Cộng Hưởng

Bên cạnh các đường truyền không hoàn hảo, PCB trung bình cũng chứa đầy các mạch cộng hưởng. Đây là tất cả các kết nối analog cần thiết, bao gồm các mạng lưới đầu vào/đầu ra của bộ khuếch đại thuật toán, các kết nối nguồn điện chuyển mạch, các đường dẫn đo lường, v.v. Vấn đề là chúng không khác biệt so với các đường truyền đối với hầu hết các nhà thiết kế. Chúng ta có thể biến đường truyền được kết thúc đúng cách ở trên thành một mạch cộng hưởng bằng cách kết thúc đường truyền bằng một tụ điện (hoặc một điểm ngắn mạch) thay vì một điện trở. Sau thay đổi đơn giản này, toàn bộ mạch giờ chỉ bao gồm các phần tử phản kháng—cụ thể là L và C từ đường truyền và các đầu nối điện dung hoặc cảm ứng. Nếu đường truyền đủ dài hoặc đầu nối điện dung đủ lớn, mạch này có thể cộng hưởng đủ thấp để ảnh hưởng đến phát xạ. Điều này đặc biệt đúng nếu dòng điện trong đường truyền cao. Dòng điện cao hơn luôn dẫn đến nhiều bức xạ hơn.

Đối với một đường truyền được kết thúc đúng cách, năng lượng chỉ di chuyển xuống đường truyền một lần cho mỗi cạnh. Ngay cả đối với các đường truyền dài ở 0,66 C, đoạn bức xạ nhỏ đó cũng không tồn tại lâu, ngay cả đối với các mạch PCB rất dài. Xem Hình 1. Ngược lại, mạch cộng hưởng không có bất kỳ lực cản nào để tiêu tán năng lượng nên một bước đầu vào duy nhất sẽ khiến đường dây cộng hưởng ở 1/2π√LC cho đến khi năng lượng bị bức xạ đi.

Hình 1. Đối với một đường truyền được kết thúc đúng cách, bức xạ sẽ xuất hiện tại nơi tín hiệu đang chuyển tiếp do dòng điện dịch chuyển của điện trường thay đổi.

Mạch cộng hưởng gây nhiều phiền toái nhất là mạch vòng nóng trên bộ nguồn chuyển mạch. Hình 2 cho thấy hai sơ đồ bố trí bộ nguồn chuyển mạch. Hầu hết các kỹ sư sẽ coi sơ đồ thứ hai là một sơ đồ tốt nhưng thực tế không phải vậy. Mạch vòng nóng là một mạch cộng hưởng Q cao bao gồm một số liên kết điện trở thấp được kết nối ở một đầu với nguồn trở kháng rất thấp (điện dung cao), trong khi đầu kia được kết nối với các MOSFET buck như minh họa. Mạch đơn giản hóa và mô phỏng được thể hiện trong Hình 3. Mặc dù có vẻ như một vài nanohenry và 400 pF của các Cd MOSFET thấp hơn sẽ không cộng hưởng tốt trong dải tần số CISPR loại B, nhưng chúng thực sự có. Mạch này là cơn bão hoàn hảo cho nhiễu:

• Mạch cộng hưởng nằm trong vùng tuân thủ EMI.
• Đây là mạch cộng hưởng nối tiếp sẽ bị ngắn mạch tại điểm cộng hưởng (tối đa hóa dòng điện) và được điều khiển bằng nguồn điện áp có độ tự cảm thấp.
• Mạch được điều khiển bằng sóng vuông điện áp cao với hàm lượng sóng hài đáng kể gần với tần số cộng hưởng. Luôn có hàm lượng sóng hài gần tần số cộng hưởng.
• Vì mạch có điện trở thực Q cao (điện trở thực rất thấp), năng lượng tiếp tục di chuyển qua lại giữa cuộn cảm và tụ điện cho đến khi toàn bộ năng lượng được bức xạ ra ngoài.
• Điốt thân chậm, điện dung rất cao (cao hơn Cds) của MOSFET đồng bộ sẽ tối đa hóa dòng điện ban đầu khi công tắc bật. Ví dụ, đối với bộ chuyển đổi buck có VIN = 48 V, điốt thân có thể chịu được 48 V chỉ trong vòng 1 ns. Đối với Cds = 400 pF (không tính độ tự cảm và điện tích phục hồi ngược trong điốt thân dẫn của công tắc đồng bộ), dòng điện ban đầu khi đó sẽ là I = Cdv/dt hoặc ~20 A. Dòng điện này chỉ bị giới hạn bởi L.

Hình 2. Hình bên trái cho thấy sơ đồ mạch vòng nóng không chính xác của LT8641A. Mạch vòng được tô sáng sẽ dễ dàng cộng hưởng dưới 1 GHz. Hình bên phải là ví dụ về sơ đồ mạch vòng nóng tốt của bộ nguồn chuyển mạch.

Hình 3. Mô phỏng ở trên cho thấy tầm quan trọng của việc quản lý độ tự cảm vòng nóng. Lưu ý rằng một vòng nóng 8 nH có thể cộng hưởng ở tần số 88 MHz. Bức xạ từ vòng này có thể rất đáng kể mặc dù vòng này nhỏ về mặt điện (do dòng điện cao).

Vì dòng điện ban đầu rất cao, nên cuối cùng sẽ có năng lượng đáng kể tại các sóng hài gần tần số cộng hưởng của mạch. Đây là lý do tại sao các lỗi phát xạ có thể được nhìn thấy ở hầu hết mọi nơi từ cùng một bộ điều khiển buck hoạt động ở cùng tần số cho các thiết kế khác nhau. Vị trí phát xạ phụ thuộc vào vị trí mạch cộng hưởng LC nối tiếp bị ngắn mạch và lượng dòng điện hài hiện diện. Việc giảm dòng điện ở tần số cơ bản (hạ điện áp) hoặc giảm tần số cơ bản của bộ nguồn chế độ chuyển mạch (SMPS) (chạy bộ biến đổi ở tần số thấp hơn) sẽ hữu ích, vì điều đó sẽ làm giảm sóng hài gây khó chịu. Việc giảm tốc độ dịch chuyển xuống thấp hơn tần số cộng hưởng cũng sẽ cải thiện vấn đề. Xem Hình 3. Để tránh vấn đề này, có thể tăng tần số của mạch cộng hưởng này (đây là cách loại bỏ vòng nóng). Ở tần số cộng hưởng cao hơn, hàm lượng hài hòa sẽ thấp hơn nhiều (xem Hình 4) và cuộn cảm và tụ điện nhỏ hơn sẽ lưu trữ ít năng lượng hơn.

Hình 4. Phân tích Fourier của sóng vuông không hoàn hảo chứa năng lượng tại mỗi hài bậc lẻ. Dạng sóng thực tế này cũng có hai điểm nhiễm. Một tại f = 2 fc/(π) (20 dB/dec), và một tại 1/(π)tr(40 dB/dec).

Vấn đề tương tự cũng tồn tại trong mạch bật cổng ở mức độ nhỏ hơn nhiều. Trong mạch này, có thể thêm 10 Ω điện trở cổng để làm giảm độ tự cảm của mạch và các linh kiện có thể được đặt gần nhau hơn, giúp giảm độ tự cảm, tạo ra vòng lặp tần số cộng hưởng cao hơn được làm giảm độ tự cảm tốt hơn.

Điều quan trọng cần lưu ý là hệ thống nguồn DC trên bo mạch cần được xây dựng với các đường truyền trở kháng thấp. Với trở kháng đường truyền bằng √L/C, trở kháng đặc tính thấp ngụ ý L nhỏ và C cao, được xây dựng với khoảng cách nhỏ giữa đường cung cấp và đường hồi tiếp đất. Hình dạng này cung cấp đường ống năng lượng lớn hơn cho tất cả các mạch nhận công suất. Do các dây dẫn rất gần nhau, cấu trúc này sẽ tạo ra từ trường ngoài rất thấp, và từ trường bị giới hạn sẽ cao hơn nhiều vì toàn bộ từ trường cần tồn tại trong một thể tích nhỏ hơn. Với điện trường cũng cao do lớp điện môi mỏng, dòng công suất, P = ExH, như được mô tả bởi vectơ Poynting, cũng sẽ lớn. Chỉ có thể cải thiện điều này bằng cách giảm trở kháng của bo mạch với nhiều cặp lớp nguồn và mặt đất vì có những hạn chế trong quá trình chế tạo PCB. Lưu ý rằng các đường trở kháng đặc trưng cao hơn vẫn có thể truyền tải một lượng lớn năng lượng. Tuy nhiên, cần nhiều diện tích hơn để thực hiện điều này vì cùng một mức điện áp và dòng điện sẽ dẫn đến các trường E và H nhỏ hơn trong điện môi. Độ tự cảm lớn hơn sẽ mất nhiều thời gian hơn để thay đổi năng lượng được lưu trữ (dòng tải cao hơn) trong khi điện áp đường dây trên điện dung hoàn toàn không thay đổi đối với nguồn cung cấp cố định này. Tất cả điều này có nghĩa là đường có độ tự cảm thấp hơn linh hoạt hơn khi thay đổi dòng công suất nhanh chóng. Nhìn lại danh sách các thách thức phổ biến về bố trí PCB được chia sẻ trong phần giới thiệu, thật dễ dàng để thấy những khiếm khuyết này có thể vô tình xuất hiện trong các ví dụ trên. Trong bố trí, việc ngắt đường truyền tạm thời bằng cách thay đổi lớp là điều thường gặp. Sự thay đổi lớp này có thể dễ dàng tạo ra một đoạn đường truyền (khoảng cách via) không có dòng điện trở về gần trừ khi có một via nối đất được đặt liền kề. Với các bo mạch nhiều lớp, thiết kế có thể bị ảnh hưởng do việc cung cấp nhiều hơn một lớp tín hiệu cho một mặt phẳng đất duy nhất. Trong một bo mạch nhỏ gọn, các đường tín hiệu có thể được chạy song song trên một khoảng cách dài trên một mặt phẳng đất chung. Bất kỳ phương pháp nào trong số này đều sẽ cho phép các trường từ các tín hiệu khác nhau hòa trộn gây nhiễu. Cuối cùng, giống như via được mô tả ở trên, đường truyền vi dải không cách ly từ trường ở cạnh trước của đường truyền tín hiệu. Năng lượng này có thể bức xạ tự do trong mặt phẳng của bo mạch. Trong Phần 3, các chiến lược bố trí PCB sẽ được thảo luận để giúp thiết kế loại bỏ càng nhiều khiếm khuyết này càng tốt. Ngoài ra, một ví dụ thứ ba (cung cấp điện) sẽ được bổ sung vào hai ví dụ được trình bày trong bài viết này.

Kết luận

Bài viết đầu tiên trong loạt bài này trình bày quan điểm định hướng trường về bố trí và đề cập đến các nguyên lý vật lý cơ bản hỗ trợ cho chiến lược bố trí được trình bày. Bài viết thứ hai này minh họa cách một danh sách ngắn các phương pháp bố trí phổ biến có thể gây nhiễu điện từ (EMI) và tạo ra nhiễu chỉ bằng hai ví dụ về kết nối PCB, đường truyền và mạch cộng hưởng. Một bố trí không hoàn hảo có thể gây nhiễu và EMI từ bất kỳ nguồn nào trong số này ngay cả khi dòng điện trong mạch thấp, tùy thuộc vào vị trí của mạch bị ảnh hưởng, số lượng đường truyền liên quan và cường độ dòng điện trong mạch (chẳng hạn như vòng lặp nóng trong SMPS). Các kỹ thuật được sử dụng để quản lý EMI và nhiễu cũng sẽ cải thiện khả năng PCB bị ảnh hưởng bởi các trường được tạo ra bên ngoài. Cuối cùng, cách mạch cộng hưởng thường được sử dụng, chỉ bao gồm các thành phần phản kháng, sẽ cộng hưởng, khai thác các điểm không hoàn hảo đã được thảo luận để bức xạ năng lượng.

Bài viết tiếp theo trong loạt bài này sẽ giới thiệu một loại mạch cuối cùng (cung cấp điện) và trình bày một chiến lược bố trí PCB bao gồm cả cung cấp điện và tín hiệu cho một PCB phức tạp.

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., Martin Graham. High-Speed Digital Design A Handbook of Black Magic. PTR Prentice Hall, April 1993.

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

Giới thiệu về tác giả Ts. James Niemann

James Niemann gia nhập Analog Devices vào tháng 3 năm 2020 và hiện là kỹ sư ứng dụng thực địa tại Cleveland, Ohio. James có 36 năm kinh nghiệm tổng hợp trong việc thiết kế thiết bị kiểm tra và đo lường, đồng thời làm việc với tư cách là FAE ..