PCB-Designrichtlinien zur Minimierung von HF-Übertragungen

Es gibt bestimmte Designrichtlinien für Leiterplatten, die wenig Sinn ergeben, und Praktiken, die übertrieben und unnötig erscheinen. Oft sind diese durch die schwarze Magie der HF-Übertragung motiviert. Dies ist entweder eine unglückliche und unbeabsichtigte Folge elektronischer Schaltkreise oder eine magische und nützliche Funktion von ihnen, und es wird viel Designzeit darauf verwendet, diese Effekte zu reduzieren, zu entfernen oder sie abzustimmen.

Sie fragen sich, wie wichtig dies für Ihre Projekte ist und ob Sie sich über unbeabsichtigte Strahlungsemissionen Sorgen machen sollten. Auf der Baddeley-Wichtigkeitsskala:

Wenn sich ein Signal über einen Draht bewegt, entsteht im Raum um ihn herum ein elektrisches Feld. Wenn es sich um ein Gleichstromsignal handelt, ändert sich das Feld nicht, es passiert also nichts Aufregendes in der Welt der HF, es ist einfach alles konstant. Reiner Gleichstrom ist sehr selten. Mit Batterien ist das möglich, es sei denn, Sie nehmen eine Schaltspannungsregelung vor, aber alles, was an eine Steckdose angeschlossen ist, hat 50- oder 60-Hertz-Sinuswellen, die dann gleichgerichtet, transformiert, geglättet und in so etwas wie eine Gleichspannung umgewandelt werden . In der Realität (und abhängig von der Qualität der Stromversorgung) wird diese Versorgung wellenförmig sein und kleine Änderungen in der Gleichspannung hervorrufen, wodurch effektiv ein kleines, sich änderndes elektrisches Feld entsteht. Andere Dinge, wie Quarzoszillatoren, Signalleitungen zwischen Chips und Speicherbusse, haben alle wechselnde Spannungssignale, die entlang eines Kabels von einem Ort zum anderen wandern. Daher ist die Elektronik mit Signalen und sich ändernden elektrischen Feldern überflutet. Es sind diese sich verändernden elektrischen Felder, die durch viel Mathematik, die größtenteils von Maxwell, Faraday und Gauss herausgefunden wurde, dazu führen, dass das elektrische Feld zu elektromagnetischer Strahlung wird.

Die Frequenz der Strahlung ist die Frequenz, mit der sich die elektrischen Felder ändern, und es gibt viele Faktoren, die diese beeinflussen. Einer davon ist die Form des Drahtes, durch den sich das elektrische Feld bewegt. Wenn Sie über ein so genanntes Differentialpaar verfügen, heben sich die elektrischen Felder, die über das Kabel verlaufen, gegenseitig auf, was zu nahezu keiner Übertragung führt. Wenn Sie ein Kabel haben, das am anderen Ende nicht angeschlossen ist, kann das Signal über die gesamte Länge wandern und zurückreflektiert werden. Wenn die Länge des Kabels so abgestimmt ist, dass es bei der Reflexion die Welle verstärkt und nicht auslöscht, dann haben Sie eine gute Antenne. Zurück zur Frequenz: Es handelt sich nie um eine perfekte Sinuswelle; Es ist eine Kombination von Wellen unterschiedlicher Frequenz. Ein Antennenempfänger verfügt über eine Elektronik, die diese Frequenzen innerhalb eines Bereichs zerlegt, um ein Signal zu extrahieren. Bei modernen Geräten handelt es sich hauptsächlich um FM, daher gibt es eine Hauptträgerfrequenz, die mit dem Datensignal leicht verändert wird.

Eine Trace-Antenne ist eine Antenne, die aus einem kleinen Streifen Kupferdraht auf der Leiterplatte besteht und zufällig bei bestimmten Frequenzen mitschwingt. Dies könnte beabsichtigt sein, wie etwa bei einem F-Antennendesign für 2,4-GHz-Transceiver, oder es könnte versehentlich geschehen, wie etwa ein Erdguss, der zu einem langen, dünnen Streifen führt. Um dies zu vermeiden, untersuchen Sie Ihre Bodenschüttungen sorgfältig auf Spuren, die nirgendwohin führen. Entfernen Sie sie entweder oder fügen Sie eine Durchkontaktierung ein, damit die Leiterbahn nicht mitschwingen kann. Halten Sie Ihren Boden so flach wie möglich. Je mehr Finger Sie haben und je mehr Sie es schneiden, dehnen und trennen, desto mehr unbeabsichtigte Strahlung entsteht. Als allgemeine Regel gilt: Verwenden Sie keine Kabel, die nicht an beiden Enden angeschlossen sind, es sei denn, Sie bauen absichtlich eine Antenne. Dies kann für Board-IO gelten, die nicht angeschlossen sind. Denn wenn an diesem IO-Anschluss nichts angeschlossen ist, ist es nur eine Spur, die ins Nichts führt. Wenn Ihr Mikrocontroller intelligent genug ist, um zu erkennen, wenn ein Kabel abgezogen wird, senden Sie keine Signale über dieses Kabel. Binden Sie alle Ihre ungenutzten E/As an die Erde.

Eine Leiterbahn, die sich in der Nähe der Platinenkante und weiter von einer Masseebene entfernt befindet, strahlt mehr elektromagnetische Störungen aus. Unter Via-Stitching versteht man das Anbringen eines Ringes aus Vias, die mit der Masseebene rund um den Rand der Leiterplatte verbunden sind (oder so weit wie möglich). Sie können die Seiten einer Signalleiterbahn auch mit Durchkontaktierungen auskleiden, um EMI von der Leiterbahn zu reduzieren. Darüber hinaus sollte eine gesunde Menge an Durchkontaktierungen die Erdung mit der Erdungsebene verbinden (wenn Sie eine separate Erdungsschicht auf einer 4-Lagen-Platine haben oder Ihre 2-Lagen-Platine größtenteils auf der Unterseite geerdet ist). Dies verhindert unbeabsichtigte Antennen und stellt außerdem sicher, dass die gesamte Erde immer auf dem gleichen Potenzial bleibt.

Die Datenblätter für Mikrocontroller und Leistungsregler enthalten Entkopplungs- oder Bypass-Kondensatoren, die an die Leistungspins angeschlossen sind. Diese Chips verbrauchen nicht ständig die gleiche Menge Strom; Sie variieren geringfügig, während der Chip seine Aufgabe erfüllt, und benötigen manchmal kurzzeitig einen Stromstoß. Dies würde wie ein sich schnell änderndes Signal an den Stromanschlüssen aussehen. Der Zweck der Entkopplungskappe besteht darin, ein kleines Stromreservoir direkt neben diesen Stromanschlüssen zu schaffen, sodass der Kondensator bei starken und schnellen Schwankungen des Chips diesen Strombedarf glätten kann, ohne dass sich diese schnelle Änderung über alle Stromleiterbahnen ausbreitet. Die Ferritperle wird normalerweise beim Anschluss eines Schaltnetzteils an die Leistungsebene verwendet, da sie das Rauschen von der Versorgung isoliert und daher (zusammen mit einem Entkopplungskondensator) neben dem Netzteilausgang platziert wird.

Warum sollte man einen Draht länger machen, als er sein muss? Manchmal muss man einen Trace zwingen, einen ziemlichen Umweg (heehee) zu nehmen, um von einem Kontakt zum anderen zu gelangen. Bei dieser Regel geht es eher darum, Prioritäten zu setzen, welche Routen kürzer werden und welche länger sein können. Im Allgemeinen gilt: Je schneller sich das Signal auf dem Kabel ausbreitet, desto höher ist die Priorität und desto kürzer ist die ideale Leiterbahnlänge. Der Kristall sollte so nah wie möglich am Mikrocontroller sein, wobei die Drähte direkt zwischen beiden verlaufen sollten. Jeder zusätzliche Millimeter führt zu einer stärkeren Veränderung des elektrischen Feldes und zu mehr Emissionen. Ein UART kann viel längere Kabel haben, da sich das Signal nicht so schnell ändert und die positiven Spannungsschienen sich überall hin- und herbewegen können. Dies ist auch deshalb eine gute Vorgehensweise, weil schnellere Signale bedeuten, dass Sie weniger Abstand zwischen den Komponenten benötigen, um die Latenz zu minimieren, aber auch die Verhinderung von Funkfrequenzen ist wichtig.

Da Ihre Leiterplatte über einige Kabelverbindungen oder Platinen-zu-Platinen-Verbindungen oder Chip-zu-Chip-Verbindungen verfügen wird, jeweils mit möglicherweise langen Leiterbahnen, können Sie die Leiterbahnen etwas filtern, um deren Rauschen zu reduzieren, indem Sie Widerstände in Reihe schalten und einen Bypass-Kondensator verwenden so nah wie möglich an der Rauschquelle (normalerweise dem Mikrocontroller) zu erden.

Diese sind sehr laut und je billiger sie sind, desto mehr Abkürzungen werden genommen. Sie senden nicht nur HF-Strahlung mit Oberwellen von 50/60 Hz aus, sondern das Schaltnetzteil, das normalerweise mit Frequenzen im Hunderter-KHz-Bereich arbeitet, ist auch für einen erheblichen Teil des Rauschens verantwortlich. Dann ist der Ausgang möglicherweise nicht sehr stabil, sodass viel Rauschen über das Kabel wandert und abgestrahlt wird, bis es Ihr Projekt erreicht, das dann mit verrauschter Leistung arbeitet. Ganz zu schweigen von den Sicherheitsbedenken billiger Netzteile.

Eine Sache, die keinen Unterschied macht, sind Winkel in Spuren. Es stellt sich heraus, dass selbst über 1 GHz hinaus 90-Grad-Winkel in Leiterbahnen keine messbaren Unterschiede zu anderen Winkeln bei abgestrahlter elektromagnetischer Strahlung aufweisen.

Wenn Sie einen ausführlicheren Anwendungshinweis zum PCB-Layout zur Reduzierung von Emissionen wünschen, lesen Sie das Whitepaper von TI zu diesem Thema. Sehen Sie sich auch unseren Leitfaden zur Vorbereitung Ihres Produkts für die FCC an.