PCB mungkin berfungsi sempurna selama pengembangan, namun gagal dalam pengujian EMC karena interferensi elektromagnetik (EMI) yang berlebihan. Ketika hal ini terjadi, banyak insinyur segera mencoba menambahkan manik-manik ferit, kapasitor, pita pelindung, atau memodifikasi penutupnya. Terkadang perbaikan ini berhasil, namun sering kali tidak berhasil-karena penyebab utama terletak pada desain PCB itu sendiri.

Di sebagian besar sistem digital, masalah EMI dapat ditelusuri kembali ke tiga faktor mendasar:

• Sinyal jam
• Komponen harmonik
• Kembalikan jalur saat ini

Memahami ketiga elemen ini di awal proses desain dapat secara signifikan meningkatkan peluang Anda untuk lulus pengujian EMC tanpa desain ulang yang mahal.

Mengapa Sinyal Jam Merupakan Sumber EMI Utama

Sinyal jam bersifat periodik, artinya energinya terkonsentrasi pada frekuensi tertentu dan bukan didistribusikan secara acak.

Pada saat yang sama, garis jam biasanya memiliki:

• Tepi naik dan turun dengan cepat
• Kemampuan mengemudi yang kuat
• Aktivitas peralihan terus menerus

Bersama-sama, karakteristik ini menjadikan jejak jam sebagai salah satu sumber radiasi elektromagnetik terkuat pada PCB.

Bayangkan sinyal jam sebagai pemancar energi berkelanjutan. Jika jalur baliknya dirancang dengan buruk atau jejaknya menjadi panjang secara elektrik, maka ia dapat dengan mudah berperilaku seperti antena.

Frekuensi Jam Bukanlah Keseluruhan Cerita-Harmonik Lebih Penting

Banyak insinyur berasumsi bahwa masalah EMI berasal dari frekuensi dasar jam. Kenyataannya, harmonik-tingkat tinggi sering kali menjadi penyebabnya.

Misalnya:

• Frekuensi jam:100MHz
• Kegagalan EMI dapat terjadi pada:
  • 300MHz
  • 500MHz
  • atau bahkan frekuensi yang lebih tinggi

Gelombang persegi ideal mengandung harmonik ganjil tak terhingga (ke-3, ke-5, ke-7, dst.). Meskipun sinyal nyata bukanlah gelombang persegi sempurna, sinyal tersebut masih menghasilkan energi harmonik yang signifikan yang berkontribusi terhadap emisi EMI.

Masalah Perutean Jam yang Umum

Perutean jam yang buruk dapat dengan mudah mengubah jejak sinyal menjadi radiator yang efisien.

Kesalahan umum meliputi:

Panjang Jejak Berlebihan

Semakin panjang jejak jamnya, semakin kuat efek antenanya. Radiasi menjadi sangat signifikan ketika jejaknya mendekati-seperempat panjang gelombang sinyal.

Referensi Tanah Tidak Lengkap

Jika jejak jam melintasi bidang yang terbelah atau mengubah lapisan tanpa memberikan jalur balik yang sesuai, arus balik harus memutar, menciptakan putaran arus besar yang meningkatkan radiasi.

Kekuatan Pengemudi Terlalu Kuat

Memilih buffer jam-drive tinggi dapat meningkatkan margin waktu namun juga menghasilkan tepi sinyal yang lebih tajam, memperkenalkan lebih banyak komponen-frekuensi tinggi dan membuat EMI lebih sulit dikendalikan.

Praktik Terbaik untuk Mengurangi EMI Jam

Beberapa teknik desain dapat secara efektif mengurangi-emisi terkait jam:

Memperlambat Tarif Tepi

Jika waktunya memungkinkan, gunakan driver dengan laju perubahan tegangan yang lebih lambat atau tambahkan aResistor seri 22–33 Ωdekat sumber jam untuk memperhalus transisi sinyal.

Pertahankan Jejak Jam Singkat

Tempatkan sumber jam dekat dengan bebannya bila memungkinkan. Untuk transmisi-jarak jauh, standar jam diferensial sepertiLVDSdapat secara signifikan mengurangi-radiasi mode umum.

Pertahankan Referensi Tanah Berkelanjutan

Jejak jam harus selalu melewati bidang tanah yang tidak terputus. Saat mengganti lapisan, letakkan via tanah di dekat via sinyal untuk menyediakan jalur balik-impedansi rendah.

Pertimbangkan Spread Spectrum Clocking (SSC)

Teknologi spektrum tersebar sedikit memodulasi frekuensi clock, mendistribusikan energi melalui bandwidth yang lebih luas alih-alih memusatkannya pada frekuensi diskrit, sehingga menurunkan emisi puncak.

Harmonisa: Penguat EMI Tersembunyi

Setiap sinyal periodik non-sinusoidal dapat diuraikan menjadi frekuensi dasar ditambah beberapa harmonik.

Sinyal digital seperti gelombang persegi secara alami mengandung banyak komponen harmonik.

Aturan teknik yang berguna adalah:

Bandwidth ≈ 0,35 / Waktu Naik

Misalnya, jika waktu bangunnya adalah1 hal, bandwidth efektif meluas hingga kira-kira350MHz, artinya ada energi besar di seluruh rentang frekuensi ini.

Bagaimana Harmonisa Menyebabkan Masalah EMI

Perkalian Frekuensi

A 50MHzjam menghasilkan:

• Harmonik ke-3 → 150 MHz
• Harmonik ke-5 → 250 MHz
• Harmonik ke-7 → 350 MHz

Jika frekuensi ini bertepatan dengan pita pengukuran EMC, emisi dapat melebihi batas peraturan.

Superposisi Harmonik

Beberapa sumber jam pada papan yang sama dapat menghasilkan harmonik yang saling tumpang tindih atau memperkuat satu sama lain, sehingga menghasilkan tingkat radiasi tinggi yang tidak terduga.

Metode untuk Mengontrol EMI Harmonik

Kurangi Kecepatan Tepi

Transisi yang lebih lambat secara alami menekan-konten harmonis berfrekuensi tinggi.

Terapkan-Pemfilteran Lulus Rendah

Filter RC atau butiran ferit yang ditempatkan dekat dengan sumber sinyal dapat melemahkan komponen-frekuensi tinggi yang tidak diinginkan.

Lebih menyukai Sinyal Diferensial

Pasangan diferensial menghasilkan medan elektromagnetik berlawanan yang sebagian besar saling meniadakan, sehingga mengurangi radiasi secara signifikan dibandingkan dengan sinyal{0}}berakhir tunggal.

Kembalikan Jalur Saat Ini: Faktor yang Sering Diabaikan

Setiap arus sinyal pada akhirnya harus kembali ke sumbernya.

Untuk sinyal-berkecepatan tinggi, arus baliklah yang berperanbukancukup ikuti rute fisik terpendek. Sebaliknya, ia mengikuti jalurimpedansi terendah, biasanya tepat di bawah jejak sinyal pada bidang referensi.

Semakin kecil area loop yang dibentuk oleh sinyal dan arus baliknya, semakin rendah EMI yang terpancar.

Apa Yang Terjadi Jika Jalur Kembali Terganggu?

Beberapa praktik tata letak PCB dapat mengganggu arus balik:

Menyeberangi Pesawat Terpisah

Ketika sinyal melintasi celah antara bidang referensi, arus balik harus memutar, sehingga meningkatkan luas loop dan radiasi.

Transisi Lapisan Tanpa Vias Tanah

Jika suatu sinyal berpindah lapisan tanpa melalui jalur jahitan di dekatnya, arus balik tidak dapat mengikuti secara efisien dan harus mencari jalur alternatif.

Kepadatan Melalui Berlebihan

Terlalu banyak vias yang melubangi bidang referensi mengurangi integritasnya, memaksa arus balik ke rute yang lebih panjang.

Dalam setiap kasus, loop arus yang lebih besar berperilaku seperti antena loop yang lebih besar, sehingga meningkatkan emisi EMI.

Bagaimana Mempertahankan Jalur Pengembalian yang Efektif

Desain PCB yang baik harus mengikuti prinsip-prinsip berikut:

• Hindari merutekan-sinyal berkecepatan tinggi melintasi bidang yang terpisah.
• Tambahkan ground stitching vias setiap kali sinyal berganti lapisan.
• Pertahankan bidang referensi kontinu di bawah garis kritis.
• Pertahankan kontinuitas impedansi sepanjang-perutean kecepatan tinggi.

Praktik-praktik ini secara bersamaan meningkatkan integritas sinyal dan mengurangi EMI.

Contoh Praktis: Mengatasi Kegagalan EMI 150 MHz

Dewan kendali industri melampaui batas EMC sebesar6 dB pada sekitar 150 MHz.

Penyelidikan

• PCBnya menggunakan aOsilator kristal 25 MHz.
• Ituharmonik ke-6berhubungan erat dengan frekuensi kegagalan.
• Jejak jam diukur sekitar5 cmdan melintasi celah-bidang kekuatan.

Tindakan Korektif

• Memperpendek jejak menjadi2 cm
• Menghilangkan perutean melintasi bidang terpisah
• Ditambahkan aResistor seri 33 Ω
• Meletakkan ground vias di samping lapisan-transition via

Hasil

Emisi di150 MHz berkurang sekitar 8 dB, memungkinkan produk berhasil lulus pengujian EMC.

Kesimpulan

Sebagian besar kegagalan EMI pada akhirnya dapat ditelusuri ke tiga faktor desain utama:

Sinyal Jam

• Sumber radiasi periodik yang kuat
• Jaga agar jejak tetap singkat
• Pertahankan referensi tanah secara terus menerus
• Pertimbangkan pencatatan jam kerja spektrum tersebar

Harmonisa

• Harmoni{0}}frekuensi tinggi sering kali mendominasi kegagalan EMI
• Tingkat tepi yang lambat
• Terapkan pemfilteran
• Lebih menyukai pensinyalan diferensial

Kembalikan Jalur Saat Ini

• Jalur kembali yang rusak menciptakan loop memancar yang besar
• Hindari pesawat terbelah
• Tambahkan vias jahitan tanah
• Pertahankan bidang referensi berkelanjutan

Strategi EMI terbaik adalah pencegahan daripada koreksi.Mengatasi prinsip-prinsip ini selama desain skema dan tata letak PCB jauh lebih mudah-dan jauh lebih murah-dibandingkan mendesain ulang board setelah gagal dalam pengujian EMC.