Trong mạch in (PCB), có nhiều yếu tố có thể gây ra nhiễu điện từ (EMI). Ví dụ: tần số vô tuyến Dòng điện, điện áp chế độ chung, vòng lặp đất, sự không khớp trở kháng và dòng từ. Để kiểm soát EMI, chúng ta cần tìm hiểu các nguyên nhân này từng bước một và xem chúng ảnh hưởng đến bảng mạch như thế nào. Chúng ta có thể nghiên cứu toán học từ lý thuyết điện từ. Nhưng con đường đó dài và khó khăn. Đối với đa số kỹ sư, những lời giải thích rõ ràng và đơn giản sẽ hữu ích hơn. Bài viết này sẽ đề cập đến: các “nguồn trường điện” trên bảng mạch in (PCB), cách sử dụng các phương trình Maxwell, và ý tưởng giảm thiểu dòng từ.
1. Nguồn của trường điện
1.1 Mô hình điện cực điện (thay đổi theo thời gian)
Nguồn của trường điện thường được mô hình hóa như một lưỡng cực điện biến đổi theo thời gian. Đây là khái niệm trái ngược với nguồn từ. Lưỡng cực điện có nghĩa là hai điện tích điểm đối lập, gần nhau và thay đổi theo thời gian. Hai đầu của lưỡng cực thể hiện sự thay đổi về điện tích. Điều này xảy ra vì dòng điện chảy dọc theo toàn bộ chiều dài của lưỡng cực. Bạn có thể mô hình hóa một nguồn điện bằng cách cấp tín hiệu dao động cho một ăng-ten không có đầu cuối. Mạch này cho thấy cách một nguồn điện hoạt động. Nhưng bạn không thể giải thích điều này chỉ bằng các khái niệm mạch tần số thấp.
Đừng quên rằng tốc độ truyền tín hiệu không phải là vô hạn. Tốc độ này phụ thuộc vào hằng số điện môi của các vật liệu không từ tính. Vì tốc độ là hữu hạn, dòng điện RF sẽ xuất hiện trong mạch. Một số người cho rằng dây dẫn có cùng điện áp tại mọi điểm và mạch luôn ở trạng thái cân bằng tại mọi thời điểm. Điều này không đúng ở tần số RF.
1.2 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến trường điện từ
Trường điện từ của một lưỡng cực điện phụ thuộc vào bốn yếu tố:
- Độ lớn dòng điện trong vòng lặp: Trường điện từ tỷ lệ thuận với dòng điện chạy qua lưỡng cực.
- Polarity của ăng-ten lưỡng cực và ăng-ten đo lường: Polarity của ăng-ten lưỡng cực phải trùng khớp với polarity của ăng-ten đo lường. Điều này tương tự như một nguồn từ tính.
- Kích thước lưỡng cực: Trường điện từ tỷ lệ thuận với chiều dài của phần tử dòng điện. Tuy nhiên, chiều dài của dây phải chỉ là một phần của bước sóng. Lưỡng cực càng lớn, tần số đo được tại ăng-ten càng thấp. Đối với một kích thước nhất định, ăng-ten sẽ cộng hưởng ở một tần số cụ thể.
- Khoảng cách: Trường điện từ và từ trường có mối liên hệ với nhau. Độ mạnh của chúng phụ thuộc vào khoảng cách. Ở vùng xa, hành vi của trường giống như một nguồn từ trường dạng vòng và bạn quan sát được sóng điện từ phẳng. Gần nguồn điểm, sự phụ thuộc của trường vào khoảng cách trở nên mạnh hơn.
1.3 Mối quan hệ giữa vùng gần và vùng xa
Vùng gần và vùng xa bao gồm cả thành phần từ và điện. Tất cả các sóng đều kết hợp cả thành phần từ và điện. Sự kết hợp này được gọi là vectơ Poynting. Trên thực tế, không có sóng điện thuần túy hay sóng từ thuần túy. Chúng ta có thể đo được sóng phẳng vì, đối với một ăng-ten nhỏ cách xa vài bước sóng, mặt sóng trông giống như một mặt phẳng.
Một bản vẽ nhỏ có thể hữu ích. Nó sẽ thể hiện trở kháng sóng và khoảng cách. Các nhãn sẽ ghi: trở kháng sóng; vùng ưu thế trường điện với E = 1/r và H = 1/r²; sóng phẳng với Z = 377 Ω; đường tiệm cận; hình dạng thực; vùng ưu thế trường từ; khu vực chuyển tiếp; vùng gần trường H = 1/r³, E = 1/r²; vùng xa trường; trục ngang 0.1, 0.5, 1.0, 5.0.
Đây là “hình dạng” vật lý mà ăng-ten quan sát được. Hãy tưởng tượng việc ném một hòn đá vào sông và quan sát những gợn sóng. Trường điện từ phát ra từ một nguồn điểm với tốc độ ánh sáng. Tốc độ này phụ thuộc vào hằng số điện môi. Đơn vị của trường điện là V/m. Đơn vị của trường từ là A/m. Tỷ lệ E/H là trở kháng không gian tự do. Đối với sóng phẳng trong không gian tự do, trở kháng sóng Z₀ là hằng số. Nó không phụ thuộc vào khoảng cách hoặc nguồn điểm. Sóng phẳng trong không gian tự do truyền năng lượng với đơn vị watt trên mét vuông.
1.4 Kết nối nhiễu và mô hình thành phần rời rạc
Đối với hầu hết các ứng dụng của phương trình Maxwell, chúng ta mô hình hóa sự tương tác nhiễu bằng các thành phần tập trung tương đương. Ví dụ: trường điện biến đổi theo thời gian giữa hai vật dẫn giống như một tụ điện. Trường từ biến đổi theo thời gian giữa hai vật dẫn đó giống như cảm ứng tương hỗ. Một sơ đồ có thể minh họa hai đường dẫn tương tác nhiễu này.
Để các mô hình nhiễu này chính xác, mạch phải có kích thước nhỏ so với bước sóng tín hiệu. Nếu điều đó không đúng, chúng ta vẫn có thể sử dụng mô hình thành phần rời rạc để mô tả EMC. Tại sao? Bởi vì các phương trình Maxwell khó áp dụng trong nhiều trường hợp thực tế do các biên phức tạp. Nếu mô hình rời rạc có vẻ đúng một cách tương đối, nó vẫn hữu ích. Hầu hết các thành phần rời rạc thường hoạt động đáng tin cậy.
Mô hình số không phải lúc nào cũng cho thấy tiếng ồn phát sinh từ các thông số hệ thống. Mô hình có thể là câu trả lời, nhưng các thông số hệ thống có thể không được biết, tìm thấy hoặc hiển thị. Trong số các mô hình có sẵn, mô hình thành phần tập trung thường là lựa chọn thực tế tốt nhất.
1.5 Ý nghĩa đối với thiết kế mạch in (PCB)
Tại sao chúng ta nghiên cứu lý thuyết này? Bố trí mạch in (PCB)Câu trả lời đơn giản: chúng ta phải hiểu cách trường điện từ được tạo ra. Sau đó, chúng ta có thể giảm trường RF trên bảng mạch in (PCB). Điều này có nghĩa là chúng ta phải giảm dòng điện RF trong mạch. Dòng điện RF liên quan đến mạng phân phối tín hiệu, bao gồm việc đi vòng và kết nối. Dòng điện RF cuối cùng tạo ra các hài và nội dung tín hiệu kỹ thuật số khác. Mạng phân phối tín hiệu phải nhỏ nhất có thể. Điều này giảm diện tích vòng lặp dòng điện RF trở về. Quá trình bypass và coupling liên quan đến dòng điện lớn và phải diễn ra qua mạng phân phối nguồn. Theo định nghĩa, mạng phân phối nguồn có diện tích vòng lặp dòng điện RF trở về lớn.
2. Ứng dụng các phương trình Maxwell
2.1 Kết nối các phương trình Maxwell với định luật Ohm
Chúng ta đã giới thiệu các ý tưởng cơ bản của Maxwell ở trên. Nhưng làm thế nào để áp dụng kiến thức vật lý và giải tích này vào EMC trên mạch in (PCB)? Chúng ta phải đơn giản hóa các phương trình của Maxwell để áp dụng chúng cho các đường dẫn trên PCB. Chúng ta có thể liên kết các phương trình của Maxwell với định luật Ohm.
Định luật Ohm trong miền thời gian:
V = I × R.
Định luật Ohm trong miền tần số:
V_rf = I_rf × Z.
Ở đây, V là điện áp, I là dòng điện, R là điện trở và Z là trở kháng (Z = R + jX). RF là năng lượng tần số vô tuyến. Nếu dòng điện RF tồn tại trong một đường dẫn PCB có trở kháng cố định, một điện áp RF sẽ được tạo ra. Điện áp RF tỷ lệ thuận với dòng điện RF. Lưu ý: Trong mô hình sóng, R được thay thế bằng Z. Z là một số phức. Nó bao gồm điện trở (phần thực) và điện dung (phần ảo).
2.2 Công thức trở kháng cho dây dẫn/đường dẫn trên bảng mạch in (PCB)
Có nhiều cách để biểu diễn trở kháng, tùy thuộc vào việc chúng ta xem xét trở kháng sóng phẳng hay trở kháng mạch. Đối với dây dẫn hoặc đường dẫn trên bảng mạch in (PCB), chúng ta sử dụng:
Tần số góc:
ω = 2πf.
Điện cảm cảm ứng:
X_L = 2πfL.
Điện dung phản kháng:
X_C = 1 / (2πfC).
Điện trở:
Z = R + jX_L + 1/(jX_C) = R + jωL + 1/(jωC).
Khi một linh kiện có điện trở và điện cảm đã biết, ví dụ như một hạt ferit trên dây dẫn, một điện trở, một tụ điện hoặc các thiết bị có các thành phần phụ, chúng ta phải xem xét rằng trở kháng thay đổi theo tần số.
2.3 Cơ chế lựa chọn đường dẫn hiện tại
Trên một tần số nhất định (kHz), điện kháng thường lớn hơn điện trở (R). Tuy nhiên, điều này không phải lúc nào cũng đúng. Dòng điện luôn chọn đường dẫn có điện trở nhỏ nhất. Dưới một tần số nhất định (kHz), điện trở có thể là đường dẫn nhỏ nhất. Trên một tần số nhất định (kHz), điện kháng có thể chiếm ưu thế. Nhiều mạch điện hoạt động ở tần số cao hơn kHz, do đó, quan niệm đơn giản “dòng điện chọn đường dẫn có điện trở nhỏ nhất” không còn giải thích đầy đủ cách dòng điện lưu thông trên đường truyền.
Đối với các dây dẫn mang dòng điện có tần số trên 10 kHz, dòng điện sẽ chọn đường dẫn có trở kháng nhỏ nhất. Nếu trở kháng tải được kết nối với dây, cáp hoặc đường dẫn và lớn hơn điện dung song song trên đường truyền, thì cảm ứng sẽ chiếm ưu thế. Nếu tất cả các dây kết nối có tiết diện tương tự, đường dẫn có diện tích vòng lặp nhỏ nhất sẽ có cảm ứng nhỏ nhất. Diện tích vòng lặp càng nhỏ, cảm ứng càng nhỏ. Vì vậy, dòng điện sẽ chảy theo hướng đó.
2.4 Ảnh hưởng của điện cảm nhỏ đến năng lượng RF
Mỗi đường dẫn có trở kháng hữu hạn. Trở kháng cảm ứng của đường dẫn là lý do duy nhất khiến năng lượng RF có thể tồn tại trên bảng mạch in (PCB). Các dây nối dài giữa chip silicon và pad gắn cũng có thể gây ra năng lượng RF. Việc bố trí đường dẫn trên bảng mạch có thể tạo ra trở kháng cao, đặc biệt khi các đường dẫn dài. Một đường dẫn dài có nghĩa là chiều dài khứ hồi của nó cũng dài. Điều này gây ra độ trễ thời gian trong đường dẫn. Một tín hiệu có thể được phát ra trước khi tín hiệu trước đó quay trở lại. Trong miền tần số, một đường dẫn được coi là “dài” khi tổng chiều dài của nó lớn hơn khoảng λ/10 ở tần số hiện diện trong đường dẫn.
Tóm lại: Điện áp RF qua một trở kháng tạo ra dòng điện RF. Dòng điện RF này có thể phát xạ năng lượng vào không gian tự do và vi phạm giới hạn EMC. Các ví dụ này liên kết các phương trình Maxwell với việc bố trí mạch in (PCB) thông qua các phép tính đơn giản.
2.5 Quy tắc tay phải để xác định hướng dòng từ
Maxwell cho biết, dòng điện được tạo ra khi có sự di chuyển của điện tích trên một đường dẫn. Dòng điện tạo ra một trường từ. Các đường sức từ theo dọc theo đường dẫn. Sử dụng quy tắc tay phải để xác định hướng của dòng sức từ. Hướng ngón cái theo hướng của dòng điện. Các ngón tay cuộn lại sẽ chỉ ra hướng của trường từ xung quanh đường dẫn. Một trường từ biến đổi theo thời gian sẽ tạo ra một trường điện từ vuông góc. Phóng xạ tần số vô tuyến (RF) là sự kết hợp của trường từ và trường điện. Các trường này có thể thoát ra khỏi bảng mạch in (PCB) thông qua phóng xạ hoặc dẫn truyền dọc theo các dây cáp kết nối.
Lưu ý rằng trường từ chạy quanh một đường biên vòng kín. Trên bảng mạch in (PCB), nguồn tạo ra dòng điện RF từ nguồn đến tải qua một đường dẫn. Dòng điện RF phải quay trở lại nguồn (theo định luật Ampère). Điều này tạo thành một vòng lặp dòng điện RF. Vòng lặp này không nhất thiết phải là hình tròn, nhưng thường có dạng xoắn ốc. Vì đường dẫn quay trở lại tạo thành một vòng kín, nó tạo ra một trường từ. Trường từ tạo ra một trường điện từ phát xạ. Trong vùng gần, các thành phần từ có thể chiếm ưu thế. Nhưng trong vùng xa, tỷ lệ E/H (điện trở sóng) khoảng 120π Ω, hoặc 377 Ω. Giá trị này không phụ thuộc vào nguồn. Vì vậy, trong vùng xa, có thể sử dụng ăng-ten vòng và bộ thu nhạy để đo thành phần từ. Dòng điện nhận được là E/(120π) trong A/m nếu E là V/m. Bạn cũng có thể đo phần điện từ bằng các công cụ phù hợp trong vùng gần.
2.6 Tầm quan trọng của mạch kín
Một cách nhìn đơn giản khác về RF trên PCB được thể hiện qua các mạch điện điển hình trong các hình vẽ. Sử dụng phân tích miền thời gian và miền tần số. Định luật Kirchhoff và Ampere cho rằng một mạch điện phải có một vòng lặp đóng để hoạt động. Định luật điện áp của Kirchhoff cho rằng tổng điện áp quanh bất kỳ vòng lặp đóng nào là bằng không. Định luật Ampere cho rằng dòng điện tạo ra cảm ứng từ tại một điểm, dựa trên dòng điện và hình học.
Nếu không có mạch kín, tín hiệu không thể truyền từ nguồn đến tải trên đường truyền. Khi công tắc đóng, mạch được hình thành và dòng điện xoay chiều (AC) hoặc một chiều (DC) chảy qua. Trong miền tần số, dòng điện này là năng lượng tần số cao (RF). Không có loại dòng điện riêng biệt trong miền thời gian hoặc miền tần số. Chỉ có một dòng điện tồn tại và chúng ta có thể quan sát nó trong cả hai miền. Đường dẫn trở lại RF phải tồn tại từ tải đến nguồn, nếu không mạch không thể hoạt động. Do đó, cấu trúc PCB phải tuân thủ các định luật Maxwell, Kirchhoff và Ampere.
Tất cả các định luật này đều khẳng định: để mạch điện hoạt động như mong đợi, phải có một mạng lưới vòng kín. Một sơ đồ sẽ minh họa một mạch điện điển hình như vậy. Khi dòng điện đi từ nguồn đến tải, đường dẫn dòng điện trở về phải tồn tại. Đó chính là định luật Kirchhoff và Ampère.
Hình vẽ thứ hai sẽ thể hiện một công tắc và một bộ điều khiển E nối tiếp. Khi công tắc đóng, mạch hoạt động. Nếu công tắc mở, mạch không hoạt động. Trong miền thời gian, tín hiệu mong muốn truyền từ nguồn đến tải. Tín hiệu phải có đường dẫn trở lại, thường qua một tham chiếu đất 0V. Dòng điện RF chảy từ nguồn đến tải và trở lại qua đường dẫn có trở kháng thấp nhất. Thường đường dẫn này là qua một đường dẫn đất hoặc mặt phẳng, một mặt phẳng gương. Sử dụng định luật Ampère để giải thích dòng điện RF.
3. Tối thiểu hóa dòng từ (Tối thiểu hóa dòng từ từ tính)
3.1 Cơ chế tạo ra dòng từ
Trước khi tìm hiểu “cách EMI xuất hiện trên PCB”, chúng ta cần nắm rõ cách các đường từ trường hình thành trên các đường truyền. Dòng từ là khái niệm cốt lõi. Dòng từ hình thành khi dòng điện chạy qua một trở kháng cố định hoặc biến đổi. Trở kháng tồn tại trong các đường dẫn, chân linh kiện, lỗ vias, v.v. Nếu dòng từ tồn tại trên PCB, Maxwell cho rằng các đường dẫn năng lượng RF cũng tồn tại. Những đường dẫn này có thể phát xạ vào không gian tự do hoặc truyền đi qua các dây cáp.
3.2 Nguyên lý hủy dòng từ
Để loại bỏ dòng điện RF trên bảng mạch in (PCB), chúng ta sử dụng phương pháp “hủy từ thông” hoặc “giảm thiểu từ thông”. Các đường từ trường chạy theo một hướng xung quanh đường dẫn. Nếu chúng ta làm cho đường dẫn trở về RF song song và gần với đường dẫn nguồn, thì từ trường của đường dẫn trở về sẽ chạy ngược với từ trường của đường dẫn nguồn. Khi các trường từ chạy theo hướng ngược nhau, chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Nếu từ thông không mong muốn giữa nguồn và đường dẫn trở về bị triệt tiêu hoặc giữ ở mức nhỏ, dòng điện RF bức xạ hoặc dẫn truyền sẽ không tồn tại, trừ khi ở các cạnh nhỏ của đường dẫn. Khái niệm triệt tiêu từ thông rất đơn giản. Tuy nhiên, trong thiết kế, cần lưu ý các bẫy và sai sót nhỏ. Một sai sót nhỏ có thể gây ra nhiều vấn đề phức tạp, khiến việc gỡ lỗi trở nên khó khăn.
Phương pháp hủy từ trường đơn giản nhất là sử dụng mặt phẳng hình ảnh (mặt phẳng gương). Dù bạn bố trí mạch điện tốt đến đâu, trường điện từ và từ trường vẫn luôn tồn tại. Nhưng nếu bạn hủy các đường từ trường, nhiễu điện từ (EMI) sẽ biến mất. Đơn giản như vậy.
3.3 Mẹo tối ưu hóa dòng điện trong thiết kế mạch in (PCB)
Làm thế nào để loại bỏ flux trong thiết kế mạch in (PCB)? Có nhiều mẹo khác nhau. Không phải tất cả đều trực tiếp loại bỏ flux. Một số mẹo phổ biến:
- Sử dụng bảng mạch đa lớp với việc phân bổ lớp chồng đúng cách và kiểm soát trở kháng.
- Đường dẫn tín hiệu đồng hồ gần mặt đất trở lại (trong mạch in nhiều lớp). Đối với mạch in một mặt hoặc hai mặt, sử dụng đường dẫn mặt đất hoặc đường dẫn bảo vệ gần đường dẫn tín hiệu đồng hồ.
- Hướng dòng từ trường từ bên trong các gói nhựa vào điểm tham chiếu 0V để giảm bức xạ của linh kiện.
- Chọn các linh kiện logic một cách cẩn thận để giảm thiểu phổ tần số vô tuyến (RF) mà các linh kiện phát ra. Sử dụng các thiết bị có tốc độ biên chậm hơn khi có thể.
- Giảm điện áp điều khiển RF từ các bộ điều khiển đồng hồ (TTL/CMOS) để giảm dòng điện RF trên các đường dẫn.
- Giảm điện áp nhiễu giữa các lớp nguồn và lớp đất.
- Khi nhiều chân thiết bị chuyển đổi cùng lúc để điều khiển một tải điện dung lớn, hãy đảm bảo cung cấp đủ tụ điện cách ly cho linh kiện.
- Kết thúc đúng cách các đường dẫn tín hiệu đồng hồ và tín hiệu để tránh hiện tượng dao động, vượt quá và thiếu hụt.
- Sử dụng bộ lọc đường truyền dữ liệu và bộ chặn chế độ chung trên các mạng cần thiết.
- Đối với các cáp I/O ngoại vi, hãy sử dụng tụ điện bypass đúng cách (không dùng làm tụ cách ly).
- Đối với các linh kiện phát ra nhiều năng lượng RF chế độ chung, hãy trang bị cho chúng một bộ tản nhiệt có tiếp đất.
3.4 Các nguyên nhân khác gây ra nhiễu điện từ (EMI) trên bảng mạch in (PCB)
Xem danh sách cho thấy dòng từ chỉ là một phần của nhiễu điện từ (EMI) trên bảng mạch in (PCB). Các nguyên nhân khác bao gồm:
- Dòng điện chế độ chung và dòng điện chế độ vi sai giữa mạch và cáp I/O.
- Các vòng lặp đất tạo ra cấu trúc trường từ.
- Các thành phần phát xạ.
- Sự không tương thích trở kháng.
Lưu ý: Hầu hết bức xạ EMI xuất phát từ điện áp chế độ chung. Trên mạch in hoặc mạch điện, các mức điện áp chế độ chung này có thể được chuyển đổi thành các trường điện từ nhỏ.
Kết luận
Để loại bỏ nhiễu điện từ (EMI) trên bảng mạch in (PCB), hãy bắt đầu bằng cách giảm dòng từ. Nói thì dễ, nhưng làm thì khó. Năng lượng tần số vô tuyến (RF) là vô hình và khó phát hiện. Bằng cách xác định vị trí dòng điện RF chảy và hướng chảy của nó, kết hợp với các mẹo trên và các định luật của Maxwell, Kirchhoff và Ampere, bạn có thể thu hẹp khu vực nghi ngờ. Sau đó, xác định nguồn nhiễu EMI thực sự và loại bỏ nó.
