فیلم آموزش EMC/EMI و کاهش نویز در PCB – جلسۀ 9 طراحی PCB

فیلم آموزش EMC/EMI و کاهش نویز در PCB، جلسۀ نهم فیلم آموزش طراحی PCB یوبرد را به خود اختصاص داده است. یکی از مهمترین موضوعات حوزۀ الکترونیک و مخابرات، نویز است. نویز، سیگنال های تصادفی و ناخواسته است که با سیگنال های اصلی مورد نظر ما جمع می شود و شکل سیگنال اصلی را تغییر می دهد و دچار اعوجاج می کند. موضوع مهم دیگر، EMI است. EMI مخفف Electromagnetic interference و به معنی تداخل الکترومغناطیسی است که در واقع تأثیر ناخواستۀ تشعشعات الکترومغناطیسی بر روی سیستم های الکترونیکی است. EMI نیز نویز به حساب می آید. موضوع مهم دیگر EMC است که مخفف Electromagnetic compatibility و به معنی سازگاری الکترومغناطیسی است. EMC، توانایی سیستم برای داشتن عملکرد مناسب در محیط کاری خود و همچنین عدم تأثیر گذاری بر سیستم های مجاور تعریف می شود. و به موضوعاتی مثل تأثیر گذاری وسایل برقی بر روی یکدیگر از طریق امواج الکترومغناطیسی، روش های مصونیت وسایل برقی در برابر تداخلات الکترومغناطیسی و همچنین میزان امواج الکترومغناطیسی ساطع شده از آنها می پردازد.

ویدئوی 1 – معرفی آموزش EMC/EMI و کاهش نویز در طراحی PCB

قدرت نویز گاهی به اندازه ای است که سیگنال اصلی را دیگر نمی توان استخراج کرد. نویز منابع مختلفی دارد و در سیستم های الکترونیکی به انواع و اقسام مختلفی تقسیم می شود. نویز به طور کلی به دو دستۀ داخلی و خارجی تقسیم می شود. نویزهای داخلی، نویزهایی مانند نویز ناشی از تحریکات حرارتی، نویز ضربه ای، نویز زمانِ گذر، نویز Flicker، نویز پارتیشن و نویز میکسرها و به طور کلی نویز ناشی از فعالیت قطعات به کار رفته در سیستم هستند.

نویز های خارجی به سه دستۀ کلی نویز ناشی از اتمسفر، نویز سماوی  و نویز ساخت بشر (نویز مصنوعی) تقسیم می شوند. منبع نویز ناشی از اتمسفر، تخلیۀ الکتریکی ابرها و دیگر فعالیت های الکتریکی اتمسفر است. نویز سماوی نیز ناشی از تابش خورشید و سیکل 11 سالۀ اغتشاش های الکتریکی آن و همچنین نویز ناشی از منابع دیگر کیهان است. نویز مصنوعی نیز منابع مختلفی دارد. منابعی مثل فعالیت موتور خودروها، موتورهای الکتریکی توان بالا، نشتی در خطوط برق ولتاژ بالا، منابع جرقه و قوس الکتریکی و … . در الکترونیک و مخابرات برای کاهش اثر نویز و EMI، روش هایی وجود دارد. برای مثال، یکی از مزایای مدولاسیون FM نسبت به AM این است که اثر نویز در FM کمتر است. یا این که برای کاهش اثر نویز و تداخل، می توان پهنای باند را کم کرد. یا فیلترهایی برای حذف نویز قرار داد. یا اولین طبقۀ تقویت کنندۀ پس از آنتن های گیرنده را تقویت کننده هایی با گین بالا قرار داد. و یا روش های متعدد دیگر که برای کاهش نویز و EMI به کار می روند.

از روش های دیگر کاهش نویز و EMI و بهبود پارامترهای EMC، طراحی اصولی PCB است. به گونه ای که کمترین اثر را روی مدارات داشته باشند. که در طراحی PCB باید سعی شود اثر نویز خارجی و EMI به حداقل برسد. ساخت و طراحی PCB بدون نویز و سیستم بدون نویز، امکان پذیر نیست. اما به حداقل رساندن اثر نویز و تأثیرات EMI و بهبود حداکثری پارامترهای EMC، ممکن است و در صنایع، اهمیت فراوان دارد. اغلب محیط های صنعتی به دلیل وجود خطوط ولتاژ بالا، موتورهای الکتریکی توان بالا و سیستم های راه اندازی آنها و عوامل دیگر، محیط های نویزی به حساب می آیند. دستگاه های الکترونیکی در این محیط های نویزی باید به درستی عمل کنند و عملکرد آنها تحت تأثیر قرار نگیرد. روش های کاهش نویز در طراحی PCB و بهبود پارامترهای EMC در آنها تا حد زیادی می توانند اثرات نویز و تداخل را کم کنند و عملکرد سیستم ها را در برابر  آنها مصون کنند. این جلسه از آموزش طراحی PCB، آموزش روش های کاهش نویز در طراحی PCB و کاهش تأثیرات EMI در PCB است. مباحث این جلسه مربوط به روش های کاهش نویز و EMI در PCB و بهبود پارامترهای مرتبط با EMC است. مباحث فیلم آموزش EMC/EMI و کاهش نویز در PCB، به طور کلی عبارتند از:

• معرفی نویز، انواع نویز و راه های انتقال آن و مبحث EMC و EMI؛
• روش های مقابله با نویز در طراحی PCB و بهبود پارامترهای EMC.

در ادامه سرفصل های مطرح شده در جلسۀ فیلم آموزش EMC/EMI را بررسی می کنیم.

تصویر 1 – سیگنال و نویز

فیلم آموزش EMC/EMI و کاهش نویز در PCB

مباحث فیلم آموزش حذف نویز در PCB عبارتند از:

• تعریف نویز و EMC و EMI: در این بخش از فیلم آموزش EMC/EMI، به تعاریف نویز و EMC و EMI می پردازیم. که شامل تعریف نویز، تعاریف EMC و EMI، مراحل اخذ استانداردهای مربوط به EMC، انواع نویز داخلی (ذاتی) و خارجی (غیر ذاتی)، مشخصه های اصلی نویز، روش های محاسبه میزان نویز، راه های انتقال نویز شامل کوپلاژ هدایتی (Conductive coupling)، کوپلاژ امپدانس مشترک (Joint impedance coupling) و میدان های الکتریکی و مغناطیسی (Electric and magnetic fields) است. (کاهش نویز Crosstalk در PCB)
• تکنیک های حذف نویز: که شامل چهار متد «انتخاب قطعات»، «توپولوژی»، «مسیرهای سیگنال» و «زمین و تغذیه» است که هر متد توضیحات مفصل و نکاتی دارند که آنها را در این بخش از فیلم آموزش EMC/EMI تشریح می کنیم و مثال های عملی نیز می آوریم. که این مثال های عملی، نمونه طرح هایی در نرم افزار آلتیوم هستند و در این بخش به بررسی راه کارهای کاهش اثرات EMI و بهبود پارامترهای EMC در برد مدار چاپی، می پردازیم. نکاتی که به آنها می پردازیم عبارتند از: اتصال کریستال کلاک به میکروکنترلر و طراحی اصولی بخش کریستال در PCB، خازن بای پس و نحوۀ قرار دادن اصولی خازن های بای پس در کنار آی سی ها، میکروکنترلرها و رگولاتورهای ولتاژ خطی، جدا کردن زمین و تغذیه در PCB، جدا کردن زمین و تغذیۀ آنالوگ از دیجیتال و جدا کردن زمین RF از زمین دیگر بخش ها در PCB. (خازن بای پس در PCB)
• انتخاب قطعات: که از متدهای کاهش نویز و تداخل الکترومغناطیسی در PCB است و شامل انتخاب قطعات کم نویز و قطعاتی با ویژگی های کم بودن Rising time و Falling time در آنها، اختلاف زیاد سطح High و Low در ورودی های آنها، کم بودن امپدانس خروجی آنها و …، روش های تشخیص قطعات الکترونیکی تقلبی، خازن بای پس در PCB، استفاده از قطعات SMD به جای THD و … است.
• توپولوژی: دومین متد کاهش نویز است و در این بخش از آموزش طراحی PCB بدون نویز آن را مطرح می کنیم. متد توپولوژی مباحث ساختار PCB، جدا کردن بخش های آنالوگ و دیجیتال، جایگذاری قطعات RF، جدا کردن بخش های آنالوگ مختلف از یکدیگر، مکان مناسب ورودی ها و خروجی ها و … را در بر می گیرد.
• مسیرهای سیگنال: در این بخش از آموزش کاهش نویز در PCB به متد مسیرهای سیگنال از تکنیک های حذف نویز و EMI می پردازیم. که مباحث این بخش، مکان مناسب و نحوۀ ترسیم مسیرهای سیگنال های مهم و حیاتی، سیگنال های فرکانس بالا و فرکانس پایین، توپولوژی های ترک کشی، فاصلۀ مسیرها از هم، ترک کشی کریستال ها و مبحث فاصلۀ هوایی و فاصلۀ خزشی هستند. (تنظیم طول مسیر با Interactive length tunning در آلتیوم – نکات Auto route در آلتیوم)
• زمین و تغذیه: از مهمترین متدهای مورد بحث در حذف نویز و حذف EMI در PCB، مباحث مربوط به زمین و تغذیه هستند. که در این بخش از آموزش روش های کاهش نویز در PCB این مباحث را تشریح و بررسی می کنیم. مباحث این بخش عبارتند از: کاهش امپدانس مشترک، اجتناب از حلقۀ زمین، زمین ستاره، تقسیم ستاره، مسیر برگشت سیگنال، صفحات زمین و تغذیه، جدا کردن آنالوگ از دیجیتال، شیلد کردن و گراند شاسی، ارت و سیستم های Multi card. (تقسیم ستاره در PCB)

تصویر 2 – جدا کردن بخش های آنالوگ و دیجیتال از یکدیگر و نحوۀ اتصال کریستال به آی سی

فیلم آموزش EMC/EMI و کاهش نویز در PCB، نکات و الزامات فراوانی را بیان می کنیم که با به کارگیری آنها در طراحی PCB، می توان اثرات نویز و EMI را به حداقل رساند و سخت افزار را از لحاظ EMC بهبود بخشید. برد مدار چاپی که در آن، نکات این آموزش به درستی رعایت شده باشد، می تواند در محیط های پر نویز صنعتی، به خوبی کار کند و استانداردهای لازم را کسب کند. دانش پذیر پس از مشاهدۀ این آموزش و به کار بردن مباحث آن در  طراحی برد مدار چاپی، می تواند PCBهایی را طراحی کند که کمترین نویز پذیری را دارند.

پیش نمایش – راه های انتقال نویز

پیش نمایش – فاصلۀ هوایی و فاصلۀ خزشی در PCB