PCB Tasarımı ve EMC İlgilenenler İçin Önemli Bilgiler Şematik tasarımda, her bir devre elemanına ait modellerle ideal ortamda yapılan benzetimle (simülasyon) çalışan devre, baskı devre (PCB printed circuit board) üretildikten sonra çalışmayabilir. İç ve dış kaynakların oluşturduğu girişim (EMI electromagnetic interference) sonucunda da istenmeyen şekilde çalışabilir. Bu tür sorunların birçoğu, kurallara uygun olarak tasarlanmayan PCB den kaynaklanmaktadır. Bundan dolayı her bir ürün sınıfına ait standart getirilmiştir (EMC electromagnetic compatibility), tüketici elektroniği, endüstriyel elektronik ve savunma elektroniği gibi. Nem, basınç ve radyasyon (alfa, beta, RF, vb.) sistemde istenmeyen sonuca neden olabilir. Tüm bunların yanında, elektronik sistemlerin ve devrelerin en büyük problem sıcaklıktır, frekanslarda kaymaya, yollar üzerinde değişik gecikmelere, vb. problemlere neden olur. Bundan dolayı, sinyal bütünlüğü (signal integrity) sağlanarak, PCB, tasarım kurallarına uygun şekilde oluşturulmalıdır. Test kartının istenen sonucu vermesi, sistemin endüstriyel ortamda ya da sahada çalışacağı anlamına gelmez. Aşağıda tecrübelerle de sabit olan bazı kuralları listeledim. 1- Ekranlama yaparak (toprağa bağlanmış şekilde olan bakır tabaka ya da katman) dış ve iç girişim kaynaklarına (elektromanyetik alanlar gibi) ve parazitlere (crosstalk or capacitive coupling) karşı koruma sağlayabilirsiniz. Tek katmanlı ya da çok katmanlı her PCB bu özelliğe sahip olmalıdır. Ekranlanmış bir PCB e örnek Şekilde ekranlama öncesi (a) ve sonrası (b) EMI mağruz kalan yola ait elektrik alan [1] 1
2- Dijital, analog ve yüksek frekans devre elemanlarını gruplandırarak PCB üzerine yerleştirin, bu dijital ve analog devre gürültülerini birbirinden izole ederek azaltmayı sağlar. Topraklamalarını ayrı ayrı yapın. Dijital ve yüksek frekans devre elemanlarının gruplandırılarak yerleştirildiği PCB ye örnek. ISM bant IC ve anteni ekranlanmış kısımdan uzak ve ayrı kısma yerleştirilmiş. Devre elemanları arasında en kısa yol oluşturacak şekilde bağlantıları ve yerleşimi yapın (akım kısa yolu takip eder). İletim hatlarından da hatırlayacağınız üzere dielektrikten dolayı kapasitans, iletkenden dolayı direnç ve indüktansı meydana gelir. (a) Akımın aktığı yola ait manyetik alan (akım sayfa düzleminden içeri), (b) yolun alt kısmında toprak düzleminde oluşan geri dönüş yönünde olan akıma ait manyetik alan (akım sayfa düzleminden dışarı), (c) toprak düzleminden aşağıda manyetik alan birbirini yok eder ve üzerinde kısmi olarak yok eder. Manyetik Alan (c) gösterilen sarı alanda yoğunlaşmıştır. [1] Köşeleri kıvrılmış şekilde ya da 45 derecelik açıyla çizmeye çalışın. Şekilde gösterilen yollardan 2 ve 3 numaralı çizimler uygun çizimlerdir 2
Köşelerde oluşan alanlar toplam oluşturacağından indüktansı arttırır ve uygun bir çizim değildir [2]. Yüksek frekans yolları birbirinden ve diğer yollardan mümkün olduğunca uzakta oluşturun ya da aralarından toprak hattı çizin (guard-trace). (dikkat yüksek frekans tasarım için farklı paket programlar kullanmanız gerekmektedir) Yerleri sabit olan hiç değişmeyen parçalar olacaktır, diğer bağlantılar ve devre elemanları için mümkün olduğunca bu kuralları uygulayınız. Tüm bu kuralları uygulayabilmek açısından, otomatik yerleştirme programlarıyla (autorouther, vb.) PCB tasarlamak doğru değildir. 3- Hassasiyeti fazla olan, yüksek çözünürlüklü analog sinyaller gibi sinyalleri, diferansiyel olarak iletin. Örneğin sensör ve devreye dışarıdan uygulanan sinyaller gibi. Bu tarz bir tasarımda sinyaller, yollar üzerindeki gerilim düşümünden etkilenmediği gibi elektromanyetik girişimden minimum düzeyde etkilenir. Buna ek olarak, diferansiyel sinyal gönderimi emisyonu azaltır. İki kablo dışında alanlar birbirini yok eder (kablolar arası mesafe=0) [2] 3
Diferansiyel sinyal gönderiminin gürültüye karşı koruma sağlaması gösterilmiş [5] 4- Besleme hatlarını daha kalın çizmek gerilim düşümünü azaltır. Toprak hattını ekran halinde oluşturmak ve besleme uçlarını mümkün olduğunca kalın çizmek hat üzerindeki direnci ve indüktansı azaltır. 5- Isı artışına neden olan elemanlar için PCB üzerinde solder stop mask ı koymamak, ya da ısı dağıtımı için PCB üzerinde soğutucu alan yapmak. 6- Elektrik şebekesine bağlı devre için, filtre devresinden sonra gerilimi işlemek. Bunu bir band pass (RLC elemanlarıyla) 50 Hz geçiren devre olarak düşünebilirsiniz. 7- Dışarıdan sisteme uygulanan sinyaller için filtre devresi uygulamak gürültü ve girişimi engeller. 8- Elektrostatik deşarjı ve kasa üzerinde oluşan elektriği gidermek için, elektriksel ve elektronik sistemlerin dış kasaları topraklanabilir. 4
9- Entegre devrelerin besleme hatlarına entegreye yakın olacak şekilde dekuplaj kondansatörü bağlanmalıdır (ek olarak bobinde bağlanabilir). Büyük değerli kondansatör düşük frekansı, düşük değerli kondansatör yüksek frekansı filtreler. Buna ek olarak, İndüktif gerilim çökmelerini engeller. iletkenlik yoluyla modellenmiş kuplaj mekanizmaları (a) İndüktif kuplaj (b) Kapasitif kuplaj (c) Güç ve toprak hattı gürültüsü 10- Sinyal taşımada ekranlı kabloları (kuaksiyel kablo) ya da diferansiyel kabloları (twisted pairs) tercih ediniz. Kuaksiyel kablodaki toprak hattı dış alanlara karşı sinyali korur. Diferansiyel kablolama hem dışarıdan gelen alana karşı koruma sağlar hem de kendi oluşturduğu alanı yok eder. 5
Topraklanma koruması olmayan twisted pair kabloya örnek [5] 11- Yüksek derecede elektromanyetik gürültünün olduğu ortamda çalışacak olan elektronik kartlar, birden fazla katmanlı olacak şekilde ve iki topraklanmış katman arasında oluşturulabilir. 12- Relative permitivitesi yüksek olan substrate kullanmak yolların birbiriyle olan field leakage azaltır. [4] 13- Tüm bunları yapmanız tasarlanan sistemin, ilgili merkezlerde yapılan testlerden geçmesini kolaylaştırır. PCB tasarımı ve EMC konusunda birçok eğitime ve dokümana internetten ulaşabilirsiniz. Bilgisayar destekli PCB tasarım programları inç ölçüsünü kullanmaktadır. 1 inç=2.54 cm. Faydalı olabilecek kitaplar: EMO yayınları: EMC/EMI gürültü azaltma ve koruma, ekranlama, topraklama ve PCB tasarımı, Yazar Adı: A.S. BEER: TÜRKÇEYE ÇEVİREN AYDIN BODUR, ÇİĞDEM ÖZŞAR ISBN No: 9789944895459 Yayın No: EG/2008/2 Yayın Yeri: ANKARA Sayfa Sayısı: 216 Referanslar: [1] Ground fill and Field Cancellation, Dr. Howard Johnson May 26,2005, EDN network [2] Reducing Ground Bounce in DC-to-DC Converters-Some Grounding Essentials [3] EMC/EMI gürültü azaltma ve koruma, ekranlama, topraklama ve PCB tasarımı [4] RF Circuit Design: Theory & Applications, by Reinhold Ludwig, ISBN-13: 978-0131471375. [5] Wikipedia, www.wikipedia.org 6