PCB 低 EMI プロトタイプを構築するための重要なステップ

このホワイトペーパーでは、低放射回路の設計や事前互換性テストなど、マイクロ波電波暗室の適合性テストの前に、PCB 低 EMI プロトタイプを構築するための重要な手順について説明します。事前互換性テストには、3D 電磁界シミュレーションソフトウェアを使用したプリント回路基板 (PCB) レイアウトモデルのシミュレーションと EMI 解析、およびスペクトラムアナライザ (SA) を使用したプロトタイプ PCB の近距離電磁界スキャンが含まれます。最後に、マイクロ波電波暗室試験を実施して設計を検証しました。

最小限の EMI 回路設計

低放射率 (RE) を確保するには、回路図と PCB レイアウトを設計する際に、電源回路、USB データライン、イーサネット、およびその他の信号にフェライトビーズを追加して EMI をフィルタリングするなど、ベストプラクティスを適用する必要があります。さらに、十分な数のデカップリングコンデンサを電源回路に適切に配置して、配電ネットワークのインピーダンスを最小限に抑えることができます。これにより、デジタル負荷によって生成されるノイズリップルの振幅が減少し、放射のリスクが減少します。同時に、スイッチング電源の閉ループ補償ネットワークの設計を最適化して安定した閉ループを実現することで、電圧出力を制御可能にし、スイッチングノイズリップル振幅を最大限に低減することができます。ノイズリップル振幅の低減により、プロトタイプの EMI リスクを大幅に低減できます。

pcb board

高周波または高速立ち上がり/立ち下がりエッジ信号の PCB ルーティングは、EMI リスクを軽減するために連続回路 (基準グランドプレーンなど) を参照する必要があります。配線は、分割面または穴を通過してはなりません。ビアを介して層間で信号を伝送する必要がある場合は、受信側から送信側への信号電流のリターンパスとして、少なくとも 1 つの接地ビアを信号ビアに隣接して配置する必要があります。適切なリターンパスがない場合、リターン電流が PCB 内をランダムに転送され、潜在的な EMI ソースになる可能性があります。

優れた接地方式も、EMI を最小限に抑えるための重要な要素です。すべての PCB 設計では、アースループを回避する必要があります。これは、リターン信号電流が通過するときにアースループが放射トランスミッタを形成するためです。広い基準面として接地を設計することにより、優れた接地方式を構築できます。異なる回路グループ (RF、アナログ、デジタル回路など) のグランドプレーンは物理的に分離し、フェライトビーズを介して回路接続を確立して、高周波ノイズが回路グループ間で拡散するのを防ぐ必要があります。

PCB レイアウト設計が完了した後、EMI 解析のためにシミュレーションを実行して、製造前に PCB の放射放出リスクが低いことを確認する必要があります。 EMI シミュレーションを省略すると、PCB の EMI 性能が保証されない可能性があり、再設計につながります。 EMI シミュレーションの結果が技術仕様の要件を満たしている場合、設計者は PCB の製造を開始し、スペクトラムアナライザを使用して、プロトタイプの PCB で近接場電磁スキャニングを実行できます。 EMI シミュレーションや近距離電磁走査などの事前互換性テストにより、設計者の信頼が高まり、プロトタイプの EMI が低いことを確認できます。事前互換性テストを完了した後、テスト済みのデバイスは、実際のマイクロ波電波暗室 EMI 一貫性テストを実行できます。

シミュレーション EMI 解析

PCB レイアウト設計が完了したら、レイアウトファイルを EMPro 2013.07 にインポートして 3D EMI シミュレーションを実行します。差分信号を選択することにより、有限要素法 (FEM) を使用して 3 次元電磁界をシミュレートします。 3 次元電磁界シミュレーションは、電磁界境界条件とモデルメッシュサイズを設定し、マクスウェル方程式を解くプロセスです。シミュレーション結果の精度を確保するには、境界サイズを PCB 厚の 8 倍以上に設定し、グリッドサイズを PCB 幅の 1/5 未満に設定する必要があります。 3 次元電磁界を実行するコンピューターは、スムーズな解析を行うために 16G 以上のメモリと 100G 以上のストレージ容量で構成する必要があります。

遠方界センサーを設定して放射電磁界を捕捉し、EMPro の EMI シミュレーションテンプレートを使用して遠方界放射電力を計算し、10m の距離で電界プローブを設定して周波数領域応答図を描きます。次に、有限差分時間領域 (FDTD) モードの 3 次元電磁界シミュレーションを実行し、シミュレーション結果を FEM モードの結果と比較します。

30MHz～1GHzの周波数（電界強度単位：dB μ5.周波数単位：GHz）、放射電力レベル（青線がFEMモードシミュレーション、赤線がFEMモードのシミュレーション）の電界強度シミュレーション図（図1）をご覧ください。 FDTD モードシミュレーション) は、約 45dB μ V の最大 FCC しきい値 (緑の破線) よりも低くなっています。

近距離電磁測定

プロトタイプの PCB を作成して組み立てた後、スペクトラムアナライザを使用してプロトタイプの近接場電磁スキャニングを実行します。スペクトルアナライザーに接続されたシングルターンコイルは、プロトタイプから放出された近接場をキャプチャします。図 2 は、30MHz ～ 1GHz の周波数範囲の周波数領域信号を示しています (電磁界の電力レベルは dB で、周波数は Hz で表されます)。

400MHz付近に最大電力強度(-66.4dBm)のピークが現れます。近接場センサーとして機能するコイルは、被試験デバイスから 3 インチ以内に移動します。 30kHzスペクトラムアナライザの分解能帯域幅は、低バックグラウンドノイズ（-80dBm）測定を実現できるため、スパイク（異なる離散周波数の放射）がはっきりと見えます。プロトタイプがマイクロ波無響室での遠方界 (3m および 10m) EMI 一貫性テストに合格するという信頼性を高めるには、近方界のピーク電力が - 65dBm 未満である必要があります。

EMI適合性試験

マイクロ波電波暗室でのプロトタイプの 3m 遠方場 EMI 整合性テストの結果。赤い線は、CISPR 11 クラス A の最大放射エミッションパワーレベルを示します。30MHz~1GHz μ V の周波数範囲で 56dB 未満です。以前のアジレント)。放射波の垂直成分と水平成分は、それぞれ青と緑の曲線で表されます。 400MHz および 560MHz で 38dB μ V および 37 dB μ V のピーク電力は、最大しきい値よりも低くなっています。

概要

低 EMI 回路設計と事前互換性テスト (3D EMI シミュレーションや近距離電磁走査など) は非常に重要です。これにより、不要な PCB の再製造を回避し、開発コストと時間を節約し、マイクロ波電波暗室での EMI 一貫性テストの時間を短縮できます。また、電子デバイスが予定どおりに、または事前に PCB 市場に投入されるようにします。