van-de-triet-nhieu-trong-mach-in

Mở đầu Hiện nay, công nghiệp điện tử vi điện tử có bước phát triển nhảy vọt Kích thước linh kiện ngày nhỏ, quy mơ tích hợp linh kiện mạch in ngày cao, hay tần số tín hiệu mở rộng Tuy nhiên, hệ kèm trường nhiễu điện từ trở nên phức tạp Nhiễu điện từ làm rối loạn, gián đoạn đường truyền, hay làm cản trở, suy hao tín hiệu điện mạch, nguy hiểm làm hay sai lệch liệu Các nguồn nhiễu điện từ không tồn độc lập, mà chúng tương tác lẫn nhau, tạo trường nhiễu đa thành phần : nhiễu từ nguồn ni, nhiễu tín hiệu phát xạ từ đường mạch in, nhiễu từ nguồn phát không chủ ý… Ở nước phát triển, việc quản lý tương thích điện từ quy định rõ ràng Các nhà sản xuất thiết bị điện điện từ phải đảm bảo sản phẩm họ thoả mãn yêu cầu tiêu chuẩn tương thích điện từ cho sản phẩm xuất Đây biểu thị trách nhiệm nhà sản xuất thị trường Tại thị trường chung châu Âu EEC EFTA, loại sản phẩm bị chê trách tiêu chí chất lượng tương thích điện từ sản phẩm bị loại khỏi thị trường Để có chấp thuận phù hợp với tiêu chí tương thích điện từ, sản phẩm quan có thẩm quyền kiểm nghiệm cấp chứng đo thử kiểm nghiệm có nội dung: - Đo thử phát xạ (emission): Sóng điện từ thân thiết bị cần đo thử qua dây cáp nối tín hiệu dây cấp nguồn xạ không gian Các nhiễu thường nhiễu liên tục - Đo thử chống nhiễu (Immunity): Trong thiết bị cần đo, chịu tác động có sóng chấn tử nguồn tạo sóng phát Trước kia, quy định tương thích điện từ quan tâm đến phát xạ điện từ, nguồn gốc gây vấn đề nhiễu Tuy nhiên gần ủy ban quản lý EMC ý tới hầu hết vấn đề tính chống nhiễu tượng độ dòng điện điện áp, tượng phóng điện tự nhiên (xung sét) Tuy nhiên, khơng có mức xác “tính chống nhiễu” biết bị hỏng bình thường Như vậy, thấy vấn đề triệt nhiễu luôn vấn đề quan trọng phát triển ngành điện tử viễn thơng nói riêng, cịn vấn đề tồn hệ thống nhúng cơng nghiệp hay ngành truyền thơng thơng tin nói chung Vì vậy, báo cáo nghiên cứu tác nhân gây nhiễu số phương pháp xử lý nhiễu, “Về vấn đề triệt nhiễu mạch in” Chương 1: Tổng quan tương thích điện từ - Cấu trúc board mạch in 1.1 Tổng quan tương thích điện từ 1.1.1 Tương thích điện từ Tương thích điện từ (TTĐT) là thuật ngữ rõ đặc tính mà thiết bị điện, điện tử, tin học có chúng vận hành tốt mơi trường có diện thiết bị khác có tín hiệu nhiễu từ mơi trường xung quanh chúng tác động vào Để thực điều này, ta phải dùng kỹ thuật để tránh hiệu ứng khơng mong muốn mà nhiễu gây Nghiên cứu tương thích điện từ tìm biện pháp kỹ thuật dùng để xử lý đặc tính Tương thích điện từ hiểu là: - Không gây nhiễu vượt mức độ cho phép hoạt động bình thường thiết bị vô tuyến điện tử khác - Bản thân thiết bị phải làm việc bình thường nguồn tín hiệu khác làm việc * Có thể định nghĩa kiểu tác động qua lại hệ thống - Hiệu ứng thiết bị sinh tác động lên thiết bị khác, tượng giao thoa bên hệ thống - Hiệu ứng môi trường xung quanh sinh tác động lên thiết bị - Hiệu ứng thiết bị sinh tác động lên môi trường * Lĩnh vực TTĐT bao gồm vấn đề sau: - Phân tích học cho hiệu ứng nhiễu - Nghiên cứu truyền nhiễu xạ truyền dọc theo đường dây kim loại nối với thiết bị - Định nghĩa kiểu ghép khác hệ thống điện, điện tử, tin học - Xác định điều kiện kiểu ghép - Đánh giá hậu thực tế nhiễu thiết bị vận hành - Dự đốn tình xảy nhiễu, số thiết bị không vận hành theo chuẩn - Lọc nhiễu tần số thời gian - Những phương tiện cho phép thiết bị hoạt động không bị ảnh hưởng nhiễu - Tổng hợp thiết bị dễ bị ảnh hưởng nhiễu - Thiết lập tiêu chuẩn để đưa giá trị giới hạn chấp nhận máy phát máy thu Như mục đích TTĐT mang lại tương thích hoạt động hệ thống nhạy cảm với mơi trường trường điện từ tượng nhiễu loạn sinh từ hệ thống, phần hệ thống từ nguồn bên ngồi Từ đưa cách xử lý vấn đề: - Đặc tính hóa nguồn nhiễu xác định trường nhiễu gây xạ - Nghiên cứu kiểu ghép nguồn gây nhiễu hệ thống bị nhiễu - Mô thử nghiệm tượng tìm giải pháp kỹ thuật bảo vệ 1.1.2 Các thành phần nhiễu điện từ Thành phần nhiễu điện từ dịng chuyển dời hạt electron Khi thiết bị hoạt động vùng tần số thấp, điện trường từ trường tương tác với nhau, gần hoạt động độc lập Tuy nhiên, với điều kiện hoạt động tần số cao, trường tương tác điện từ lại gây nhiều vấn đề quan trọng Điện trường tỉ lệ thuận với điện áp hệ thống điện, điện trường gây EMI khu vực lân cận vùng điện áp cao Thông thường nhiễu EMI cao gây điện trường xuất vùng nguồn cấp, cable connector đấu nối Từ trường tỉ lệ thuận với dịng điện mạch, có khả gây nhiễu EMI thường xuyên so với ảnh hưởng từ trường Ảnh hưởng từ trường rõ ràng dòng điện qua dây dẫn lớn Với mạch tần số cao, điện trường kết hợp với từ trường tạo thành trường điện từ, xạ không gian với vân tốc ánh sáng Các nguồn phổ biến liệt kê radar, đài phát thanh, đài truyền hình, sóng di động, WLAN, Bluetooth Các anten ứng dụng nguồn gây đồng thời nguồn thu nhiễu điện từ Đặc biệt, dây dẫn mạch điện tử đóng vai trị tương từ góp phần gia tăng trường nhiễu 1.1.3 Mơ hình hóa nhiễu điện từ Mơ hình sau trình bày mơ hình nhiễu EMI đơn giản Nguồn gây nhiễu Thiết bị kết nối Cơ cấu chịu tác động EMI Hình Các thành phần EMI Ví dụ nguồn nhiễu liệt kê đường dây hệ thống điện, dây dẫn mạch điện tử, anten hệ thống truyền thông không dây Thiết bị kết nối terminal, connector hay đoạn dây dẫn, ống dẫn có tác dụng kết nối mạch điệnvới nhau, hay thiết bị chia sẻ dòng điện, điện áp với mạch điện khác Cơ cấu chịu tác động thiết bị điện, điện tử nằm vùng ảnh hưởng trường nhiễu Hình Mơ hình nhiễu điện từ mạch nhúng Các loại mơ hình nhiễu EMI liệt kê sau:  EMI ghép nối trở kháng  EMI ghép nối điện dung  EMI ghép nối cảm kháng  EMI ghép nối xạ Bảng Đặc tính loại nhiễu Nguồn Tần số Ghép nối Dải tác động Đích Điện trường Thấp Điện dung Ngắn Cable Từ trường Thấp Cảm kháng Ngắn Cable Điện từ trường Cao Bức xạ Dài Cable Các tác động ảnh hưởng giảm dần theo thứ tự EMI cảm kháng, EMI điện dung EMI trở kháng Nhìn chung, EMI xạ khơng gây nhiều ảnh hưởng nhà xản xuất thiết bị không dây phải đảm bảo tuân thủ quy định EMC Tuy nhiên, bối cảnh có q nhiều thiết bị khơng dây sử dụng, vấn đề EMI xạ ngày quan tâm mức 1.1.3.1 EMI ghép nối trở kháng Hình Ghép nối trở kháng Vịng mạng lưới cấp nguồn cho hệ thống, vòng đường truyền liệu hệ thống Tín hiệu liệu hệ thống u2 Thành phần điện áp chồng đến điện áp u2 uc, thành phần phụ thuộc vào trở kháng Zc = Rc + jῳLc Thông thường thành phần trở kháng bé nhiều so với trở kháng nguồn Zi + ZL nên ta có: Uc = Zc x i1 = x u1 Nếu thành phần i1 đủ lớn phần điện áp chồng ảnh hưởng trực tiếp đến tín hiệu liệu u2, cụ thể thành phần ảnh hưởng tỉ lệ thuận với i1 đạo hàm bậc i1 Ta có mơ hình đơn giản ghép nối trở kháng sau: Hình Mơ hình ghép nối trở kháng đơn giản Thành phần điện trở đóng vai trị ảnh hưởng tới hệ thống khơng đổi, nhiên ảnh hưởng thành phần điện cảm lại gia tăng theo tần số Nếu lựa chọn thông số thực tế gồm: chiều dài đoạn dây dẫn l = 2m, trở kháng Lc = 1uH/m, Rc = 1Ω, I = 1A độ biến thiên dòng điện di/dt = 1/100 A/ns Khi ta có: Rõ ràng với tần số cao, thành phần điện áp cảm kháng gây đóng vai trị chi phối Theo định luật Kirchhoff, thành phần gây ảnh hưởng lên toàn mạch điện Để giảm thiểu hiệu ứng này, hệ thống phải đảm bảo độ tự cảm thấp tốt 1.1.3.2 EMI ghép nối cảm kháng Các dòng điện biến đổi i(t) gây từ trường B(t) gây ảnh hưởng đến vùng mạch lân cận Sơ đồ mạch tương đương mơ tả mạch điện ghép nối với thông qua cặp điện cảm Hình Ghép nối cảm kháng mạch tương đương Điện áp gây dòng cảm ứng sinh trường ảnh hưởng làm suy yếu trường thơng tin hữu ích khác, chồng chập làm xáo trộn hệ thống Độ ảnh hưởng tín hiệu phụ thuộc vào yếu tố:  Cường độ dòng i2(t)  Khoảng cách nguồn nhiễu trường bị ảnh hưởng nhiễu  Tần số hoạt động trường bị ảnh hưởng nhiễu Tín hiệu tác động lớn đến hệ thống yếu tố sau xảy ra:  Dịng điện mạch ngồi q lớn so với mức cần thiết  Đường tín hiệu khơng đồng trình –  Mạch điện tích hợp q gần bao phủ khơng gian rộng  Hoạt động tần số cao thay đổi liên tục Ghép nối cảm kháng lại hữu ích trường hợp ghép cáp đồng trục xác Các ghép nối với trở kháng thấp hoạt động tần số cao giúp sinh trường chống lại ảnh hưởng trường nhiễu bên Xét mạch điện line mạch điện line cho đường đường Các từ trường gây chúng là: Rõ ràng với cơng thức ảnh hưởng trường line suy giảm theo r trường line – suy giảm nhanh theo r2 Các trường line – ưu lĩnh vực tương thích điện từ Trong mạch điện tử, người ta thường cố gắng tạo cân Hình Suy hao trường theo khoảng cách mạch điện line mạch điện line – 1.1.3.3 EMI ghép nối điện dung Các điện trường thay đổi sinh trường ảnh hưởng đến mạch điện khác Hình Ghép nối điện dung mạch tương đương Trường lớn tác động mạnh khi: - mạch điện sát - Chênh lệch điện áp lớn mạch - Điện áp mạch thường xuyên thay đổi nhanh Ví dụ, xem xét tương tác nguồn cấp điện mạch điện mạng LAN chạy song song cách 10m Nguồn cấp sin 50Hz 220V gây nhiễu với điện áp 10V cho Hình 12 Tg cho số loại PCB Bảng Bảng đặc tính số vật liệu PCB Nguyên liệu Tg er Tan(f) DBV(V/mil) WA(%) Standard FR-4 Epoxy 125 4.1 0.02 1100 0.14 Multifunctional FR-4 145 4.1 0.022 1050 0.13 Tetrafunctional FR-4 150 4.1 0.022 1050 0.13 Nelco N4000-6 170 4.0 0.012 1300 0.10 GETEK 180 3.9 0.008 1100 0.12 BT Proxy Glass 185 4.1 0.023 1350 0.20 Cyanate Ester 245 3.8 0.005 800 0.70 Polyimite Glass 285 4.9 0.015 1200 0.13 Teflon N/A 2.2 0.0002 450 0.01 Glass 1.2.3 Các loại PCB thường dùng Tên Ceramic PCB (mạch in sứ) Hình ảnh Flexible PCB (mạch in mềm gấp lại được) FR4 PCB (mạch in FR4) HDI PCB (mạch in mật độ kết nối cao cho mạch kỹ thuật số) Heavy copper PCB (mạch in có lớp đồng dày) High Tg PCB (mạch in có chuyển hóa thủy tinh mức cao) RF PCB (mạch in cho mạch tần số cao) Xtra thin PCB (mạch in siêu mỏng) Chương 2: Các loại nhiễu điện từ thường gặp kỹ thuật xử lý nhiễu 2.1 Các loại nhiễu thường gặp 2.1.1 Nhiễu điện từ gây từ thành phần mạch in 2.1.1.1 Nhiễu tụ cuộn cảm kí sinh Nhiễu thường sinh đường mạch PCB sát PCB khơng đạt chuẩn Hình 13 L C kí sinh Loại nhiễu gây rối loạn thông tin cho dây dẫn liền kề Hình 14 Tác động nhiễu 2.1.1.2 Nhiễu điện trở dây dẫn Thành phần nhiễu sinh dây dẫn chứa điện trở Ví dụ dây dẫn PCB dày 35um rộng 0.5mm có điện trở 0.01Ω/cm DC Vì tín hiệu suy hao dây dẫn dài nhiễu tác động vào gây tắc nghẽn hệ thông tin 2.1.1.3 Nhiễu thành phần dung kháng Các tụ điện có dung kháng thay đổi theo tần số, điều mang nhiều yếu tố bất lợi cho hệ thống cao tần Ví dụ tụ điện lý tưởng có Z = 1/ῳC Tại tần số 100Mhz, dung kháng tụ 10 pF : = 170 Ω Người ta phân tích tìm loại tụ phù hợp cho nhiều ứng dụng khác Loại tụ phổ biến sử dụng triệt nhiễu cao tần tụ bypass nối VCC GND thường dùng tụ gốm, tụ aluminm, hay tụ tantalum Ứng dụng Trung tần Loại tụ Tụ gốm, giá trị nhỏ 103 - 104 Cao tần Tụ Tantalum, giá trị nhỏ 104 - 106 Siêu cao tần Tụ Aluminum, giá trị lớn, đến 100uF Hình ảnh Bảng Bảng lựa chọn tụ Bypass 2.1.2 Nhiễu điện từ gây từ thành phần ngồi mạch in Các loại nhiễu kể đến nhiễu trình truyền dẫn, nhiễu đột ngột từ nguồn, nhiễu đường line chất lượng không đồng nhiễu ngẫu nhiên từ trường điện từ xung quanh Loại nhiễu Nhiễu truyền dẫn Minh họa Nhiễu đột ngột Nhiễu chất lượng đường line 2.2 Kỹ thuật triệt nhiễu Báo cáo tập trung đến việc thiết kế hoàn thiện hệ thống vi xử lý, kỹ thuật triệt nhiễu tập trung vào vấn đề tối ưu hóa board mạch in điều khiển nhúng 2.2.1 Kỹ thuật ổn định tần số dao động Thay mạch dao động RC dao động thạch anh, đảm bảo tính ổn định độ xác tần số Ngoài việc bổ sung thành phần linh kiện thụ động RC làm mạch hồi tiếp âm góp phần làm ổn định tần số dao động Các dao động trước thường sử dụng dao động RC Tuy đảm bảo tần số hoạt động mạch RC thường xuyên bị tác động ảnh hưởng nhiễu ngồi gây gián đoạn xung clock Hình 15 Bộ dao động RC Ngày nay, người ta dùng dao động tần số thạch anh để thay mạch vi xử lý với ưu điểm vượt trội tần số dao động ổn định, dung sai bé, lớp vỏ bọc kim loại giảm tác động nhiễu ngồi Hình 16 Dao động thạch anh Với ứng dụng yêu cầu độ dao động xác cao, người ta dùng resonator kết hợp hồi tiếp âm để đảm bảo tính ổn định xung clock Hình 17 Dao động resonator Điện trở 330k cung cấp hồi tiếp âm cho hệ thống Biến trở 10k dùng để hiệu chỉnh cho IC đệm đảo 74AS04 hoạt động vùng tuyến tính Bộ dao động cịn cấp xung clock ổn định cho hẹ thống 2.2.2 Kỹ thuật lựa chọn linh kiện Việc sử dụng linh kiện chân cắm nguyên nhân nhạy nhiễu cho hệ thống cũ Các chân cắm linh kiện đóng vai trị anten thu nhận nhiễu Các ứng dụng đảm bảo EMI sử dụng tối ưu linh kiện chân dán để giảm nhiễu xạ khơng mong muốn Hình 18 Thay linh kiện chân cắm chân dán Tương tự, dây dẫn nối mạch chân cắm với linh kiện phải tối ưu Tiêu biểu nhớ ngồi nên tích hợp vào bên chip Các loại chip đảm bảo EMI trước phân phối Hình 19 Thay nhớ nhớ Việc sử dụng IC hệ với khả giao tiếp đơn giản hiệu góp phần giảm nhiễu cho hệ thống Các IC đời cũ thường sử dụng bus mode với xung giao tiếp rời rạc ngắt quãng, tiểu biểu dòng 8051 cũ; IC hệ PIC, MSP430 sử dụng PORT mode với xung đơn để giảm nhiễu Hình 20 Sử dụng PORT mode 2.2.3 Giảm VCC Kỹ thuật giúp giảm thiểu độ lớn nhiễu tác động lên hệ thống Các hệ thống 5V thay dần 3.3V, ứng dụng DSP, người ta sử dụng VCC 2.8V 1.6V Hình 21 Giảm VCC 2.2.4 Sử dụng linh kiện phụ trợ Các điện trở damping đóng vai trị quan trọng việc triệt tiêu xung nhiễu mạch số Các điện trở có giá trị thấp mắc nối tiếp với đường tín hiệu mạch để giảm thiểu tác nhân sóng hồi tiếp khơng mong muốn Hình 22 Sử dụng điện trở damping Việc sử dụng lọc EMI mạch nguồn trở nên thông dụng, nhiên, người ta sử dụng chúng mạch tín hiệu Mạch lọc cấu tạo từ cuộn cảm tụ điện, giúp triệt tiêu nhiễu chuyển mạch Tùy thuộc vào đặc tính mạch điện mà người ta sử dụng cấu trúc mạch EMI khác Hình 23 Sử dụng mạch lọc EMI Sử dụng tụ de-coupling mạch để triệt tiêu xung nhiễu nguồn Hình 24 Sử dụng tụ Bypass Tụ Bypass phải đặt gần VCC GND có thể, đường mạch vừa đủ lớn để cấp đủ dịng cho hệ thống Tín hiệu nguồn phải qua tụ trước vào vi điều khiển Trong trường hợp yêu cầu cao hơn, thiết kế phải tích hợp nhiều tụ song song với để đảm bảo EMC Ngoài ra, việc layout tụ bypass phải ý để giảm thiểu ảnh hưởng việc gia tăng trở kháng Cụ thể diễn tả qua hình ảnh sau Hình 25 Ảnh hưởng lỗ via đến trở kháng 2.2.5 Kỹ thuật layout Đây số kỹ thuật khó khăn địi hỏi nhiều kinh nghiệm thực tế Kỹ thuật rút số quy tắc sau:  Định nghĩa chức cho khối linh kiện: Các lnh kiện phải phân thành lớp như: Analogue sensor, digital low speed, digital high speed, power elements xếp chúng thành nhóm Tất linh kiện nhóm phải đặt gần đường mạch in phải tối ưu hóa độ dài Khoảng cách linh kiện phù hợp để tích hợp tụ by pass Hình 26 Tối ưu hóa đường mạch  Các đường tín hiệu tốc độ cao đặt trung tâm mạch in, tránh xa góc mạch in  Đặt đường mạch cơng suất phải mang dịng lớn gần đầu mạch ổn áp  Hạn chế lỗ via mạch, lí việc thay đổi lớp layout đồng thời thay đổi điện trở line, đồng thời tăng hiệu ứng phản xạ tín hiệu