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

Các nguồn nhiễu điện từ không chỉ tồn tại độc lập, mà chúng tương tác lẫn nhau, tạo ra một trường nhiễu đa thành phần : nhiễu từ nguồn nuôi, nhiễu do tín hiệu phát xạ từ các đường mạch i

Mở đầu

Hiện nay, nền công nghiệp điện tử và vi điện tử đang có những bước phát triển nhảy vọt Kích thước linh kiện ngày càng nhỏ, quy mô tích hợp linh kiện trên mạch in ngày càng cao, hay tần số tín hiệu càng được mở rộng Tuy nhiên, hệ quả đi kèm là trường nhiễu điện từ trở nên rất phức tạp Nhiễu điện từ có thể làm rối loạn, gián đoạn các đường truyền, hay làm cản trở, suy hao tín hiệu điện trong mạch, nguy hiểm hơn cả là làm mất hay sai lệch dữ liệu Các nguồn nhiễu điện từ không chỉ tồn tại độc lập, mà chúng tương tác lẫn nhau, tạo ra một trường nhiễu đa thành phần : nhiễu từ nguồn nuôi, nhiễu do tín hiệu phát xạ từ các đường mạch in, nhiễu từ các nguồn phát không chủ ý…

Ở các nước phát triển, việc quản lý tương thích điện từ được quy định rõ ràng Các nhà sản xuất thiết bị điện và điện từ phải đảm bảo các sản phẩm của họ thoả mãn những yêu cầu về tiêu chuẩn tương thích điện từ cho các sản phẩm được xuất đi Đây là biểu thị trách nhiệm của nhà sản xuất đối với thị trường Tại thị trường chung châu Âu EEC và EFTA, nếu một loại sản phẩm nào bị chê trách về tiêu chí chất lượng tương thích điện từ thì sản phẩm đó bị loại khỏi thị trường Để có sự chấp thuận phù hợp với tiêu chí tương thích điện từ, sản phẩm được cơ quan có thẩm quyền kiểm nghiệm và cấp chứng chỉ về

đo thử kiểm nghiệm có 2 nội dung:

- Đo thử sự phát xạ (emission): Sóng điện từ do bản thân thiết bị cần đo thử qua dây cáp nối tín hiệu hoặc dây cấp nguồn bức xạ ra không gian Các nhiễu này thường là nhiễu liên tục

- Đo thử sự chống nhiễu (Immunity): Trong đó thiết bị cần đo, chịu tác động có sóng chấn tử do một nguồn tạo sóng phát ra Trước kia, các quy định tương thích điện từ chỉ quan tâm đến sự phát xạ điện từ, vì nó là nguồn gốc gây ra các vấn đề nhiễu Tuy nhiên gần đây các ủy ban quản lý về EMC chú ý tới hầu hết các vấn đề của tính chống nhiễu do các hiện tượng quá độ dòng điện và điện áp, hiện tượng phóng điện tự nhiên (xung sét) Tuy nhiên, không có mức chính xác của “tính chống nhiễu” để cho biết là bị hỏng hoặc vẫn bình thường

Như vậy, có thể thấy vấn đề triệt nhiễu luôn luôn là vấn đề quan trọng trong sự phát triển ngành điện tử viễn thông nói riêng, và còn là vấn đề của toàn bộ các hệ thống nhúng công nghiệp hay ngành truyền thông thông tin nói chung

Vì vậy, báo cáo này sẽ nghiên cứu về các tác nhân gây nhiễu và một số phương pháp xử lý nhiễu, “Về vấn đề triệt nhiễu trong mạch in”

Chương 1: Tổng quan về tương thích điện từ - Cấu trúc board mạch in

1.1 Tổng quan về tương thích điện từ

1.1.1 Tương thích điện từ là gì

Tương thích điện từ (TTĐT) là là thuật ngữ chỉ rõ đặc tính mà những thiết bị điện, điện tử, tin học có được khi chúng vận hành tốt trong môi trường có sự hiện diện của các thiết bị khác hoặc có tín hiệu nhiễu từ môi trường xung quanh chúng tác động vào Để thực hiện được điều này, ta phải dùng những kỹ thuật để tránh những hiệu ứng không mong muốn mà nhiễu có thể gây ra Nghiên cứu về tương thích điện từ là tìm các biện pháp kỹ thuật dùng để xử lý các đặc tính trên

Tương thích điện từ được hiểu là:

- Không được gây ra nhiễu vượt quá mức độ cho phép đối với sự hoạt động bình thường của thiết bị vô tuyến điện tử khác

- Bản thân thiết bị đó phải làm việc bình thường khi các nguồn tín hiệu khác đã làm việc

* Có thể định nghĩa 3 kiểu tác động qua lại giữa các hệ thống

- Hiệu ứng do thiết bị này sinh ra tác động lên thiết bị khác, hiện tượng giao thoa bên trong cùng một hệ thống

- Hiệu ứng do môi trường xung quanh sinh ra tác động lên thiết bị

- Hiệu ứng do thiết bị sinh ra tác động lên môi trường

* Lĩnh vực TTĐT bao gồm những vấn đề sau:

- Phân tích cơ học cho ra những hiệu ứng nhiễu

- Nghiên cứu sự truyền của nhiễu do bức xạ hoặc truyền dọc theo các đường dây kim loại nối với các thiết bị

- Định nghĩa các kiểu ghép khác nhau giữa các hệ thống điện, điện tử, tin học

- Xác định các điều kiện đối với các kiểu ghép

- Đánh giá những hậu quả thực tế của nhiễu khi thiết bị vận hành

- Dự đoán những tình huống xảy ra nhiễu, trong đó một số thiết bị sẽ không vận hành đúng theo chuẩn

- Lọc nhiễu tần số hoặc thời gian

- Những phương tiện cho phép các thiết bị hoạt động không bị ảnh hưởng của nhiễu

- Tổng hợp những thiết bị dễ bị ảnh hưởng của nhiễu

- Thiết lập các tiêu chuẩn để đưa ra các giá trị giới hạn có thể chấp nhận được đối với máy phát và máy thu

Như vậy mục đích của TTĐT là mang lại sự tương thích về hoạt động của một hệ thống nhạy cảm với môi trường trường điện từ của nó cũng như các hiện tượng nhiễu loạn có thể sinh ra từ hệ thống, một phần của hệ thống hoặc bởi từ các nguồn bên ngoài

Từ đó đưa ra cách xử lý vấn đề:

- Đặc tính hóa nguồn nhiễu và xác định các trường nhiễu có thể gây ra bức xạ

- Nghiên cứu các kiểu ghép giữa nguồn gây nhiễu và hệ thống bị nhiễu

- Mô phỏng và thử nghiệm các hiện tượng trên và tìm các giải pháp kỹ thuật bảo vệ

1.1.2 Các thành phần cơ bản của nhiễu điện từ

Thành phần cơ bản của nhiễu điện từ chính là dòng chuyển dời của các hạt electron Khi thiết bị hoạt động tại vùng tần số thấp, điện trường và từ trường ít tương tác với nhau, gần như hoạt động độc lập Tuy nhiên, với điều kiện hoạt động tần số cao, trường tương tác điện từ lại gây ra nhiều vấn đề quan trọng

Điện trường tỉ lệ thuận với điện áp trong hệ thống điện, vì vậy điện trường sẽ gây

ra EMI tại những khu vực lân cận vùng điện áp cao Thông thường nhiễu EMI cao nhất gây ra bởi điện trường xuất hiện tại vùng nguồn cấp, cable và các connector đấu nối

Từ trường tỉ lệ thuận với dòng điện trong mạch, có khả năng gây ra nhiễu EMI thường xuyên hơn so với ảnh hưởng của từ trường Ảnh hưởng của từ trường càng rõ ràng hơn khi dòng điện qua các dây dẫn lớn

Với các mạch tần số cao, điện trường kết hợp với từ trường tạo thành trường điện

từ, bức xạ ra không gian với vân tốc ánh sáng Các nguồn phổ biến có thể liệt kê như radar, đài phát thanh, đài truyền hình, sóng di động, WLAN, Bluetooth Các anten trong các ứng dụng này là nguồn gây ra cũng đồng thời là nguồn thu nhiễu điện từ Đặc biệt, các dây dẫn trong mạch điện tử cũng đóng vai trò tương từ góp phần gia tăng trường nhiễu

1.1.3 Mô hình hóa nhiễu điện từ

Mô hình sau đây trình bày mô hình nhiễu EMI đơn giản nhất

Hình 1 Các thành phần EMI

Ví dụ về nguồn nhiễu có thể liệt kê là đường dây trên hệ thống điện, dây dẫn trong các mạch điện tử, anten của hệ thống truyền thông không dây Thiết bị kết nối là các terminal, connector hay các đoạn dây dẫn, ống dẫn có tác dụng kết nối các mạch điệnvới nhau, hay thiết bị chia sẻ dòng điện, điện áp với các mạch điện khác Cơ cấu chịu tác động có thể là bất kì thiết bị điện, điện tử nằm trong vùng ảnh hưởng của trường nhiễu

Nguồn gây

nhiễu

Thiết bị kết nối

Cơ cấu chịu tác động EMI

Hình 2 Mô hình nhiễu điện từ trong mạch nhúng

Các loại mô hình nhiễu EMI được liệt kê như sau:

 EMI ghép nối trở kháng

 EMI ghép nối điện dung

 EMI ghép nối cảm kháng

 EMI ghép nối bức xạ

Bảng 1 Đặc tính của các loại nhiễu

Nguồn Tần số Ghép nối Dải tác động Đích

Các tác động và ảnh hưởng giảm dần theo thứ tự EMI cảm kháng, EMI điện dung và EMI trở kháng Nhìn chung, EMI bức xạ không gây ra nhiều ảnh hưởng vì các nhà xản xuất thiết bị không dây phải đảm bảo tuân thủ các quy định về EMC Tuy nhiên, trong bối cảnh có quá nhiều thiết bị không dây được sử dụng, vấn đề EMI bức xạ sẽ ngày càng được quan tâm đúng mức

1.1.3.1 EMI ghép nối trở kháng

Hình 3 Ghép nối trở kháng

Vòng 1 là mạng lưới cấp nguồn cho hệ thống, vòng 2 là đường truyền dữ liệu của

hệ thống Tín hiệu dữ liệu của hệ thống là u2 Thành phần điện áp chồng đến điện áp u2 là

uc, thành phần này phụ thuộc vào trở kháng Zc = Rc + jῳLc Thông thường thành phần trở kháng này bé hơn rất nhiều so với trở kháng nguồn Zi + ZL nên ta có:

Uc = Zc x i1 =

x u1 Nếu thành phần i1 đủ lớn thì phần điện áp chồng này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tín hiệu dữ liệu u2, cụ thể thành phần ảnh hưởng sẽ tỉ lệ thuận với i1 và đạo hàm bậc 1 của i1 Ta có mô hình đơn giản của ghép nối trở kháng như sau:

Hình 4 Mô hình ghép nối trở kháng đơn giản

Thành phần điện trở đóng vai trò ảnh hưởng tới hệ thống không đổi, tuy nhiên ảnh hưởng của thành phần điện cảm lại gia tăng theo tần số

Nếu lựa chọn các thông số thực tế gồm: chiều dài đoạn dây dẫn l = 2m, trở kháng

Lc = 1uH/m, Rc = 1Ω, I = 1A và độ biến thiên dòng điện di/dt = 1/100 A/ns Khi đó ta có:

Rõ ràng với tần số cao, thành phần điện áp do cảm kháng gây ra đóng vai trò chi phối Theo định luật Kirchhoff, thành phần này sẽ gây ảnh hưởng lên toàn bộ mạch điện

Để giảm thiểu hiệu ứng này, hệ thống phải đảm bảo độ tự cảm càng thấp càng tốt

1.1.3.2 EMI ghép nối cảm kháng

Các dòng điện biến đổi i(t) đều gây ra từ trường B(t) gây ảnh hưởng đến các vùng mạch lân cận Sơ đồ mạch tương đương có thể được mô tả là mạch điện ghép nối với nhau thông qua cặp điện cảm

Hình 5 Ghép nối cảm kháng và mạch tương đương

Điện áp gây ra bởi dòng cảm ứng này sinh ra trường ảnh hưởng làm suy yếu các trường thông tin hữu ích khác, hoặc chồng chập làm xáo trộn hệ thống Độ ảnh hưởng của tín hiệu này phụ thuộc vào 3 yếu tố:

 Cường độ dòng i2(t)

 Khoảng cách giữa nguồn nhiễu và trường bị ảnh hưởng nhiễu

 Tần số hoạt động của trường bị ảnh hưởng nhiễu

Tín hiệu này sẽ tác động lớn đến hệ thống khi các yếu tố sau xảy ra:

 Dòng điện mạch ngoài quá lớn so với mức cần thiết

 Đường đi tín hiệu không đồng đều trong quá trình đi – về

 Mạch điện tích hợp quá gần và bao phủ trên 1 không gian quá rộng

 Hoạt động trên tần số cao và thay đổi liên tục

Ghép nối cảm kháng đôi khi lại hữu ích trong trường hợp ghép các cáp đồng trục chính xác Các ghép nối với trở kháng thấp hoạt động trong tần số cao giúp sinh ra trường chống lại ảnh hưởng của các trường nhiễu bên ngoài

Xét mạch điện 1 line và mạch điện 2 line cho đường đi và đường về Các từ trường gây ra bởi chúng lần lượt là:

Rõ ràng với công thức này thì ảnh hưởng của trường 1 line suy giảm theo r và trường 2 line đi – về suy giảm nhanh theo r2 Các trường 2 line đi – về luôn ưu thế hơn trong lĩnh vực tương thích điện từ Trong các mạch điện tử, người ta thường cố gắng tạo

ra sự cân bằng này

Hình 6 Suy hao trường theo khoảng cách của mạch điện 1 line và mạch điện 2 line đi –

về

1.1.3.3 EMI ghép nối điện dung

Các điện trường thay đổi cũng sinh ra trường ảnh hưởng đến mạch điện khác

Hình 7 Ghép nối điện dung và mạch tương đương

Trường này sẽ lớn và tác động mạnh khi:

- 2 mạch điện quá sát nhau

- Chênh lệch điện áp quá lớn trong mạch

- Điện áp trong mạch thường xuyên thay đổi quá nhanh

Ví dụ, khi xem xét tương tác của nguồn cấp điện và mạch điện mạng LAN chạy song song và cách nhau 10m Nguồn cấp thuần sin 50Hz 220V gây nhiễu với điện áp 10V cho

hệ thống thông tin vẫn có thể chấp nhận được Tuy nhiên khi hệ thống hoạt động với các linh kiện cao tần hoặc tải không thuần trở sẽ gây ra các xung nhiễu lên tới 90V gây ra

hoạt động hiệu suất rất kém cho mạng LAN

Hình 8 Mô hình 3 dây ghép điện dung

Mối quan hệ điện áp giữa các dây có thể được tính chính xác theo công thức :

Nếu lựa chọn thông số như sau : R = 1k, C = 100pF, các đường mạch có độ rộng 1mm, dài 10m và cách đều nhau 5mm Điện áp nguồn 220VAC,, khi đó ta có đồ thị điện

áp phụ thuộc như sau :

Hình 9 Điện áp phụ thuộc theo ghép nối điện dung

Ảnh hưởng của ghép nối điện dung có thể được giảm thiểu khi sử dụng các biện

pháp bọc chắn

Hình 10 Bọc chắn cho các dây cáp

Tấm chắn S1 và S2 được kết nối như 1 điểm trong hệ thống Khi đó tụ liên kết Cab sẽ được cho bởi C13//C24 và Cbc là C34 Khi đó, điện áp phụ thuộc trở nên rất bé so với điện áp nguồn, được cho bởi công thức:

1.1.3.4 EMI ghép nối bức xạ

Trường điện từ lan truyền với tốc độ ánh sáng gây ảnh hưởng đến hệ thống có thể

kể đến như sóng vô tuyến, sóng điện thoại hay các ứng dụng không dây khác Nếu mạch điện tử chứa các thành phần hoạt động tần số cao, chúng có thể tạo thành các anten bức

xạ điện từ

1.2 Cấu trúc board mạch in

1.2.1 Giới thiệu

Dựa trên tài liệu hướng dẫn thiết kế PCB trên cơ sở hằng số điện môi các nguyên vật liệu dùng để cán làm nền tảng PCB và bản chất việc thi công mạch điện tử trên PCB

là có mục đích truyền đi một tín hiệu nào đó hoặc xử lý tín hiệu rồi truyền đi

Việc hiểu về hằng số điện môi của PCB luôn là một ẩn số và hầu như là nguồn thông tin mơ hồ nhất của các nhà chế tạo PCB khi cung cấp cho người mua hàng, nên có thể gây nhầm lẫn cũng như có thể áp dụng không đúng gây nhiều sai lệch theo thiết kế, qua đó có thể dẫn đến những sai lầm khi chọn loại PCB cho sản phẩm và làm tăng giá thành vì chọn quá an toàn Việc chọn lựa loại PCB (tức là chọn hằng số điện môi cho mạch thiết kế) ngày nay càng trở nên khó khăn phức tạp do tần số xung số (clock) này

càng cao và chưa hề có dấu hiệu sẽ dừng lại Mạch điện tử hoạt động với 2 ứng dụng chính:

 Kỹ thuật tương tự/tần số cao

 Kỹ thuật số

Thành phẩm điện tử được chia thành hai lĩnh vực ứng dụng chính, mỗi một lĩnh vực đều

có những yêu cầu mang tính độc đáo riêng Các yêu cầu của hai loại vật liệu cho mỗi lĩnh vực đều có những phát triển để đáp ứng, hiểu biết lĩnh vực và yêu cầu cơ bản của chúng là cơ sở để chọn lựa nguyên liệu cho lắp ráp mạch sau này Hai ứng dụng chủ yếu là lĩnh vực là kỹ thuật tương tự tần số cao và kỹ thuật số Sự khác biệt chính giữa hai lĩnh vực này là khả năng của các mạch liên quan đến chịu sự tổn thất tín hiệu và sự phức tạp của mạch

Mạch kỹ thuật tương tự tần số cao thường là mạch xử lý tín hiệu nhỏ hoặc tín hiệu

có độ chính xác Độ chính xác mà mà 1 mạch thực hiện thành công là khi xử lý tín hiệu nhỏ mạch đó có tổn hao tín hiệu thấp nhất cho phép, méo dạng tín hiệu bé nhất và tạp nhiễu tín hiệu càng nhỏ càng tốt Tổn hao tín hiệu xảy ra là do phản xạ với trở kháng thay đổi và từ sự hấp thụ một số tín hiệu vào trong các vật liệu điện môi, đồng thời việc xuyên

thấm tín hiệu qua các lớp điện môi gây nhiễu loạn tín hiệu cần xử lý là điều không hề mong muốn Đây là một yếu tố quan trọng có thể xem xét khi lựa chọn một loại điện môi cho mạch này

Mạch kỹ thuật số có thể chịu thiệt hại tổn thất tín hiệu chút ít mà vẫn thực hiện thành công nhiệm vụ, mạch kỹ thuật số thường khá là phức tạp với yêu cầu vài hoặc nhiều tín hiệu và nhiều mức nguồn cao thấp khác nhau trong nhiều lớp của PCB Điều này tạo cho việc cán ra PCB, khoan lỗ hay các xử lý khác dễ dàng và do đó nhiều lớp nên PCB khá dày, nhưng việc hàn linh kiện và sửa chữa sau này có thể gây ra nhiều ứng nhiệt/lực tại các mối hàn xuyên thấu giữa các lớp, để đảm bảo PCB không bị hỏng thì PCB sẽ phải có đáp ứng đặc tính nhiệt độ, Tg đủ cao để chịu các công việc này Kết quả

là đặc tính vật liệu quan trọng hơn chuyện tổn thất tín hiệu Tuy nhiên ngày nay tần số xung clock ngày càng cao thì tổn hao cũng cần quan tâm

1.2.2 Các thuộc tính board mạch in

1.2.2.1 Hằng số điện môi tương đối e r

Là một thuộc tính chỉ hiệu ứng độ cách điện của vật liệu có giá trị điện dung như một dây dẫn nhúng chìm vào trong hay bao bọc quanh Chọn hằng số điện môi thấp là gần như luôn là lựa chọn tốt hơn

Hằng số điện môi tương đối của hầu hết chất điện môi cán thành PCB thay đổi theo tần số và thường giảm xuống khi tần số tăng lên Điều này thể hiện trên dây dẫn truyền tải điện hai chiều, tốc độ của tín hiệu tăng lên khi tần số tăng lên, dẫn đến biến dạng pha trong các bộ khuếch đại băng thông rộng Các bộ khuyếch đại băng thông rộng

và bộ khuyếch đại vi sóng thường cần phải được làm từ nhiều lớp với các hằng số điện môi tương đối ít thay đổi với tần số càng nhiều càng tốt để giảm thiểu vấn đề này Các biến đổi này đã gây ra sai sót trong tính toán trở kháng và đo lường trở kháng

Hình 11 Tương quan hằng số điện môi với tần số

1.2.2.2 Tg chuyển hóa nhiệt thủy tinh (Glass Transition Tempurature)

Hầu hết các loại nguyên liệu cán PCB đều có hệ số dãn nở khi nhiệt độ tăng lên, chuyển hóa nhiệt thủy tinh hay Tg là nhiệt độ mà tại đó giãn nở nhiệt có giá trị tăng lên,

đó là pha chuyển hóa của PCB có chứa sợi thủy tinh Hãy chú ý rằng giãn nở nhiệt ở nhiệt độ thấp kéo đồng và thủy tinh lại gần nhau hay còn gọi là làm co lại tạo ra hai hướng lực theo hướng X và Y của PCB Khi nhiệt độ của hỗn hợp trong PCB vượt quá điểm Tg thành phần resin trong đó bắt đầu giãn nở nhiều hơn độ giãn nở của đồng hay thủy tinh Đến khi không thể giãn nở theo chiều X-Y được nữa, resin bắt đầu giản nở theo chiều dày hay còn gọi là chiều Z, lúc này các mối hàn và các ống xuyên tâm chịu ứng lực theo hướng Z Sự tổng hợp các độ dày nhiều lớp PCB hay nhiều loại chất hàn có thể tạo

ra lỗi trước khi PCB được đưa vào sản xuất vì các giãn nở này, vì thế phải cẩn thận khi chọn PCB có Tg thích hợp với mạch ứng dụng trong môi trương có nhiệt hay mạch sinh

ra nhiệt