Yüksek hızlı devrelere olan talebin artmasıyla PCB tasarımı yapmak önemli ölçüde daha zorlu hale gelmiştir. PCB üzerinde ki tasarım mantığının yanı sıra güç tüketimi, PCB boyutu, çevre gürültüsü ve EMC gibi devreyi etkileyen diğer bazı hususların göz önünde bulundurulması gerekir. Bu makalede PCB tasarım aşamasında EMC ve EMI’nin kontrol edilebileceği/ önlenebileceği bir sistem tasarlamak için dikkat edilmesi gerekenler ele alınmıştır.

1. Giriş

Elektronik bir sistem baskılı devre kartlarından (PCB’ler), entegre çiplerden, ara bağlantılardan ve giriş / çıkış kablolarından oluşur. Ara bağlantılar uzunluğa ve taşınan akıma bağlı olarak yüksek frekanslarda anten olarak hareket etme eğilimindedir. Bu durum elektromanyetik girişim (EMI) ile sonuçlanır. Meydana gelen EMI radyasyonları, çevrede bulunan diğer cihazlarla etkileşime girer. Bu etkileşime maruz kalan cihazlar, insan ve çevre sağlığı için güvenlik problemleri oluşturabilir[1]. Bundan dolayı emisyon seviyesini sınırlayan uluslararası standartlar vardır. Cihazların bu standartlara uygun tasarlanmış olması ve standartların asgari şartlarını sağlıyor olması gerekir. Bu nedenle elektromanyetik radyasyonun ölçülmesi ve bu radyasyonların kontrol edilmesi son derece önemlidir [2].

2. Elektromanyetik Uyumluluk (EMC) ve Elektromanyetik Girişim (EMI)

Elektromanyetik uyumluluk (EMC), bir elektronik sistemin elektromanyetik bir ortamda yakında ki cihazlarda / sistemlerde elektromanyetik girişim oluşturmadan tatmin edici bir şekilde çalışabilme yeteneğidir. Elektromanyetik uyumluluk, sistemin tanımlanan güvenlik önlemleri kapsamında amaçlandığı gibi çalışmasını sağlar [3].

Elektromanyetik girişim (EMI), çeşitli kaynaklar tarafından oluşturulan elektromanyetik gürültü sinyallerinin, elektronik bileşenlere sahip cihazlara farklı yollardan nüfus ederek sistem çalışmasını olumsuz yönde etkilemesine neden olur [3].

PCB tasarımının ilk aşamasında EMI’yi kontrol etmek çok önemlidir. Daha sonra ki üretim aşamalarında EMI’yi kontrol etmek maliyet açısından riskli olabilir. EMC dostu bir elektronik kart tasarımı için dikkat edilmesi gereken en önemli parametreler; bileşen seçimi, devre tasarımı ve PCB yerleşim tasarımıdır. Ticari ürünlerin pazara hazır olması için öngörülen EMC standartlarını sağlaması gerekir. 1996 yılından itibaren Avrupa Birliği pazarında EMC standartlarının sağlanması zorunlu hale getirilmiştir ve CE belgelendirmesi için de gerekliliktir [4].

3. PCB Tasarımında EMI/EMC Önleyici Yaklaşımlar

3.1. Toprak Düzlemleri

EMI’yi en aza indirmek için uygulanan en önemli PCB tasarım unsurlarından biri düşük endüktanslı toprak sistemidir. PCB üzerinde ki toprak alanını maksimize etmek sistemde ki toprak endüktansını azaltır. Bu da elektromanyetik emisyonları ve paraziti azaltır[5]. Sinyaller farklı yöntemler kullanılarak toprağa bağlanabilir. Bileşenlerin rastgele topraklama noktalarına bağlandığı yapı zayıf bir PCB tasarımıdır. Böyle bir tasarım yüksek toprak endüktansı üretir ve kaçınılmaz EMC sorunlarına yol açar [6].

Tasarımda PCB katmanlarından birinin tamamının toprak olması düşük empedans sağlayacağı için tercih edilmelidir[3]. Bir katmanın tamamının toprak olması mümkün değilse, o zaman toprak ızgaraları kullanılmalıdır. Bu durumda toprak endüktansı ızgaralar arasında ki boşluğa bağlı olacaktır[4].

Faraday kafesi kullanmak EMI’nin neden olduğu sorunları azaltmak için kullanılan başka bir mekanizmadır. Faraday kafesi, PCB’nin tüm çevresine toprak atılması ve bu sınırın dışına herhangi bir sinyal gönderilmemesi ile oluşturulur. Bu mekanizma kafes tarafından tanımlanan sınırın içinde ve dışında PCB’den PCB’ye emisyonu ve paraziti sınırlar [4].

Bir sinyalin sistem topraklamasında dönme şekli de çok önemlidir. Çünkü bir sinyal daha uzun bir yol izlediğinde, anten oluşturan ve enerji yayan bir toprak döngüsü oluşturur. Bu nedenle akımı kaynağa geri taşıyan her yol, en kısa mesafeyi takip etmeli ve doğrudan toprak düzlemine gitmelidir. Devredeki tüm toprak yollarının bağlanması ve ardından bunların toprak düzlemine bağlanması tavsiye edilmez [3].

Şekil 1 Çeşitli toprak düzlemi uygulamaları [3]

Yüksek hızlı devreler toprağa, düşük hızlı devreler güç katmanına daha yakın yerleştirilmelidir.

Bakır dolgu alanlarının daima topraklanması gerekir. Aksi takdirde anten gibi davranarak EMC sorunlarına neden olabilir [3].

Devrede birden fazla güç kaynağı gerektiren durumlarda güç düzlemlerinin toprak düzlemleri ile ayrılmasıyla güç kaynaklarının birbirinden gürültü alması önlenebilir[4].

İlginizi Çekebilir: Nötr Topraklama Direnci

3.2. Bileşen Ayrımı

EMC dostu bir elektronik kart tasarımı için, PCB üzerinde ki bileşenlerin analog, dijital, güç kaynağı, düşük hızlı devreler, yüksek hızlı devreler vb. işlevselliklerine göre gruplandırılması gerekir. Her bileşen grubu için sinyal yolları tanımlanmış alanlarda kalmalıdır. Bir alt sistemden diğerine bir sinyal bağlanması gerektiğinde filtre kullanılabilir. [4]

Şekil 2 PCB bileşenlerinin gruplandırılması

3.3. PCB Katmanlarının Düzenlenmesi

Bir PCB’nin EMC performansı katmanlarının düzenlenmesine de bağlıdır. İki veya daha fazla katmanlı bir PCB tasarlanacaksa bir katmanın tamamı toprak olarak kullanılmalıdır. Dört katmanlı bir PCB olması durumunda toprak katmanının altı güç katmanı olarak kullanılmalıdır[1]. Toprak katmanının her zaman yüksek frekanslı sinyal yolları ile güç katmanı arasında olmasına dikkat edilmelidir. Ayrı bir güç düzlemi kullanılmıyorsa beslemeyi temiz tutmak için toprak yolları ve güç yolları paralel olarak tasarlanmalıdır.[3]

Şekil 3 4 katlı PCB katman düzenlemesi [3]

Dörtten fazla katman olduğunda PCB katmanlarının sinyal katmanı › toprak / güç katmanı › sinyal katmanı › toprak / güç katmanı › sinyal katmanı › toprak / güç katmanı › sinyal katmanı şeklinde düzenlenmesi önerilir.[4]

3.4. Dekuplaj Kondansatörü

IC’ler çalışırken iç yapılarından dolayı yüksek frekansla anahtarlama yaparlar. Bu durum IC’ye bağlı yollarda anahtarlama gürültüsüne neden olur. Bu gürültü kontrol edilmezse emisyona ve dolayısıyla EMI’ye neden olacaktır[1]. IC yakınına Dekuplaj kondansatörü yerleştirilerek anahtarlama gürültüsünün PCB’de ki yayılımını azaltmak ve gürültüyü toprağa yönlendirmek mümkündür.[2]

Şekil 4 Dekuplaj kondansatörü yerleşimi [4]

3.5. Crosstalk

Crosstalk, PCB üzerinde ki bir yolun oluşturduğu elektromanyetik gürültünün yakında ki diğer bir yolda sebep olduğu bozulmaları tanımlamak için kullanılır. PCB’de Crosstalk genellikle aynı katmanda yan yana veya bitişik katmanlarda biri diğerinin üzerinde olan yollarda oluşur. Bu durum gürültü olarak görünür ve genlik çok büyükse arızalara neden olabilir [7].

Şekil 5 Crosstalk örneği [8]

PCB’de yollar çizilirken 90°’lik bir bükülmeyle karşılaştığında kapasitans artar ve bu da yansımalara yol açan karakteristik empedans değerinin değişmesine neden olur. Bu nedenle dönüşlerde 45°’lik dönüş açısı tercih edilmelidir. [4]

Şekil 6 45°’lik dönüş açısıyla çizilmiş yol örneği [4]

3.6. Dijital Devreler

Dijital devrelerle çalışılırken yüksek hızlı sinyallere ekstra dikkat gösterilmelidir. Bu tür sinyalleri bağlayan yollar olabildiğince kısa tutulmalı ve paraziti kontrol altında tutmak için toprak düzlemine bitişik olmalıdır. Bu tür sinyallerin yolları çizilirken PCB’nin kenarından veya konektörlerin yakınından geçirilmesinden kaçınılmalıdır. Bu sinyaller güç düzleminde de gürültüye neden olabileceğinden güç düzleminden uzak tutulmalıdır [9].

Devrede osilatör elemanı için yol çizilirken toprak dışında başka hiç bir yolun osilatörün veya yollarının paralelinde ve altında çalışmamasına dikkat edilmelidir. Osilatör ayrıca ilgili IC’ye yakın tutulmalıdır [1]. Ayrıca dönüş akımının her zaman en az reaktans yolunu izlediğini dikkate almak gerekir. Bu nedenle akım döngüsünü mümkün olduğunca kısa tutmak için dönüş akımı taşıyan toprak yolları, ilgili sinyali taşıyan yollara yakın tutulmalıdır [9].

3.7. Analog Devreler

Analog sinyalleri taşıyan yollar, yüksek hız veya anahtarlama sinyallerinden uzak tutulmalı ve her zaman bir toprak sinyali ile korunmalıdır. Analog yolları çevreleyen yüksek frekanslı gürültülerden korunmak için alçak geçiren filtre kullanılabilir. Ek olarak analog ve dijital alt sistemlerin toprak düzlemlerinin ortak olmaması önemlidir[2].

3.8. Ekranlama

Ekranlama elektriksel bir çözüm olmayıp EMI’yi azaltmak için uygulanan mekanik bir yaklaşımdır. Elektromanyetik yayılımın engellenmesi için metalik paketler (iletken veya manyetik malzemeler) kullanılır. Bu paketler gereksinimlere bağlı olarak tüm sistemi veya bir kısmını kaplamak için kullanılabilir. Koruma, toprağa bağlı kapalı iletken bir muhafaza gibidir. Elektromanyetik yayılımın bir kısmını emerek veya yansıtarak yayılımı etkili bir şekilde azaltır[6]. Bu şekilde bir koruma aynı zamanda bir bölgeden diğerine yayılan elektromanyetik yayılımı zayıflatarak devreler/cihazlar arasında bir bölme görevi görür. Koruma, yayılan dalganın hem elektrik alan hem de manyetik alan bileşenini zayıflatarak EMI’yi azaltır[10].

Şekil 7 Ekranlama örneği [4]

4. Sonuç

Bir elektronik devre önceden tanımlanmış bir şekilde düzenlenmiş birkaç elektronik bileşenden oluşur. Düzenleme uygun değilse çeşitli EMI/EMC sorunlarına neden olabilir. Herhangi bir bileşen için bir PCB tasarımı, EMC performansı ve üretilen elektromanyetik yayılım miktarı üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Bir PCB tasarlanırken her bileşenin EMI / EMC etkisine dikkat edilmesi gerekir. İyi bir EMC performansı parazit kaynaklarının ortadan kaldırıldığı veya devreyi olumsuz etkilerinden korunduğu PCB tasarımı uygulamaları ile elde edilebilir. Nihayetinde amaç daha iyi EMC performansı için devre kartının amaçlanan işlevselliğini korumaktır. Herhangi bir elektronik devrenin elektromanyetik uyumluluğu, elektromanyetik gürültünün oluşumu, yayılması ve alınmasıyla ilişkilidir. Doğru EMC iyileştirmelerine sahip PCB tasarımları nihai ürüne ekstra maliyet getirmez, bu nedenle ilk tasarım aşamasında dikkate alınması önerilir.

Kaynakça

1. Montrose, M.I. 1998. EMC and the Printed Circuit Board, Design, Theory, and Layout Made Simple, IEEE Press
2. Williams, T. 2001. EMC for Product Designers, 3rd edition, Newnes, ISBN: 0-7506-4930-5
3. https://www.electronicproducts.com/top-10-emc-design-considerations/ / Erişim Tarihi: 22.11.2020
4. https://www.protoexpress.com/blog/7-pcb-design-tips-solve-emi-emc-issues/ / Erişim Tarihi: 22.11.2020
5. Üstüner, F. 2011. EMI/EMC Elektromanyetik Girişim ve Uyumluluk, TÜBİTAK UME Sunum
6. EMI/EMC Gürültü Azaltma ve Korunma, Ekranlama, Topraklama ve PCB Tasarımı, Çeviri Çiğdem Özşar, Aydın Bodur, TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası Yayınları, 1.Basım, 2008, Ankara
7. https://www.altium.com/solution/crosstalk-or-coupling / Erişim Tarihi: 22.11.2020
8. https://eeestudy.com/what-is-crosstalk-in-pcb-design/ / Erişim Tarihi: 22.11.2020
9. H. W. Johnson, M. Graham, High Speed Digital Design, a Handbook of Black Magic
10. https://aktif.net/tr/Aktif-Blog/Teknik-Makaleler/emc-lvd-testleri-ve-uygulamalari / Erişim Tarihi: 22.11.2020

Özge Memiş 
Elektrik Elektronik Mühendisi  
Aktif Mühendislik