Как снизить электромагнитные помехи при проектировании?

Решение проблем электромагнитной совместимости электронных устройств обходится дороже, если они возникают на стадии производства. Поэтому учет на ранних этапах разработки всех факторов, которые могут влиять на появление ЭМП, помогает избежать неприятных сюрпризов во время испытаний готового устройства на электромагнитную совместимость.

С увеличением спроса на высокоскоростные схемы проектирование ПП становится все более сложным. Кроме минимизации помех на ПП инженеры должны принимать во внимание множество других факторов, которые влияют на работу схемы, в том числе — потребляемую мощность, размер ПП и наличие помех в окружающей среде.

Ниже рассматриваются методы проектирования электронных схем на стадии разработки ПП, которые позволяют устройствам успешно пройти тесты на соответствие требованиям стандартов по электромагнитной совместимости.

Схема заземления

Заземление с низкой индуктивностью — наиболее важный элемент минимизации электромагнитных помех на печатной плате. Максимальная площадь земляной шины на ПП снижает индуктивность земли в системе, что, в свою очередь, снижает электромагнитную эмиссию и перекрестные помехи.

Блоки и компоненты схемы можно подсоединять к земле различными способами. Плохо, когда компоненты подсоединяются к точкам заземления случайным образом. Такой подход приводит к возникновению высокой индуктивности земли и к неизбежным проблемам электромагнитной совместимости в системе.

Рекомендуемым подходом при проектировании ПП является использование отдельного слоя земли, т.к. он обеспечивает наименьший импеданс, поскольку ток в этом случае возвращается назад к источнику. Однако в случае двухслойной печатной платы такой подход невозможен. В этом случае следует использовать сеть заземления, как показано на рисунке 1а. Индуктивность земли будет зависеть от шага сетки заземления.

Рис. 1. Рекомендуемые способы заземления на печатной плате

Путь, по которому сигнал возвращается в системную землю, также весьма важен, поскольку, когда сигнал идет более длинным путем, он создает контур заземления, который образует антенну и излучает энергию. Таким образом, каждый проводник, передающий ток обратно к источнику, должен следовать кратчайшим путем к шине заземления.

Не следует соединять все индивидуальные земляные шины компонентов, а затем подсоединять их к слою земли, т.к. это не только увеличивает размер токовой петли, но и повышает вероятность возникновения помех по земле. На рисунке 1в показан рекомендуемый метод подсоединения компонентов к шине земли.

Использование щита Фарадея является еще одним хорошим способом уменьшения проблем ЭМП. Щит Фарадея формируется путем прошивки слоя земли по всей периферии печатной платы переходными отверстиями. Разводка любых сигналов вне этой границы не производится (см. рис. 1б). Этот метод ограничивает излучение помех на ПП внутри границы, обозначенной щитом.

Разделение печатной платы на области

Для уменьшения ЭМП компоненты на ПП необходимо группировать в соответствии с их функциональным назначением, например, аналоговые и цифровые блоки, секция источника питания, низкоскоростные схемы, высокоскоростные схемы и т.д. Проводники для каждой группы блоков должны быть разведены в пределах выделенной области. Для сигнала, который передается из одной подсистемы в другую, следует использовать фильтр на границах подсистемы.

Проводники, передающие аналоговые сигналы, следует располагать вдали от высокоскоростных или импульсных сигналов и защищать их шиной земли. Следует всегда использовать фильтр нижних частот для подавления высокочастотных помех, которые могут наводиться на аналоговые сигналы. Кроме того, важно, чтобы шины земли аналоговой и цифровой части схемы не были общими.

При разработке топологии ПП различные блоки схемы должны быть расположены таким образом, чтобы обеспечивалось достаточное пространство вокруг чувствительных входов по отношению к импульсным сигналам с большой амплитудой и/или частотой, т.к. эти сигналы могут вызывать помехи. Параллельное размещение проводников на плате обеспечивает хорошую связь между сигналами этих проводников. Если же такая связь не желательна, следует располагать шины земли между этими проводниками. Если эти дорожки должны пересекать друг друга в разных слоях, нужно разводить проводники под прямым углом, для того чтобы минимизировать площадь связи. Дорожки должны быть как можно меньшей длины, особенно те, которые передают радиочастотные или импульсные сигналы с короткими фронтами.

Слои печатной платы

Правильное расположение слоев ПП является жизненно важным с точки зрения минимизации ЭМП. Если используется более двух слоев, то целый слой должен быть использован как слой земли. В случае четырехслойной платы под слоем земли должен располагаться слой питания. На рисунке 2а показан такой вариант расположения слоев.

Следует учитывать, что слой земли всегда должен располагаться между проводниками высокочастотных сигналов и слоем питания. Если используется двухслойная плата и отвести один слой под землю невозможно, то следует задействовать сеть заземления. Если не используется отдельный слой питания, то шины земли должны располагаться параллельно шинам питания, чтобы обеспечить отсутствие помех на этих шинах.

Предпочтительно сохранять минимальное расстояние между сигнальным слоем и соседним слоем земли/питания. Это обеспечивает сравнительно низкий импеданс даже для достаточно тонких проводников. Следует избегать появления щелей в слое земли, чтобы не образовались щелевые антенны. Кроме того, нужно устранять небольшие «островки» в слоях земли. Различные области земли необходимо соединять с помощью переходных отверстий (для большинства плат достаточно одного переходного отверстия на каждые 3…5 мм проводника).

При разработке ПП переходы между слоями следует сократить до минимума. Каждое переходное отверстие, особенно «длинное», т.е. то, которое идет от верхнего слоя к нижнему, содержит некоторую индуктивность, величина которой составляет, как правило, 0,5…1 нГн. Следует особое внимание уделять соединению развязывающего конденсатора с шиной земли. Рекомендуется размещать параллельно несколько переходных отверстий поблизости от соответствующего конден-
сатора.

Высокоскоростные схемы

Когда проектируют цифровые схемы, то особое внимание уделяют тактовым и другим высокоскоростным сигналам. Проводники с такими сигналами должны быть как можно короче и располагаться в слое, смежном со слоем земли, чтобы обеспечить контроль перекрестных помех. Инженерам следует избегать использования переходных отверстий или размещать проводники с такими сигналами на краю печатной платы или около разъемов. Эти сигналы должны быть расположены вдали от шин питания, т.к. они наводят помехи и на питающее напряжение.

Необходимо тщательно рассмотреть вопрос о том, какая тактовая частота действительно нужна для данного приложения. Следует выбрать как можно более низкую рабочую частоту, т.к. от этого в первую очередь зависит электромагнитная эмиссия. При разводке схемы генератора никакие другие шины, кроме земли, не должны располагаться около или под схемой генератора. Кварцевый резонатор также должен быть размещен рядом с соответствующим кристаллом.

Следует отметить, что обратный ток всегда протекает по пути с наименьшим сопротивлением. Поэтому шины земли, проводящие обратный ток, должны быть расположены близко к дорожкам, проводящим соответствующий сигнал, чтобы сделать токовую петлю как можно более короткой.

Дифференциальные сигналы должны быть разведены близко друг к другу с одинаковой длиной обеих линий, чтобы наиболее эффективно использовать возможность погашения магнитного поля. Следует избегать больших петель и предусматривать пути обратного тока. Чем больше площадь петель, тем больше их чувствительность и меньше частота, которая может влиять на работу схемы. Это верно также и для излучения электромагнитного поля — любые проводники, которые образуют петли с радиочастотным током, могут вести себя как антенны.

Проводники, передающие тактовые сигналы от источника к устройству, должны иметь согласованную нагрузку, т.к. в случае рассогласования импеданса часть сигнала отражается. Если не обеспечить надлежащее согласование, то большая часть энергии будет излучаться впустую. Имеется множество способов создания эффективной нагрузки, включая нагрузку источника, оконечную нагрузку, нагрузку по переменному току и др.

Перекрестные помехи могут присутствовать между любыми двумя проводниками на ПП и зависят от взаимной индукции и взаимной емкости, которые определяются расстоянием между двумя проводниками, фронтом импульсов и импедансом проводников. В цифровых системах перекрестные помехи, вызванные взаимной индукцией, обычно превышают уровень перекрестных помех, вызванных взаимной емкостью. Взаимная индукция может быть снижена за счет увеличения расстояния между двумя проводниками или уменьшения расстояния от шины земли.

Критичные компоненты схемы, такие как тюнеры, могут потребовать экранировки. Длину критичных соединений следует выбирать так, чтобы она была меньше 1/10 от длины волны для наивысшей частоты, которую генерирует схема.

Здесь следует иметь в виду два соображения. Во-первых, длина волны (λ) на ПП сокращается из-за влияния относительной диэлектрической проницаемости материала платы (εr). Для материала FR4 диэлектрическая проницаемость равна ~4,5. Однако эффективная величина εr будет еще меньше, т.к. часть электрического поля микрополосковой линии находится в свободном пространстве. Длина волны определяется по следующей формуле:

.

Для частоты 3 ГГц согласно этой формуле длина проводника, равная ~50 мм, уже составляет 1/10 часть длины волны. Во-вторых, наивысшая частота в схеме определяется наименьшей длительностью фронта сигнала, поэтому если некоторые компоненты системы работают на частоте 1 МГц с фронтом 1 нс, то на ПП будут присутствовать сигналы с частотой, по крайней мере, 500 МГц.

Развязывающие конденсаторы и резисторы

Любые помехи на источнике питания влияют на функционирование устройства. Как правило, помехи, связанные с источником питания имеют высокую частоту, поэтому требуется использовать шунтирующий или развязывающий конденсатор, чтобы отфильтровывать этот шум.

Развязывающий конденсатор обеспечивает низкоомный путь для высокочастотного тока с шины питания на землю. Путь, который проходит ток по направлению к земле, образует контур заземления. Длину этого пути следует минимизировать путем размещения развязывающего конденсатора поблизости от микросхемы (см. рис. 2б). Длинные контуры заземления увеличивают излучение помех и могут действовать как потенциальные источники сбоев.

Рис. 2. а) вариант расположения слоев в четырехслойной плате; б) монтаж развязывающего конденсатора на плате

Реактивное сопротивление идеального конденсатора стремится к нулю при увеличении частоты. Однако следует помнить, что на более высоких частотах конденсатор также имеет некоторые встроенные паразитные компоненты, такие как последовательная индуктивность и сопротивление, известное как эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Кроме того, выводы и корпус микросхемы добавляют индуктивность.

Простейшая эквивалентная схема конденсатора содержит конденсатор номинальной величины, ESR и паразитную последовательную индуктивность. ESR определяет наименьшую величину импеданса, которая достигается при последовательном резонансе конденсатора. Выше этого последовательного сопротивления импеданс конденсатора будет увеличиваться с частотой, т.е. конденсатор начинает вести себя как индуктивность. Более сложная модель конденсатора содержит также конденсатор Cp и резистор Rp (см. рис. 3).

Рис. 3. Эквивалентная схема конденсатора

Паразитная индуктивность вместе с конденсатором Cp приводит к параллельному резонансу, которым часто пренебрегают, т.к. в обычных керамических SMD-конденсаторах он возникает только при частоте, превышающей несколько ГГц.

Последовательный резонанс конденсатора определяется его типом (электролитический, пленочный, керамический), механическими размерами и формой, а также, конечно, его номиналом. Поэтому рекомендуется не просто размещать один развязывающий конденсатор, а использовать два или несколько конденсаторов, чтобы обеспечить широкополосную развязку. Например, часто используют в паре 10-нФ конденсатор для низких частот и 100-пФ конденсатор для более высоких частот.

Развязывающие конденсаторы следует размещать как можно ближе друг к другу и к компоненту. Кроме того, полезно использовать многослойные платы со слоем земли, который расположен сразу под сигнальным слоем. Важно также выполнять моделирование схем с учетом реальных параметров конкретных конденсаторов, а не просто выбирать их вслепую. В некоторых проектах размещают только отдельную центральную группу конденсаторов для развязывания большой области, но это не следует делать без тщательного моделирования.

Кроме того, резисторы нужно рассматривать как более сложные компоненты (параметры которых в высокой степени зависят от типа конструкции и величины сопротивления). Эквивалентная схема резистора показана на рисунке 4. К счастью, для типичных низкоомных тонкопленочных резисторов, которые используются для построения фильтров электромагнитных помех, вклад паразитных элементов в большинстве случаев пренебрежимо мал до частот 1 ГГц.

Рис. 4. Эквивалентная схема резистора

Кабели и экранировка

Большинство проблем, связанных с электромагнитной совместимостью, вызываются кабелями, передающими цифровые сигналы, которые действуют как эффективная антенна. Идеально, когда ток, попадая в кабель, без потерь выходит из него на другом конце, но в реальности на ток влияют паразитная емкость и индуктивность, которые излучают электромагнитное поле.

Использование кабеля с витыми парами позволяет исключить какие-либо наведенные магнитные поля. Когда используется плоский кабель, необходимо множество проводов, чтобы обеспечить множество путей возврата тока через землю. Для высокочастотных сигналов следует использовать экранированные кабели, в которых экран соединен с землей в начале и в конце кабеля.

Экранировка — это механический метод снижения ЭМП. Для предотвращения попадания помех в систему используют металлические корпуса (проводящие и/или магнитные материалы). Можно применить экран для покрытия всей системы или ее части в зависимости от требований. Экран напоминает закрытый проводящий контейнер, подсоединенный к земле, который эффективно снижает размер рамочных антенн путем поглощения и отражения части их излучения.

Таким образом, экран также действует как раздел между двумя областями пространства, ослабляя излучаемую электромагнитную энергию. Экран уменьшает ЭМП путем ослабления электрического и магнитного поля излучаемой волны.

Защита портов микросхем от радиочастотных помех

Высокоомные порты микросхем чувствительны к радиочастотным помехам, следовательно, их импеданс следует уменьшать до допустимого уровня или предусмотреть низкоомный путь на земляную шину для РЧ-помех. Если специально указано, что некоторые выводы земли в микросхеме связаны с определенными выводами напряжения питания или портами, где должны располагаться развязывающие конденсаторы, следует принять это во внимание.

Порты, которые подсоединяются вне электронного модуля, требуют особого внимания — следует, по возможности, предусмотреть размещение на них развязывающих конденсаторов и последовательных резисторов. Часто используют резисторы номиналом 10…100 Ом, но несмотря на то, что более высокие номиналы резисторов обеспечивают более эффективные фильтры, они вызывают также и более высокие падения напряжения для DC-сигналов. Если эмиссия конкретного порта вызывает проблемы, то один конец резистора подсоединяют к порту, а конденсатор — к другой его стороне. Для частот, величина которых превышает 10 МГц, более эффективными могут быть ферритовые шайбы, а не только резисторы.

Литература

1. Ashish Kumar, Pushek Madaan. Top 10 EMC design considerations//www2.electronicproducts.com.

2. Christoph Hammerschmidt. EMC — Synonym for Exasperating, Magic, Confusing?//www.automotivedesign-europe.com.