Электромагнитная совместимость и разводка печатных плат. Часть 2

Начало статьи.

Определение течения тока

Возможно, наиболее существенным различием между разработчиками цифровых схем и специалистами по ЭМС (и целостности сигнала) является то, что вторые уделяют больше внимания токам и напряжениям схемы. Это очень важно, ведь большинство плохих конструкций — прямой результат пренебрежения к проблеме протекания сигнальных токов.

Вопрос идентификации линий тока имеет очень большое значение для разработки хорошей конструкции печатной платы, а потому мы остановимся на нем подробнее. Первое, на что нужно обратить внимание:

1. Течение тока в петлях. Величина тока, текущего от одной стороны источника, должна сохраниться при возврате с другой стороны.
2. Ток идет по пути наименьшего импеданса. На низких частотах (килогерцы и ниже) импеданс подавляется сопротивлением, поэтому ток идет по пути (или путям) наименьшего сопротивления. На высоких частотах (мегагерцы и выше) импеданс подавляется индуктивностью, поэтому ток идет по пути (путям) наименьшей индуктивности.

Рассмотрим разводку печатной платы, которая приведена на рис. 1. Сигнал в 50 МГц распространяется по дорожке, расположенной над полигоном от компонента А к компоненту В. Мы знаем, что такая же величина тока должна вернуться от компонента В к компоненту А. В данном случае предположим, что ток проходит через вывод компонента В, обозначенный как GND, и возвращается на вывод компонента А, обозначенный тоже как GND. Поскольку в конструкции используется сплошной полигон, а заземляющие выводы обоих компонентов закрыты, можно заключить, что ток идет по самому короткому пути между ними. Однако мы знаем, что это не верно. Высокочастотные токи протекают по пути наименьшего импеданса или по наименьшей петле. Большинство сигнальных токов, возвращающихся на полигон, пройдут по пути 2 прямо под сигнальной дорожкой.

Рис. 1. Какой путь пройдет возвратный ток?

Если по какой-то причине плоскость отделена зазором, как показано на рис. 2, то зазор в положении 2 будет иметь небольшое влияние на целостность сигнала или на излучение. Зазор в положении 1, однако, может стать причиной значительных проблем. Ток, возвращающийся на полигон под дорожкой, направляется вокруг зазора. Это увеличивает контур петли.

Рис. 2. Как положение зазора влияет на течение возвратного тока

При низких частотах (обычно килогерцы и ниже) сопротивление полигонов будет стремиться распределить поток тока наружу таким образом, что ток, идущий между двумя отдаленными точками, может покрыть бóльшую часть платы (рис. 3). Для плат со смешанными сигналами, содержащими низкочастотные аналоговые и цифровые компоненты, это может стать причиной проблем. На рис. 4 показано, как хорошо расположенный на заземляющем полигоне зазор способен защитить цепи, размещенные в указанной области платы, от низкочастотных возвратных токов, протекающих на полигоне.

Рис. 3. Путь прохождения тока низкой частоты

Рис. 4. Пусть прохождения тока низкой частоты с полигоном, отделенным зазором

Определение антенн

Существует три условия, которые нужно выполнить для определения большинства непредусмотренных антенн:

1. Антенна должна иметь две части.
2. Обе части не должны быть электрически малыми.
3. Что-то должно наводить напряжение между обеими частями.

Большинство печатных плат являются электрически малыми при частотах ниже 100 МГц (λ > 3 м). Из указанного следует, что любая эффективная часть антенны должна быть относительно крупной по сравнению с большинством компонентов платы. На низких частотах элементами активной антенны становятся только подключенные кабели и/или металлические шасси. Если печатная плата разведена так, что вероятность наведения напряжения между двумя любыми из возможных антенн на ней снижена, то возможность возникновения излучения или чувствительности к излучениям также будет гораздо меньше.

На рис. 5 показаны разводки двух печатных плат. Разъемы и соединители шасси являются потенциальными эффективными частями антенны. Разводка № 2 будет иметь меньше проблем с излучениями с частотой ниже 100 МГц, так как на ней с меньшей вероятностью будет образовываться значительное напряжение между двумя проводниками, которые могут служить как две части антенны. Это достигается размещением двух разъемов на одной стороне платы.

Рис. 5. Две возможные разводки печатной платы

При частотах выше 100 МГц длина волны короче, поэтому, вероятнее всего, объекты, размещенные на плате (или сама плата), будут служить как части антенны. Тем не менее даже при частотах до нескольких гигагерц эти элементы антенны достаточно легко обнаружить. Например, при частоте 1 ГГц длина волны в свободном пространстве составляет 30 см. Четверть длины волны — 7,5 см. Таким образом, эффективная часть антенны будет достигать по крайней мере несколько сантиметров в длину и активироваться по отношению к чему-то, что имеет такую же или большую величину. Напомним, что дифференциальные токи (токи, чьи пути возврата проходят рядом) — относительно слабые источники излучения. Это значит, что дорожка, проходящая непосредственно рядом или над путем возврата тока, не станет частью антенны. То есть, если одна половина нашей антенны представляет собой металлический полигон платы, другая половина должна находиться дальше от полигона и выступать над поверхностью. Очевидно, эту антенну легко обнаружить даже при относительно высоких частотах. В таблице перечислены антенны, которые можно обнаружить на ПП с частотами выше и ниже 100 МГц.

Определение механизмов связи

После того как мы определили потенциальные источники шума, «жертвы» и антенны, необходимо уменьшить взаимодействие между ними. Существует четыре категории возможных механизмов электромагнитной связи:

• кондуктивная связь;
• связь по электрическому полю;
• связь по магнитному полю;
• излучения.

Поскольку речь идет о взаимодействиях между источником и его антенной на одной и той же ПП, маловероятно, что возникнет связь через излучение. Поэтому необходимо рассмотреть только три первых из перечисленных выше механизмов связи. Кондуктивная связь возникает, только если определенный нами источник напрямую активирует одну часть антенны относительно другой. Пример кондуктивной связи — сигнальная дорожка, которая достаточно длинна, чтобы быть частью эффективной антенны по отношению к полигону возврата сигнала, но не проходит по этому полигону. В данном случае источником был бы источник сигнала, а антенной — пара дорожка-полигон. Очевидно, что высокочастотные сигналы, поступающие прямо на дорожки или другие проводники, необходимо возвращать к их источникам по иным проводникам, проходящим рядом, чтобы избежать появления излучения из-за возникающей кондуктивной связи между источником и антенной.

Кондуктивную связь можно легко обнаружить, когда определены источник и части антенны. Механизмы связи по полю, однако, не насколько очевидны. Для того чтобы лучше понять механизм возникновения связи по полю, можно представить связь по электрическому полю как связь, которая пропорциональна источнику напряжения (возникает из-за напряжения), а связь по магнитному полю — как связь, пропорциональную источнику тока (возникает из-за тока).

Связи, возникающие из-за напряжения

На рис. 6а показан пример возникновения связей, вызванных напряжением и ставших причиной излучения, — проложенная под теплоотводом сигнальная дорожка. Если теплоотвод не является электрически малым элементом, он может стать антенной. Металлические полигоны платы также могут быть частями антенны. Дорожка не присоединена напрямую к теплоотводу, поэтому здесь нет линии кондуктивной связи. Однако напряжение на дорожке может сделать теплоотвод одной частью антенны по отношению к плате, так как линии электрического поля между дорожкой и платой пересекаются теплоотводом (рис. 6б). Эти связи по электрическому полю могут быть представлены емкостями (рис. 6в). Величина напряжения, наведенного между теплоотводом и платой, задается выражением:

где V_HEATSINK — напряжение на теплоотводе; V_SIGNAL — напряжение сигнала; Z_{HEATSINK-TO-BOARD} — импеданс на участке между теплоотводом и платой; Z_{TRACE-TO-BOARD} — импеданс между дорожкой и платой; C_{TRACE-TO-HEATSINK} — емкость между дорожкой и теплоотводом (рис. 6в); C_{HEATSINK-TO-BOARD} — емкость между теплоотводом и платой (рис. 6в).

Рис. 6. Дорожка ПП, связанная с теплоотводом

Обычно разработчики плат избегают прокладывать высокоскоростные сигнальные дорожки непосредственно под большими теплоотводами. Другой, более общий пример связи, вызванной напряжением, приведен на рис. 7. Активный компонент находится между ПП и теплоотводом. Напомним, что ни плата, ни теплоотвод на интересующих нас частотах не являются электрически малыми. Среднее напряжение на компоненте не равно напряжению на плате, поэтому данное напряжение делает поверхность компонента активной по отношению к плате, как показано на модели на рис. 7б. Прямого соединения между теплоотводом и источником нет, а значит, нет и кондуктивной связи. Однако емкость между поверхностью компонента и теплоотводом обеспечивает непрямое соединение (посредством электрического поля).

Рис. 7. Напряжение на компоненте делает теплоотвод антенной относительно печатной платы

Необходимо учитывать, что в данном случае ток стал причиной возникновения индуктивности, которая в свою очередь создала напряжение источника. Другими словами, в связь было включено и магнитное поле. Тем не менее поле, соединяющее компонент и антенну, — это электрическое поле, и величина излучения пропорциональна напряжению компонента по отношению к плате. Поэтому мы и рассмотрели данную связь как связь, вызванную напряжениями.

Связи, вызванные током

Когда связь между источником и антенной возникает из-за магнитного поля и при этом соответствует сигнальному току, она рассматривается как связь, возникшая из-за токов. Дизайнеры плат часто думают о сигналах в контексте напряжений и, следовательно, непреднамеренно связывают антенны и напряжение сигнала. Однако если пренебречь вопросом, где протекают токи, может получиться, что разрабатываемая конструкция будет иметь две части антенны, соединенные магнитным полем.

Часто встречающаяся связь, вызванная токами, показана на рис. 8. Рассмотрим хорошо сконструированную плату с разъемами, расположенными с каждой ее стороны. Допустим в этом обсуждении, что мы имеем очень хорошо защищенные кабели, а их защиты соединены с «землей» на печатной плате. Пусть схема состоит из одной-единственной микрополосковой линии передачи, которая начинается с одной стороны и заканчивается с другой стороны платы и находится между двумя разъемами.

Рис. 8. Пример связи, возникающей из-за токов на печатной плате

Мы уже говорили, что микрополосковые линии передачи не являются эффективными источниками излучения, а потому в такой конструкции есть только две возможные части антенны — это две защиты кабеля, и обе они заземлены. Предполагается, что обе части антенны будут под одним потенциалом, поскольку соединены между собой широким медным полигоном. Однако необходимо помнить о том, что заземляющий проводник не проводит предусмотренное напряжение или сигнальный ток.

Как показано на рис. 8б, заземляющий полигон в конструкции проводит сигнальный ток. В действительности ток, текущий по полигону, создает магнитное поле, которое «обволакивает» его. Если рассматривать два кабеля как части антенны и представить путь тока антенны как импеданс антенны, показанный на рис. 8в, то получится, что течение тока по микрополосковой линии наводит напряжение на плоскости, а это в свою очередь образует связь между одним и другим кабелем.

В целом напряжения на полигоне на несколько порядков меньше, чем сигнальные напряжения, при этом шумов в несколько милливольт на эффективной антенне достаточно, чтобы превысить требования FCC и CISPR по величине излучения. В действительности же, когда высокоскоростные цифровые компоненты находятся между разъемами на плате в незащищенном изделии, выполнять эти требования по излучению очень сложно. С другой стороны, когда два разъема размещены рядом, вряд ли магнитное поле наведет достаточное напряжение между ними и тем самым вызовет определенные проблемы.

Прямая связь с вводом/выводом

Хотя, прямо скажем, это не независимый механизм связи, общая проблема, возникающая с различными разводками ПП, — появление прямой зависимости между источниками шума и дорожками, способными вывести этот шум с платы. Пример такой связи приведен на рис. 9. Относительно высокоскоростная дорожка проложена вдоль другой дорожки, которая присоединена к разъему. Напряжения и/или токи, проходящие от одной дорожки к другой (посредством электрического или магнитного поля), могут распространяться вниз от дорожки ввода/вывода и за пределы платы. В примере, показанном на данном рисунке, двумя частями антенны может стать как весь кабель ввода/вывода, активный по отношению к плате, так и один из его проводов, активный по отношению к другому проводу кабеля.

Рис. 9. Возможная проблема взаимодействия

Можно подумать, будто это редко встречающаяся проблема, однако на платах с сотнями и тысячами дорожек, проложенных автоматическим трассировщиком, подобная ситуация возникает довольно часто. Если используемый автоматический трассировщик не может проверять дорожки ввода/вывода, находящиеся поблизости от высокоскоростных дорожек, то впоследствии необходимо вручную выполнить проверку. Ручная проверка также нужна для дорожек ввода/вывода, находящихся рядом с дорожками, соединенными с чувствительными вводами, поскольку самый простой способ для излучаемого шума повлиять на плату — распространиться через ввод/вывод.