Электромагнитная совместимость и разводка печатных плат. Часть 1

Введение

Некоторые печатные платы производятся с использованием крошечных кремниевых пластинок и подобных материалов и состоят из различных компонентов, соединенных между собой кабелями. Однако чаще всего в центре внимания специалистов по электромагнитной совместимости (ЭМС) оказываются схемы, расположенные на платах на основе гетинакса или на текстолите с эпоксидным наполнителем. Печатные платы (ПП), подобные плате, изображенной на рис. 1, могут использоваться практически во всех электронных системах. Компоненты платы с металлическими выводами соединены между собой медными дорожками. По технологии поверхностного монтажа компоненты припаиваются на верхнюю и/или нижнюю сторону платы. Компоненты, монтируемые в отверстия, удерживаются с помощью контактных выводов, которые проходят сквозь плату и припаиваются к дорожкам с обратной стороны.

Рис. 1. Печатная плата

На однослойных платах дорожки прокладываются с одной стороны. Двусторонние платы содержат дорожки с обеих сторон. Многие платы имеют несколько слоев медных дорожек, разделенных слоями стеклотекстолита с эпоксидным наполнением (или другим диэлектриком). Такие платы рассматриваются как многослойные ПП. Количество слоев обычно четное. В продуктах с низкой стоимостью обычно используются четырехслойные платы. Но встречаются платы с десятками слоев с высокой плотностью монтажа компонентов и большим количеством выводов.

Многослойные печатные платы обычно имеют целые слои, содержащие сплошные медные полигоны, предназначенные специально для подвода питания к компонентам на плате. Таким полигонам обычно присваивается имя по названию выводов компонентов, к которым они присоединены. Например, медный полигон, соединяющий все выводы компонентов V_CC с источником питания, часто будет называться V_CC.

При определении электромагнитной совместимости изделий, сконструированных на основе печатных плат, расположение компонентов и разводка дорожек играют важную роль. Тщательно продуманные и разработанные ПП не будут отражать и увеличивать свое собственное излучение и способны уменьшать токи и поля, которые также вносят шумы, влияющие на кабели и другие объекты вне платы. Кроме того, хорошая конфигурация платы подразумевает снижение вероятности появления внешних токов и полей, создающих помехи.

Стратегии для разводки печатных плат

Большинство разработчиков ПП используют несколько основных правил по размещению компонентов и разводке проводников. Например, типичное правило может выглядеть так: «уменьшить длину всех дорожек, проводящих тактовый сигнал». К сожалению, часто случается, что разработчик не знаком с причинами возникновения данных правил либо не может оценить результат несоблюдения этих правил для некоторых применений.

Предположим, необходимо сделать разводку высокоскоростной многослойной ПП и проложить дорожки, проводящие высокочастотный сигнал от цифрового компонента к аналоговому усилителю. И конечно, вам потребуется уменьшить возможность возникновения проблемы ЭМС. При поиске в Интернете каких-либо правил по ЭМС, скорее всего, вы найдете три принципа, которые, как кажется, можно использовать и для вашей ситуации:

• уменьшить длину высокоскоростных дорожек;
• всегда оставлять зазоры между полигонами, лежащими между аналоговыми и цифровыми схемами;
• высокоскоростные дорожки никогда не должны пересекать зазор на полигоне возврата сигнала.

То есть мы имеем три возможные стратегии, которые наглядно показаны на рис. 2. Первая стратегия — проложить дорожку прямо между двумя компонентами, но оставить полигон между ними сплошным. Вторая стратегия — оставить зазор между полигоном и схемой, но дорожка будет проложена так, что будет пересекать зазор. Третья — проложить дорожку вокруг зазора. Очевидно, каждая альтернатива нарушает одно из правил. Какую же стратегию выбрать?

Рис. 2. Какая же стратегия разводки ПП лучше?

Возникают и другие вопросы: верно ли то, что каждая из трех альтернатив одинаково хороша, так как удовлетворяет двум из трех правил? Или они все плохи, поскольку нарушают по крайней мере одно правило? Таковы вопросы, с которыми ежедневно сталкиваются разработчики плат. Однако для разных плат правильный выбор разный: это может быть плата, которая удовлетворяет всем требованиям, или плата, у которой есть проблемы с чувствительностью к помехам или наличием излучений. Разные случаи предполагают различный выбор, и часто бывает, что лучше выполнить одно условие, чем одновременно два других. Перед тем как дать правильный ответ на возникшие вопросы, разработаем стратегию для оценки разводки ПП.

Рассмотрим четыре шага, которые нужно выполнить каждому ЭМС-специалисту при разводке ПП или осмотре уже существующей ПП:

• определить потенциальные источники электромагнитных помех (ЭМП) и объекты их воздействия;
• определить критические пути тока;
• определить части схемы и части компонентов, которые могут стать антеннами;
• исследовать все возможные механизмы связи.

Осуществление перечисленных шагов обеспечивает более простой процесс размещения компонентов и принятие решений по трассировке. После их выполнения для конкретной задачи станет понятнее, какие правила более важны, какие менее, а какие и вовсе не важны.

Определение потенциальных источников ЭМП и объектов их воздействия

Обычная ПП содержит десятки, сотни или даже тысячи схем. Каждая схема — это потенциальный источник энергии, который со временем может начать взаимодействовать с другой схемой или устройством. Каждая схема также может оказаться и объектом воздействия («жертвой») помех. Некоторые схемы часто превращаются в источник шума, а другие, напротив, нередко становятся их «жертвами». Инженеры — специалисты по ЭМС (и разработчики плат) должны уметь определять, какие схемы могут стать источниками, а какие будут наиболее восприимчивы к помехам. Далее мы обсудим схемы, вызывающие особый интерес.

Цифровые схемы

Синхронные цифровые схемы используют системные генераторы тактовых импульсов, которые посылаются на каждый активный компонент (на или вне платы), а ему, в свою очередь, необходимо интерпретировать цифровой сигнал. Тактовые сигналы постоянно переключаются и имеют гармоники узкого диапазона. Часто они принадлежат самым сильным сигналам на ПП. По этой причине появление пиков узкополосных излучений в гармониках частоты тактового сигнала (рис. 3) достаточно необычно.

Рис. 3. Излучаемые помехи изделия с тактовой частотой 25 МГц

На рис. 3 видно, что излучения полностью перекрываются гармониками тактового сигнала 25 МГц. Нижний порог шума, составляющий 200–1000 МГц, является тепловым шумом и возникает при измерениях анализатора спектра (с поправкой на фактор антенны). Для совместимости этого продукта со спецификациями FCC или CISPR на излучение необходимо, чтобы амплитуда источника тактовых импульсов была снижена, непредусмотренная «антенна» производила меньшие помехи или была ослаблена связь между источником и антенной.

Цифровые сигналы

Большинство дорожек на цифровых ПП переносит цифровые данные, а не тактовый сигнал. Цифровые сигналы не являются периодическими как тактовые, и их случайный характер вызывает появление шума с более широким диапазоном частот. Цифровые сигналы, которые переключаются с большей частотой, могут стать причиной возникновения излучения, подобного тактовым сигналам. В качестве примера можно привести последний значительный разряд на адресной шине микропроцессора, так как, проходя через последовательные адреса, этот разряд может стать причиной переключения на тактовой частоте. Точная форма и мощность излучения от цифровых сигналов зависят от множества факторов, включая и запуск программного обеспечения, и используемую схему кодирования. В целом, сигнал передачи данных будет меньшей проблемой, чем тактовые сигналы, однако высокоскоростные данные способны все так же провоцировать появление значительных шумов.

Схемы переключения напряжения

Импульсный источник питания и DC/DC-конвертеры генерируют разные напряжения быстрым включением и выключением тока, поступающего на преобразователь. Обычно частоты переключения находятся в диапазоне 10–100 кГц. Резкие скачки тока, ставшие результатом подобных переключений, могут удваивать помехи на выходе и на других устройствах на плате. Хотя такой шум относительно периодический (то есть его сигнал имеет узкополосные гармоники), во время проверки на наличие излучаемых помех он проявляется как широкополосный шум, поскольку расстояние между частотами гармоники ниже, чем разрешающая способность по полосе частот измерений.

Небольшая выпуклость на нижней границе шума в районе 120 МГц (рис. 3) появляется как следствие шума от переключения питания. В данном случае шум от переключения питания незначителен по сравнению с тактовым шумом. Однако в других случаях шум от переключения может превосходить тактовый, так как в диапазон частот, где измеряются излучаемые помехи, попадают только верхние гармоники шума от переключения. Шум от переключения питания всегда может быть снижен замедлением времени переключения схемы переключения. Однако это уменьшает эффективность источника питания, а потому лучше использовать другие методы. Возможные решения будут рассмотрены далее.

Аналоговые сигналы

Аналоговые сигналы могут быть как широкополосными, так и узкополосными, иметь высокую или низкую частоту. Если ПП использует аналоговые сигналы, необходимо хорошо понимать, что они собой представляют, определить их временные интервалы и частотные диапазоны. С узкополосными высокочастотными аналоговыми сигналами могут возникнуть некоторые сложности. К счастью, поскольку аналоговые сигналы более чувствительны к шуму низкого уровня, из соображений целостности сигнала необходимо, чтобы разводка схемы производилась таким образом, чтобы уменьшить излучение.

Дорожки для проведения постоянного тока и низкоскоростные цифровые сигналы

В целом, постоянный ток и низкоскоростные сигналы не имеют достаточного влияния на частоты излучений и не вызывают каких-либо затруднений. Тем не менее дорожки для них часто становятся источником большинства проблем, вызываемых излучениями. Это происходит из-за того, что величины непредусмотренных напряжений от высоких частот и токов на данной дорожке могут быть такими же и даже больше, чем значения напряжений и токов на высокоскоростных дорожках.

На рис. 4 показана карта ближнего магнитного поля над модулем DRAM, такие модули часто используются в персональных компьютерах. Ближнее магнитное поле показывает, как течет ток по рамке с внешними выводами корпуса компонента. Частота измерений совпадает с третьей гармоникой тактовой частоты. Нужно отметить, что на карте бóльшая часть тока получена от контактов источника питания, чем от сигнальных контактов.

Рис. 4. Ближнее магнитное поле над ИС в корпусе

На рис. 5 изображена похожая карта ближнего магнитного поля над микропроцессором, использованным в FPGA. Здесь можно видеть, что токи, привнесенные в некоторые низкоскоростные адресные линии, почти столь же сильные, как и токи в тактовых сигналах.

Рис. 5. Ближнее магнитное поле над микропроцессором

Как высокочастотные токи и напряжения появляются на низкочастотных линиях данных? Существует несколько причин. Большинство токов возникает из-за конструкции и разводки ИС, соединенной с данными дорожками. Одни ИС хорошо удерживают ими же создаваемый шум, другие нет. Плохая конструкция может стать причиной флуктуаций высокочастотных напряжений прямо на входной и выходной дорожках, соединяющихся с ИС. С хорошей конструкцией подобного не случится.

При разводке печатных плат с незнакомыми ИС с высокой частотой тактового сигнала рекомендуется обрабатывать каждый контактный вывод этой ИС как высокочастотный источник с такими же характеристиками, что и внутренний генератор тактов. В противном случае дорожки питания или низкоскоростные цифровые дорожки могут стать источником сильного излучения.

Окончание следует.