Борьба с электромагнитными помехами в печатных платах с высокоскоростными сигналами

Проектирование цифровой схемы с замкнутыми токовыми контурами, на первый взгляд, кажется довольно простой задачей. Ее решение зависит от нескольких факторов, в т. ч. от того, каким образом совершается переход между логическими уровнями, как соединены линии передачи с опорными слоями и где установлены развязывающие конденсаторы. На рис. 1 показаны токовые петли в самом типичном случае. Буфер ввода/вывода подключен к линии передачи с плоскостями питания и заземления. При переходе потенциала на верхний логический уровень ток течет от вывода питания в слой питания, соединенный с буфером, и затем через транзистор верхнего плеча поступает в проводник, откуда разделяется по двум слоям. Далее ток по заземляющему слою возвращается к выводу заземления, а, пройдя по слою питания через развязывающие конденсаторы, уходит в землю.

Рис. 1. Токовые контуры в высокоскоростной цифровой схеме

Электромагнитное поле проводника может индуцировать ток на любой близко находящейся проводящей поверхности. Следует предпринять меры, чтобы этими поверхностями были опорные слои печатной платы, по которым протекает обратный ток. В случае если они являются слоями электропитания и заземления, используемыми буферами ввода/вывода для создания потенциала проводника (рис. 1), формирование контура обратного тока намного облегчается. На рис. 2 показана связь между проводником и его опорными слоями.

Рис. 2. Электромагнитная связь между проводником и его опорными слоями

Эта связь определяет электрические параметры проводника, например его импеданс, который можно описать как индуктивность и емкость на единицу длины. По мере распространения сигнала по линии передачи он заряжает каждую LC-цепочку. Любой обрыв в этой схеме приводит к появлению электромагнитного излучения. Понятно, что разрыв в опорном слое контура приводит к прекращению тока. Поскольку линия передачи представляет собой комбинацию проводника и его опорного слоя, поддержание их в исправном состоянии исключает возникновение большинства проблем с электромагнитными помехами. Наилучшим способом избежать нежелательного появления антенн — расположить тракт с обратным током рядом с проводником на его опорных слоях.

Известно немало способов обойти проблемы, связанные с прохождением проводников над щелями в опорных слоях. Лучше всего было бы «привязать» все сигнальные проводники к сплошному опорному заземляющему слою, но часто это сделать не позволяют толщина платы и большие расходы. Однако можно расположить проводники с более медленными сигналами над любыми слоями питания, которые разделяются на несколько проводников с разными напряжениями. Даже в таком случае, как правило, используется двойная полосковая линия передачи с двумя опорными плоскостями для двух слоев проводников. Проводнику, расположенному очень близко к опорной плоскости, можно пройти над щелью в следующей опорной плоскости. Распределение обратного тока линейно зависит от расстояния между проводником и его опорной плоскостью. Таким образом, если, например, проводник находится в четыре раза ближе к одной опорной плоскости, чем к другой, обратный ток в первой из них в четыре раза больше.

Как правило, чтобы минимизировать излучение от проводника, проходящего над щелями в плоскостях, эти плоскости располагают рядом с проводником и устанавливают развязывающие конденсаторы. Такой способ лишь отчасти эффективен, поскольку конденсаторы не обладают низким импедансом в широкой полосе частот, и потому не в состоянии исключить воздействие излучения.

Менее сложными, но в равной мере проблематичными являются ситуации, когда тракт с обратным током нарушен лишь частично. Так часто бывает при переходе сигнала с одного слоя на другой через отверстие (рис. 3). В этих случаях необходимо предусмотреть путь прохождения обратного тока между опорными плоскостями. Если проводник проходит между слоями, опорные плоскости которых имеют один и тот же потенциал, например потенциал опорного заземления, такой тракт создается с помощью «сшивающих» переходных отверстий.

Рис. 3. Распределение тока вблизи сигнального сквозного отверстия и находящегося рядом переходного отверстия

Однако если опорные потенциалы всех плоскостей питания и заземления разные, плоскости «сшиваются» с помощью шунтирующего конденсатора или, что еще лучше, с помощью цепи с развязывающими конденсаторами. Такая цепь уже имеется на плате как часть схемы распределения питания. Поскольку развязывающие конденсаторы устанавливаются между плоскостью питания и заземления, как правило, рядом с микросхемой, то и межслойный переход лучше всего делать рядом с ИС для соединения с другой микросхемой.

Еще одним примером не вполне эффективной трассировки обратного тракта является его размещение рядом с краем опорной плоскости, что не только изменяет импеданс проводника, но и вызывает некоторое излучение, а также повышает восприимчивость сигнала к шуму. Подобные проблемы бывает трудно обнаружить в трассировке, поскольку они часто появляются из-за периодично расположенных свободных участков контактных площадок с удаленной металлизацией вокруг переходных отверстий и зазоров между монтажными отверстиями.

Выявление таких проблем «вручную» часто требует очень тщательного анализа всей трассировки. Однако их просто обнаружить с помощью автоматизированной программы для контроля проектных норм, например HyperLynx DRC. На рис. 4 показано окно этой программы. С помощью данного ПО можно проверить, как проходит проводник рядом с отверстием, а также установить распределение обратного тока вблизи края плоскости.

Рис. 4. Идентификация проводника у края опорной плоскости в окне HyperLynx DRC

Другие проблемы выявляются с помощью средства автоматического контроля. К ним относятся низкоиндуктивное соединение развязывающих конденсаторов вблизи выводов питания и заземления микросхемы. Эти конденсаторы позволяют завершить контур обратного контура, даже если на плоскости нет щелей. На рис. 1 развязывающие конденсаторы схематично представлены в виде одного конденсатора. Если проводник расположен посередине между двумя плоскостями, половина обратного тока потечет в плоскость электропитания, а затем к заземляющему выводу через развязывающие конденсаторы, установленные рядом с микросхемой. Эти компоненты позволяют контролировать уровень ЭМП, сохраняя целостность питания.

Электромагнитные помехи оказывают влияние на целостность питания и сигналов. Ошибки в реализации схемы распределения питания приводят к появлению излучаемых помех, которые, как правило, возникают на участках с высоким импедансом. Проблемы с целостностью питания и сигналов, как правило, решаются путем анализа проекта и последующих изменений. Для устранения ЭМП все токовые контуры следует замкнуть, тщательно проконтролировав их расположение на печатной плате. Поскольку анализ всех возможных проблем с электромагнитными помехами может оказаться сложным и трудоемким, лучше воспользоваться автоматизированным средством проверки проектных правил. В результате устраняются нежелательные источники излучения на плате, а работа высокоскоростных интерфейсов становится надежной.

Однако нежелательными источниками помех становятся не только проводники печатной платы, но и разъемы. Если причиной нежелательного излучения являются синфазные токи во внешних кабелях, которые используются для связи с периферийными устройствами, кабель «лучшей» марки далеко не всегда решает проблему. Это обусловлено тем, что синфазные токи протекают по экранировке кабеля. Заметим, что если по экрану кабеля длиной 1 м протекает синфазный ток величиной всего 3 мкА, этот кабель не соответствует требованиям стандартов ЭМС. Наибольшее влияние на синфазные токи, нарушающие ЭМС, оказывают скачки земляного потенциала разъема, который соединяет кабель с монтажной панелью. Эти скачки представляют собой напряжение, возникающее между двумя участками обратного тракта при изменении тока через суммарную (паразитную) индуктивность тракта.

При изменениях обратного тока dI/dt через паразитную индуктивность разъема генерируется напряжение между панелью и экраном кабеля, которое влияет на синфазные токи, нарушающие требования к ЭМС (рис. 5).

Рис. 5. Механизм воздействия скачков земляного потенциала в разъеме на синфазные токи в кабеле

Скачки земляного потенциала не происходят, если вокруг коаксиального кабеля отсутствует магнитное поле. Проводник с сигнальным током и проводник с обратным током формируют разнонаправленные поля, которые компенсируют друг друга.

Однако если обратный ток у разъема не является идеально симметричным с сигнальным током из-за шлейфа, плохой металлизации или некорректного соединения разъема, полного взаимного уничтожения магнитных полей не происходит. Результирующее поле приводит к появлению индуктивной составляющей обратного тракта.

У типового 50-Ом коаксиального тракта при напряжении 1 В, по которому проходит импульс с длительностью нарастания 1 нс, сигнальный и обратный токи определяются как 1 В/50 Ом = 20 мА. Даже если асимметрия выражена не очень сильно и суммарная индуктивность не превышает всего 0,1 нГн в обратном тракте разъема, скачки потенциала земляной шины составят:

Если величина того импеданса, через который проходит синфазный ток в среде с краевыми полями, составляет 200 Ом, скачок земляного потенциала в 2 мВ приведет к появлению тока величиной 2 мВ/200 Ом = 10 мкА. С учетом того, что из-за тока 3 мкА изделие не проходит сертификационный тест на ЭМС, это достаточно большое значение