Десять советов по минимизации электромагнитных помех от DC/DC-преобразователей, размещенных на печатных платах

Десять советов по минимизации электромагнитных помех от DC/DC-преобразователей, размещенных на печатных платах

Опубликовано в номере:
PDF версия
Если посмотреть на платы современной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) — портативные, мобильные устройства и устройства «Интернета вещей» (Internet of Things, IoT), то довольно часто на них можно увидеть сразу несколько встроенных DC/DC-преобразователей. Однако если устройство использует беспроводные или сотовые технологии, а также приемники системы GPS, то электромагнитные помехи (ЭМП) от этих преобразователей (которые обычно имеют частоты переключения 1–3 МГц) могут оказать влияние на производительность приемников модулей беспроводной связи.

Откровенно говоря, проблемы в аппаратуре связи фактически возникают для низкочастотной сотовой связи диапазона 700–900 МГц и приемников спутниковой системы навигации GPS (частота 1575,42 МГц), но вполне возможно, пусть и в меньшей степени, для Wi-Fi (2,4 ГГц). Это связано с тем, что излучения гармоник от основной частоты таких преобразователей нередко распространяются до 2 ГГц или более. Провайдеры сотовой связи предъявляют строгие требования к чувствительности приемника, и полная изотропная чувствительность (Total Isotropic Sensitivity, TIS) является одним из тестов, который выполняется во время сертификации на соответствие требованиям CTIA (Cellular Telecommunication Industry Association, ассоциация производителей сотовой связи). Если приемник недостаточно чувствителен, продукт не будет допущен к эксплуатации в сотовой системе [1, 2].

В предлагаемой статье описываются десять лучших методов снижения излучаемых от DC/DC-преобразователей ЭМП. Прошу читателей обратить внимание на то, что они все важны и порядок, в котором они перечислены, роли не играет. Вопросы ЭМП и тесно связанные с ними проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС) — то, о чем нельзя забывать, и решать эти проблемы нужно на самых ранних стадиях проектирования любой РЭА, а не только сотовой связи или систем беспроводной передачи данных [5].

 

Выбирайте DC/DC-преобразователи с низким уровнем собственных электромагнитных помех

Такие компании, как Texas Instruments (TI) и Analog Devices (ADI), включая ее относительно новое приобретение Linear Technologies (LT), активно продолжают разрабатывать устройства с низким уровнем ЭМП. В 2013 году компания LT разработала свой первый преобразователь семейства Silent Switcher [6, 12], который позволял размещать входные и выходные конденсаторы особенно близко к корпусу интегральной схемы (ИС). Ее новые преобразователи, уже под эгидой ADI, с еще более низким уровнем электромагнитных помех Silent Switcher 2 [7], содержат входной и выходной конденсаторы и связанные с ними шлейфы в самом корпусе ИС. Наконец, заслуживает внимания серия преобразователей ADI, выпускаемая под торговой маркой µModule [8], которая представляет собой микромодуль, включающий еще и силовой дроссель (выходную катушку индуктивности).

Что касается компании TI, здесь в первую очередь заслуживают внимания устройства в корпусах HotRod QFN [9, 10]. Хотя такие устройства нельзя назвать дешевыми, они характеризуются крайне низким уровнем излучаемых ЭМП.

 

Используйте правильную компоновку печатной платы

По опыту автора и переводчика статьи, разработчики РЭА и особенно аппаратуры сотовой связи и устройств «Интернета вещей» часто сталкиваются с проблемами, вызванными плохой разводкой печатных плат. Плохая конструкция может привести к неконтролируемым временным задержкам при передаче сигналов, что в итоге нарушает их целостность или становится причиной такого трудно поддающегося инструментальной идентификации явления, как логические гонки.

Переводчик данной статьи однажды столкнулся с возникающей из-за ошибки в разводке печатной платы нестационарной наносекундной «иголкой», которая проявлялась в любое время и, как потом выяснилось, попадала на вход сброса со всеми вытекающими последствиями. Обнаружить ее осциллографом не могли по причине внесения его щупом емкости, которая эту иголку «съедала», а обнаружить ее помог автор перевода, когда создал компьютерную модель в PSpice.

Ошибки в компоновке и разводке печатных плат, в том числе и формировании стеков слоев, также способны повлиять на чувствительные цепи приемников, что приводит к сбоям и нарушениям. По этой же причине может значительно снизиться чувствительность приемников систем беспроводной и сотовой связи, GPS, Wi-Fi и пр.

Пример ошибок в разводке и компоновке печатной платы приведен на рис. 1. Сигнальные слои 4 и 6 связаны со слоями питания, а слой заземления GRP и слой питания не являются смежными с двумя сигнальными слоями между ними. Такая конфигурация приведет к передаче помех от переходных процессов в обоих сигнальных слоях.

Очень распространенный, но неудачный с точки зрения ЭМП дизайн стека шестислойной печатной платы

Рис. 1. Очень распространенный, но неудачный с точки зрения ЭМП дизайн стека шестислойной печатной платы
Примечание. * Препрег — слоистый наполнитель, в котором стеклоткань пропитана термореактивным связующим веществом, частично отвержденным (в В-состоянии)

В отличие от печатной платы, показанной на рис. 1, в правильно разведенной печатной плате (рис. 2) все сигнальные слои должны иметь смежную базовую плоскость заземления (GRP, «земля»), а все трассы питания (или плоскости) также должны иметь смежную GRP. Это связано с тем, что в современных быстрых цифровых технологиях все микрополосковые, полосовые и силовые маршруты должны рассматриваться как линии передачи. Если данное правило не соблюдается, ожидайте помеховую и сигнальную связь между цепями (один из видов перекрестных ЭМП), а также готовьтесь столкнуться с излучаемыми электромагнитными помехами и излучением на границе платы, причем они попадут непосредственно в антенну.

Хорошее решение в части расположения стека слоев восьмислойной платы

Рис. 2. Хорошее решение в части расположения стека слоев восьмислойной платы. Все сигнальные слои привязаны к соседним опорным заземляющим плоскостям GRP, в то время как питание также привязано к соседней заземляющей плоскости

Дополнительные рекомендации по разводке правильных с точки зрения ЭМП печатных плат приведены в [11].

 

Плоскости (слои) заземления должны быть сплошными

Линии с сигналами, имеющими малую длительность фронтов, то есть высокую скорость переключения, или внутренние линии DC/DC-преобразователя, пересекающие зазоры или щели в опорной плоскости заземления (GRP), через паразитную емкостную связь будут раздавать генерируемые в силу их природы ЭМП по всей плате, которые могут попасть в чувствительные цепи приемников. Обратите внимание, что в некоторых из более ранних спецификаций компании TI рекомендуется вырезать части слоя GRP, а также и всех других сигнальных слоев по всему пути трассировки цепи — от ключа преобразователя до входа силового дросселя. Это в корне неверно! Данный проводник должен быть смежным с залитой медью областью заземления печатной платы. В противном случае такие предложения разводки платы не сработают. Пожалуйста, обратитесь к демонстрационному видео, объясняющему, почему пробелы и разрывы в слое GRP являются катастрофой с точки зрения ЭМП [3], а также к разъяснениям, которые даны в [11].

 

Держите все цепи DC/DC-преобразователя в верхних слоях и над слоем заземления GRP

Одной из проблем, которая приводит к передаче ЭМП, нарушая ЭМС, является высокая скорость переключения сигналов, проходящих с верхнего слоя в нижний слой на печатной плате. У автора статьи был один случай: заказчику потребовалось сделать плату так, чтобы схема DC/DC-преобразователя была сверху, а силовой дроссель — в нижней части платы. Результирующие токи переключения на частоте преобразования 3 МГц, протекающие сверху вниз и обратно, создавали достаточно помех, чтобы блокировать приемник GPS, также расположенный на этой плате. Если сигналы с высокой скоростью нарастания должны направляться сверху вниз печатной платы, то для этого, как правило, требуется соседний сшивающий конденсатор (подключенный к слою GRP), причем размещенный рядом с переходным отверстием. Это необходимо для того, чтобы обеспечить максимально короткий путь обратного тока сигнала к его источнику. Не забываем, что сигнал может распространяться только в замкнутом контуре.

 

Располагайте все внешние компоненты DC/DC-преобразователя предельно близко к микросхеме контроллера

DC/DC-преобразователи всегда имеют входной и выходной токовый контур (рис. 3), причем с высокими пульсирующими с частотой преобразования напряжения токами и соответствующими гармониками [12].

два «горячих» токовых контура в типовых понижающих DC/DC-преобразователях

Рис. 3. Иллюстрация, показывающая два «горячих» токовых контура в типовых понижающих DC/DC-преобразователях

Проблема разводки платы заключается в том, чтобы площади этих петель были сведены к минимуму. Изготовители микросхем контроллеров DC/DC-преобразователя начинают осознавать проблему ЭМП, о чем и предупреждают разработчиков. Они довольно часто, однако ближе к концу спецификации (datasheet) предлагают ту или иную компоновку для типовой схемы включения контроллера в схеме преобразователя. Здесь предложения разводки платы за последние 2–3 года обычно точны. Если они старше этого срока, то зачастую неверны. Повторим еще раз: для того чтобы минимизировать уровень ЭМП, входной и выходной конденсаторы вместе с силовым дросселем должны быть расположены как можно ближе к корпусу микросхемы контроллера.

 

Старайтесь размещать схему DC/DC-преобразователя рядом с входом питания платы

Такое размещение приведет к локализации токов переключения вдали от чувствительных беспроводных модулей [4]. Однако, в связи с широким распространением архитектуры распределенного питания, могут быть случаи, когда производитель беспроводного модуля хочет иметь преобразователь, расположенный рядом с модулем. То есть использовать так называемую технологию питания PoL (Power of Load, питание в нагрузку). Это, несомненно, во многом хорошее решение, имеющее свои плюсы. Если это так, то соблюдайте все остальные правила, но вы можете столкнуться с повышенным риском из-за приближения источника ЭМП непосредственно к антенне. Так что тут нужен очень внимательный подход с учетом всех pro et contra. В таких случаях автора перевода выручало экранирование, но оно должно быть выполнено не «в общем», а по правилам.

 

Силовой дроссель и катушки индуктивности должны иметь экранированную конструкцию

Есть два конструктивных типа катушек индуктивностей — экранированный и неэкранированный. Для силового дросселя всегда используйте экранированную катушку, потому что это лучше ограничивает магнитное Н-поле. Если вы видите обмотки, то это неэкранированный вариант. На рис. 4 показаны в разрезе оба варианта. Вы можете видеть обмотку в неэкранированной катушке (справа) и в экранированной (слева). Дополнительный ферритовый экран намного лучше ограничивает магнитное поле (красные стрелки). Более подробно о проблемах выбора силового дросселя с учетом ЭМП написано в [13].

Сечение двух типичных катушек индуктивности с ферритовым сердечником — экранированной и неэкранированной и распределение магнитного поля

Рис. 4. Сечение двух типичных катушек индуктивности с ферритовым сердечником — экранированной и неэкранированной и распределение магнитного поля. Один из них на входе, второй — на выходе

 

Для минимизации ЭМП правильно подключайте силовой дроссель

При использовании катушек индуктивности есть одна тонкость, о которой часто забывают, а именно их подключение. Дело в том, что сама обмотка силового дросселя может служить дополнительным экраном.

Катушки индуктивности имеют «начало» и «конец» обмотки. Начало обмотки иногда отмечается на верхней части корпуса полукругом или точкой (рис. 5). Поскольку начало обмотки оказывается внутри, оно будет частично экранировано витками следующих слоев (силовые дроссели, многослойные катушки). При разводке платы или при ее сборке, если катушка индуктивности, которая используется в качестве силового дросселя, симметрична, сориентируйте начало ее обмотки так, чтобы она подключалась к коммутируемому выходу (часто обозначаемому как SW) контроллера DC/DC-преобразователя или к силовому ключу, если предусмотрен внешний транзистор. Конец обмотки соединяется с выходным фильтром, поэтому на нем помех будет меньше, чем на начале обмотки.

Некоторые ферритовые катушки индуктивности имеют какую-либо метку, например полумесяц, как принято компанией TDK, который указывает на контакт 1 (начало обмотки)

Рис. 5. Некоторые ферритовые катушки индуктивности имеют какую-либо метку, например полумесяц, как принято компанией TDK, который указывает на контакт 1 (начало обмотки)

Еще один совет заключается в том, что для рядом расположенных катушек индуктивности целесообразно, если это возможно, использовать их ортогональное размещение. Это ослабит между ними индуктивную взаимосвязь.

 

DC/DC-преобразователи могут потребовать местного экранирования

Несмотря на использование катушек индуктивности с магнитным экранированием, хорошую конструкцию печатной платы и методы компоновки, вокруг токовых контуров и в зоне силового дросселя по-прежнему могут иметь место сильные магнитные (Н) и особенно электрические поля (Е). Если есть подозрение на то, что ЭМП придется подавлять экранированием, при разработке своих печатных плат, например для ПК, предусмотрите места под экраны (рис. 6) с самого начала. Это избавит вас от затрат времени и средств на доработку. Для этого добавьте по контуру DC/DC-преобразователя проводники с покрытием и без маски. Такое «ограждение» необходимо подключить к заземляющей плоскости GRP, причем используя как можно больше переходных отверстий. Если экранирование вам не понадобится, ну и отлично.

Примеры конструктивного выполнения местных экранов, которые могут быть припаяны к встроенному ограждению, соединенному с плоскостью заземления

Рис. 6. Примеры конструктивного выполнения местных экранов, которые могут быть припаяны к встроенному ограждению, соединенному с плоскостью заземления

Экраны должны быть установлены поверх микросхемы контроллера DC/DC-преобразователя и связанных с ним элементов.

 

Размещайте антенны и коаксиальные кабели (фидеры) вдали от схемы DC/DC-преобразователя

Антенны и связанные с ними коаксиальные кабели питания (фидеры), если они используются, должны располагаться как можно дальше от DC/DC-преобразователей. Контур входной цепи понижающих преобразователей напряжения с большой разностью входного и выходного напряжений будет иметь относительно высокое значение скорости нарастания dV/dt, и связанное с этим электрическое поле может непосредственно воздействовать на чувствительные цепи приемника.


Литература
  1. Wyatt K. Platform Interference — Measurement and Mitigation. Interference Technology.
  2. Wyatt K., Sandler S. Top Three EMI and Power Integrity Problems with On-Board DC-DC Converters and LDO Regulators. Interference Technology.
  3. Fast clock trace over gap in return plane (video).
  4. André P., Wyatt K. EMI Troubleshooting Cookbook for Product Designers. SciTech Publishers, 2014.
  5. Рентюк В. Электромагнитная совместимость: проблема, от которой не уйти // Компоненты и технологии. 2017 № 7.
  6. Kueck C. Reduce EMI and Improve Efficiency with Silent Switcher Designs. Application Note 144 November 2013. Linear Technology Corporation, 2013.
  7. Рентюк В., Ильин В. Архитектура Silent Switcher второго поколения — инновационный подход к решению проблем ЭМС DC/DC-преобразователей // Компоненты и технологии. 2018. № 7.
  8. Рентюк В., Ильин В. µModule LTM4646 — современное компактное решение для системного питания // Компоненты и технологии. 2018. № 6.
  9. Рентюк В. Первый повышающе-понижающий DC/DC-преобразователь компании Texas Instruments индустриального исполнения по HotRod QFN-технологии // Компоненты и технологии. 2016. № 3.
  10. Рентюк В. DC/DC-преобразователи компании Texas Instruments с топологией DCS-Control // Компоненты и технологии. 2016. № 8.
  11. Уайтт К. Особенности конструирования печатных плат с выполнением требований по ЭМС // Компоненты и технологии. 2019 № 6.
  12. Park J. M. EMI solution & Layout. Linear Technology Corporation, Power Business Unit.
  13. Браманпалли Р. Проблема излучения ЭМП силовым дросселем DC/DC-преобразователя и варианты ее решения // Компоненты и технологии. 2018. № 6.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *