Основные вопросы обеспечения электромагнитной совместимости

Среди первых трех наиболее часто встречающихся причин отказов находятся излучаемые помехи, восприимчивость к шумам и электростатический разряд. К другим типам отказов относятся кондуктивное излучение, быстро протекающие переходные процессы, порождающие звон и «иголки», восприимчивость к кондуктивным помехам и всплески тока. Большинство из этих проблем обусловлено плохо продуманными схемами, в результате чего и возникают три основных отказа.

Проектирование печатных плат

Наиболее важным фактором, обеспечивающим электромагнитную совместимость и защиту от электромагнитных помех (ЭМП), является правильное проектирование печатных плат. Необходимо заметить, что не во всех источниках информации на эту тему, к которым относятся книги, журнальные статьи или указания по применению от производителей, корректно освещаются вопросы проектирования печатных плат с целью обеспечить ЭМС. В первую очередь, это замечание относится к источникам информации старше 10 лет. Кроме того, многие т. н. «эмпирические правила» основаны на практике разработки специфических приложений и уже неприменимы к разработке современных или будущих систем.

Платы для цифровых устройств необходимо проектировать, руководствуясь законами физики с учетом того, что проводники с высокочастотными сигналами, синхросигналами и схемы разводки питания (СРП) должны создаваться как линии передачи. Это значит, что по печатным платам сигналы или энергия передаются в виде электромагнитных волн. Отдельный случай представляют собой схемы разводки питания, поскольку в них должна запасаться энергия для переходных процессов. Характеристический импеданс СРП должен быть очень мал — как правило, 0,1–1 Ом, тогда как у сигнальных проводников этот показатель составляет 50–100 Ом.

Часто причиной возникновения отказа является недостаточно хорошо продуманный возвратный тракт. Разрывы или щели в обратном тракте являются главными причинами отказов, обусловленных излучаемыми помехами, восприимчивостью к шумам и электростатическими разрядами.

Электрические поля на платах ПК возникают между двумя металлическими поверхностями, например микрополосковой линии в слое обратного сигнала. В поврежденной обратной цепи электрическое поле «замыкается» на ближайший металлический участок, приводя к изменению расчетных параметров обратного тракта. Утечка электромагнитного поля через диэлектрик приводит к появлению синфазных токов на всей поверхности платы, а также к возникновению перекрестных помех из-за взаимного влияния синхросигналов или других быстро распространяющихся сигналов на десятки других проводников схемы в том же диэлектрическом слое.

На рис. 1 показано, как распространяется волна в ди­электрике по сигнальному проводнику и обратно, а также ток смещения. Скорость волнового фронта сигнала определяется диэлектрической проницаемостью материала. В воздушной среде сигналы проходят около 30 см за 1 нс. В типовом стеклотекстолите эта скорость в два раза меньше. В [1–3] подробно описаны физические аспекты распространения сигналов по печатным платам ПК.

Рис. 1. Распространение электромагнитной волны по микрополосковой линии с опорной плоскостью

Следует учитывать взаимодействие между соседними слоями питания и обратными трактами питания, а также между соседними слоями сигнальных и обратных сигнальных трактов. В схеме разводки питания требуются сглаживающие и развязывающие конденсаторы для накопления энергии. Сглаживающие конденсаторы емкостью 4,7–10 мкФ (тип.), как правило, устанавливаются вблизи входного разъема питания, а развязывающие конденсаторы емкостью 1–10 мкФ (тип.) — рядом с самыми шумящими коммутационными устройствами. В идеальном случае все развязывающие конденсаторы должны устанавливаться над (или рядом) сквозными переходными отверстиями. Для каждого конденсатора применяется несколько таких отверстий, чтобы уменьшить величину последовательной индуктивности.

У сигнальных слоев и слоев питания всегда имеется тракт для возвращения тока в источник. Из рис. 2 видно, как электромагнитное поле сосредотачивается в диэлектрике по обеим сторонам слоя обратного тракта сигнала. Собственно диэлектрик не показан для наглядности представления.

Рис. 2. Сигнальный проводник, проходящий через слой с обратным сигналом

С другой стороны, из рис. 3 видно, что, если сигнал проходит через две опорные плоскости, анализ такого случая намного усложняется. Если у двух плоскостей одинаковый потенциал (например, они являются опорными), рядом с сигнальным отверстием можно расположить соединительные переходные отверстия. В результате появится хорошо определенный тракт обратного сигнала.

Рис. 3. Сигнал распространяется по проводнику через две опорные плоскости. Если у них одинаковый потенциал, рядом с отверстиями для сигналов достаточно расположить массив переходных отверстий. Однако если у этих плоскостей разные потенциалы, очень близко к отверстиям для сигналов устанавливается массив конденсаторов. Если тракт обратного сигнала недостаточно хорошо проработан, возникает утечка электромагнитного поля вокруг диэлектрика, появляются наводки на другие сигнальные отверстия или помехи на краях платы

Если у двух плоскостей разные потенциалы, конденсаторный массив устанавливается рядом с сигнальным переходным отверстием. В недостаточно хорошо продуманном тракте с обратным сигналом электромагнитная волна распространяется через диэлектрик, вызывая перекрестную помеху на других сигнальных отверстиях, помехи на краях платы, а также утечку энергии.

Например, рассмотрим на рис. 4 случай неправильного, но очень распространенного проектирования многослойной платы.

Рис. 4. Из-за неправильного расположения слоев платы возникают большие электромагнитные помехи

Из рисунка видно, что слои питания и обратного тока питания отделены друг от друга. Любые переходные процессы в схеме распределения питания являются источниками перекрестной помехи для двух сигнальных слоев, которые находятся между этими шинами питания. Аналогично, поскольку несколько сигнальных слоев соседствует с плоскостью обратного тока питания, распространяющаяся по ней волна воздействует на ближайшие металлические проводники, соединенные с источником питания. В таких случаях помехи, создаваемые тактовыми последовательностями, распространяются по всей плате.

Пример корректного расположения слоев платы показан на рис. 5. В этом случае один сигнальный слой отсутствует, а слои питания и обратного тока питания расположены рядом друг с другом. При этом каждый сигнальный слой соседствует с сигнальным или силовым слоем обратного тока. Два слоя с обратными токами соединяются переходными отверстиями, что обеспечивает наименьший импеданс обратного тракта. ЭМП можно значительно уменьшить, если использовать этот же принцип при проектировании печатных плат. Во многих случаях достаточно поменять порядок расположения плоскостей в многослойных платах, чтобы уменьшить помехи.

Рис. 5. Пример корректного расположения слоев платы, благодаря которому минимизируются ЭМП. Каждый сигнальный слой соседствует с обратным слоем, а слои питания и обратного тока питания расположены рядом друг с другом

Заметим, что при прохождении сигналов между верхним и нижним слоями следует на расстоянии 1–2 мм от каждого переходного отверстия с сигналом расположить массив переходных отверстий между слоями обратного тока и массив конденсаторов между шинами питания. Такие меры позволяют минимизировать обратный тракт.

Рекомендуется также располагать все разъемы питания и портов ввода/вывода вдоль края печатной платы, чтобы уменьшить перепад напряжения высокой частоты между разъемами и свести к минимуму, таким образом, помехи от кабеля. Кроме того, рекомендуется отделять друг от друга цифровые, аналоговые и РЧ-цепи, чтобы уменьшить перекрестные помехи.

Разумеется, тракты для высокоскоростных сигналов, в т. ч. синхросигналов, должны иметь минимальную длину. В случае с высокоскоростными сигналами нельзя размещать провод­ники сравнительно большой длины вдоль краев печатной платы или рядом с разъемами.

Щели в слое с обратным током

На рис. 6 схематично показан разрыв в обратном токовом тракте. Ток проводимости вынужден течь вокруг щели. В противном случае он находит путь с наименьшим импедансом, чтобы вернуться к своему источнику. Электромагнитное поле этого тока распространяется по всей печатной плате [4].

Рис. 6. Демонстрационная тестовая плата с линиями передачи сигнала с согласованным импедансом 50 Ом. У одной из этих линий – щель в обратном тракте. Генератор импульсов длительностью 2 нс поочередно подключался к одному из двух BNC-разъемов, после чего измерялся гармонический ток в перерезанном проводе

Разница между уровнем помех в обратных трактах со щелью и без нее видна из рис. 7. Красным цветом показаны гармонические токи в диапазоне 10–15 дБ и выше в случае с проводником со щелью. Следует помнить, что главной причиной отказов из-за воздействия излучаемых помех являются сигнальные тракты и проводники с токами, протекающими к источнику питания.

Рис. 7. Измеренные синфазные токи. Синим цветом показаны синфазные токи в обратном тракте без щели, а красным – в обратном тракте со щелью. Между теми и другими сигналами наблюдается разность в диапазоне 10–15 дБ и выше. При протекании гармонических токов излучаются помехи, которые могут привести к отказу системы

Экранирование

При использовании экранированных корпусов требуется решить две задачи. Первая из них заключается в обеспечении плотного, без щелей, соединения всех частей корпуса друг с другом, а вторая — в том, чтобы силовые кабели и кабели ввода/вывода проходили сквозь корпус, не вызывая утечек синфазных токов. Для надежной связи между металлическими элементами корпуса могут понадобиться уплотнительные прокладки или другие средства. Щели или отверстия в экранированных корпусах требуют обязательной заделки, если их наибольший размер сопоставим с длиной полуволны. С помощью диаграммы на рис. 8 можно определить, на какой частоте эффективность ослабления сигнала достигает 20 дБ при заданной длине щели. Подробнее об этой зависимости и рекомендации по проектированию экранов изложены в [5–7].

Рис. 8. Диаграмма зависимости эффективности ослабления от длины щели

На рис. 9 показана диаграмма, позволяющая установить частоту в зависимости от длины щели. Например, у 15‑см щели полуволновой резонанс происходит на частоте 1000 МГц. Если требуется, чтобы эффективность ослабления с помощью защитного экрана составила, по меньшей мере, 20 дБ, максимальная длина щели должна равняться 1,27 см.

Рис. 9. Определение резонансной частоты в зависимости от длины щели. Щели, длина которых составляет половину длины волны, можно считать дипольными антеннами – источниками помех

Ввод кабеля в экранированный корпус

Одним из основных источников электромагнитного излучения являются кабели, которые входят в экранированный корпус без соответствующей защиты — экрана, который должен был бы надежно соединяться с металлическим корпусом, или без фильтрации синфазных помех на силовом разъеме либо разъеме ввода/вывода (рис. 10–11). Так происходит достаточно часто, поскольку большинство разъемов крепится непосредственно к печатной плате и проходит через экран. Кабель, подключенный к внутренним цепям без соответствующей защиты, становится причиной возникновения ЭМП.

Рис. 10. Незащищенный ввод кабеля в корпус нарушает экранировку. Внешние источники энергии наводят шумовые токи в кабеле ввода/вывода, которые воздействуют на внутренние цепи. Верно и обратное — внутренние шумовые токи, покидающие пределы кабеля, становятся причиной возникновения отказов

При проектировании приложения необходимо учитывать, какие изделия и кабели станут применяться — экранированные или неэкранированные. Поскольку силовые кабели, как правило, являются неэкранированными в случае потребительских или коммерческих изделий, требуется фильтрация сетей электропитания в точке ввода кабеля или у разъема печатной платы. Экранированные кабели должны соединяться с экранированным корпусом изделия. Если изделие не защищено от помех экранированным корпусом, в точке ввода кабеля или у разъема ввода–вывода платы устанавливается схема фильтрации. На рис. 11 показано, что происходит в отсутствие соединения между экранами разъемов и корпуса.

Рис. 11. Высокий уровень помех из-за отсутствия соединения разъемов ввода/вывода с экранированным корпусом

Фильтрация

Мы не станем очень подробно останавливаться на вопросе фильтрации ЭМП, поскольку он достаточно хорошо рассмотрен в [8]. Достаточно упомянуть, что фильтры, а также схемы защиты от переходных процессов играют важную роль в разъемах питания и ввода/вывода. Как правило, в таких случаях применяются синфазные фильтры (рис. 12). Большую часть синфазных дросселей можно изготавливать под поверхностный монтаж. Силовые дроссели имеют достаточно большой размер и выпускаются для поверхностного монтажа или монтажа в сквозные отверстия, что зависит от величины номинального тока. Многие Ethernet-разъемы оснащены встроенным синфазным фильтром.

Рис. 12. Стандартный синфазный фильтр для фильтрации помех в кабелях ввода/вывода. Две разнонаправленные обмотки позволяют избавиться от синфазных токов

Фильтры, установленные на входах источников питания, как правило, предназначены для подавления дифференциальных и синфазных токов. Типовая схема фильтра представлена на рис. 13. Конденсатор Х фильтрует дифференциальный ток, а дроссель СМ и конденсаторы Y — синфазный ток.

Рис. 13. Универсальный фильтр, который применяется для фильтрации на входе источника питания

Ферритовые или индуктивные компоненты нельзя устанавливать последовательно выводам питания микросхем, т. к. в результате ухудшается способность развязывающих конденсаторов поставлять необходимую энергию при одновременных переключениях выходных каскадов этих ИС, что приводит к провалу напряжения питания.

Ферритовые дроссели

Часто кабельные сборки ввода–вывода оснащаются ферритовыми дросселями, которые уменьшают помехи от кабелей или восприимчивость к шумам.

Величина импеданса большинства ферритовых дросселей зависит от АЧХ и часто имеет пиковые значения в диапазоне 100–300 МГц. В системах, работающих на более низких частотах, использование в сердечниках некоторых материалов обеспечивает пиковые значения импеданса на частотах меньше 100 МГц. Максимальные значения импеданса находятся в диапазоне 25–1000 Ом в зависимости от используемого ферритового материала и типа дросселя.

В некоторых случаях применение ферритовых дросселей в кабельных сборках не обеспечивает требуемого затухания по той причине, что эффективный импеданс дросселя тот же или меньше, чем у кабеля. Величина затухания при использовании ферритового дросселя определяется следующим образом:

Например, если в цепь с кабелем источника питания установить 100‑Ом ферритовый дроссель при импедансе системы 10 Ом, величина затухания составит:

Ферритовые дроссели и общая схема фильтрации намного подробнее рассматриваются в [9].

Защита от помех в переходном процессе

Чтобы предотвратить воздействие переходных процессов на внутренние цепи, например обеспечить защиту от электростатического разряда, всплесков напряжения в сети, ударов молний, на все порты питания и ввода/вывода устанавливаются специальные устройства, которые ограничивают импульсы переходного процесса до заданной величины напряжения.

У устройств, предназначенных для защиты от переходных процессов и используемых в сигнальных линиях, как правило, величина емкости, параллельной тракту с обратным током, должна быть очень мала (0,2–1 пФ), чтобы обеспечить целостность сигналов. У этих полупроводниковых устройств корпуса для поверхностного монтажа имеют очень малые размеры.

Для защиты от всплесков напряжения в линиях питания требуются устройства намного большего размера. Наиболее востребованными являются газоразрядные или металлооксидные варисторы. Подробнее о проектировании схем защиты от всплесков напряжения см. [4].

Выводы

Большинство отказов из-за плохой электромагнитной совместимости и электромагнитных помех обусловлено недостаточно хорошим экранированием, непродуманной топологией печатной платы и некорректным размещением ее слоев. Устранение причин этих широко распространенных отказов снижает риск возникновения неисправностей, позволяет уменьшить стоимость проектирования и сократить график изготовления изделий.

Примечание.

В статье намеренно не используется понятие «земля», которое очень по-разному многие понимают, что в конечном итоге приводит к возникновению отказов из-за проблем с электромагнитной совместимостью (ЭМС). Гораздо точнее использовать термины «питание» и «обратный провод питания», а также «сигнал» и «возвратный сигнал», или «слой с обратным сигналом», или «опорная плоскость». Наконец, правильнее утверждать, что экран кабеля и экранированный корпус «соединены» друг с другом, но не «заземлены». Под опорной плоскостью понимается слой или плоскость, имеющая электрическое соединение с общим выводом источника питания или с выводом разъема, который связан с общим выводом источника питания. Единственным исключением является употребление термина «защитное заземление», или «заземление». Однако у него нет ничего общего с проектированием, обеспечивающим ЭМС, поскольку заземление предназначено всего лишь для защиты от поражения электрическим током. Исключением в этом случае является заземление трехпроводного сетевого фильтра. Кроме того, в некоторых случаях применяется заземление плат персонального компьютера — в первую очередь, речь идет об источниках питания. Однако и в этих случаях заземление изделия или системы не повышает уровень защиты от ЭМП из-за очень высокой индуктивности (длины) провода.