Пять главных причин, влияющих на уровень электромагнитных помех на печатных платах

Опубликовано в номере:
PDF версия
В статье рассматриваются пять основных причин возникновения электромагнитных помех на печатной плате с некорректной топологией. Даются рекомендации по устранению ошибок, приводятся практические примеры.

Введение

Наиболее распространенными причинами нарушения работоспособности изделия при проведении тестирования на электромагнитные помехи (ЭМП) являются:

  • высокий уровень излучаемых помех;
  • восприимчивость к внешним помехам;
  • нарушение работы в результате воздействия электростатического разряда.

Результаты исследования и изучения работы сотен устройств на протяжении многих лет свидетельствуют о том, что эти причины обусловлены пятью основными факторами, которые можно расположить по степени их влияния на прохождение итогового тестирования ЭМП:

  • неверная компоновка и разводка слоев при проектировании печатной платы;
  • экранирующая оплетка кабелей не заделана, отсутствуют синфазные фильтры в неэкранированных конструкциях, используются гибкие соединительные проводники;
  • разрывы в тракте возвратного тока приводят к возникновению проблемы с распространением ВЧ-сигналов;
  • наличие ошибок в конструкции или схеме подачи электропитания (PDN);
  • слишком большие прорези или отверстия в корпусе.

Рассмотрим эти факторы подробнее.

 

Проектирование печатной платы

Наиболее важным фактором, оказывающим влияние на соответствие устройства требованиям ЭМС/ЭМП, является топология и конструкция печатной платы. Заметим, далеко не все источники, описывающие проектирование печатных плат (книги, статьи или документация от производителей компонентов), являются корректными с точки требований ЭМП, особенно если эти источники старше 10 лет. Кроме того, многие правила проектирования, которые были основаны на практических выводах, могут быть действительны только в определенных случаях, и их трудно применять в других проектах.

В первую очередь, при проектировании печатных плат следует руководствоваться общими физическими принципами. Например, необходимо учитывать, что цепи распространения высокочастотных сигналов, сигналов тактирования, а также цепи подачи электропитания должны проектироваться как своего рода линия передачи, по которой сигнал или энергия распространяются в виде электромагнитной волны. Причем, в случае с цепями для подачи электропитания линии должны не только пропускать постоянный ток, но и обеспечивать заданный уровень энергии для коммутации с минимальным значением перекрестных помех, наводимых от синхронно коммутируемых цепей (simultaneous switching noise, SSN). Характеристический импеданс PDN-цепей в таких схемах должен иметь довольно низкое значение (обычно 0,1–1,0 Ом), тогда как типовые значения характеристического импеданса сигнальных линий на плате находятся в диапазоне 50–100 Ом.

Таким образом, проектирование печатной платы с учетом требований к ЭМП основано на понимании двух основных принципов:

  • все токи текут по замкнутым контурам;
  • ВЧ-сигналы распространяются так же, как электромагнитные волны в линиях передачи. Причем, эти два принципа тесно связаны друг с другом.

Токи в замкнутых контурах

Согласно теории построения схем, ток от источника к нагрузке возвращается к источнику, образуя замкнутый контур. Однако в большинстве устройств, не прошедших испытания на ЭМП, возвратный тракт четко не был обозначен, а в некоторых случаях и вовсе имел разрывы. Таким образом, вторым аспектом, который часто упускается из виду при проектировании печатных плат, является определение возвратного тракта высокочастотных сигналов к источнику. Часто большинство разработчиков даже не обозначает этот тракт на схеме, используя вместо него символы заземления.

Однако прежде чем определять возвратный тракт, следует установить несколько важных понятий. Первым из них является частота. Высокой частотой принято считать значения более 50–100 кГц. При частотах меньше этих обратный ток стремится следовать по кратчайшему пути обратно к источнику (путь наименьшего сопротивления). При частотах выше обозначенного диапазона обратный ток проходит под проводящей дорожкой к источнику (путь с наименьшим импедансом). Оба случая наглядно показаны на рис. 1.

Возвратный тракт

Рис. 1. Возвратный тракт (выделено зеленым) на:
а) низких;
б) высоких частотах передачи

Чтобы уменьшить уровень ЭМП, разработчик должен минимизировать площадь контуров, создаваемых за счет возвратного тракта. Тракты, не определенные разработчиком, как правило, приводят к образованию контуров большей площади, которые в итоге начинают работать как рамочные антенны, наводя шумовые токи на другие антенно-подобные компоненты, например кабели ввода–вывода. Наиболее часто сбои из-за высокого уровня ЭМП возникают при передаче сигналов с высоким значением dV/dt, например от низкочастотных DC/DC-преобразователей, или сигналов с высоким dI/dt от цифровой логики, которые объединяются с обратными токами схемы и нарушают работу чувствительных РЧ-модулей (как правило, чаще всего страдают приемники сигнала) или других компонентов. Таким образом, необходимо обеспечить проектирование возвратных трактов, причем при их создании лучше всего использовать специально выделенные слои платы, а также отдельные слои для ВЧ- и НЧ-сигналов.

Распространение сигналов по плате

На частотах выше 50–100 кГц цифровые сигналы начинают распространяться в виде электромагнитных волн. Как видно из рис. 2, ВЧ-сигнал передается по линии (например, по дорожке платы), а его фронт индуцирует ток в слоях платы, формируя возвратный тракт. Индуцированный ток не может протекать через диэлектрик печатной платы, однако заряда на фронте сигнала оказывается достаточно, чтобы между ним и возвратным слоем возникла разность потенциалов, вызывающая протекание тока по слою. По такому же принципу конденсаторы пропускают переменный ток. Максвелл назвал этот эффект «током смещения».

Распространение цифрового сигнала по слою платы

Рис. 2. Распространение цифрового сигнала по слою платы

Фронт сигнала движется с некоторой скоростью, сравнимой со скоростью света и зависящей от диэлектрической проницаемости материала слоя, тогда как индуцированный ток является ничем иным как потоком электронов, движущихся со скоростью около 1 см/с. Движение фронта со скоростью сравнимой со скоростью света обусловлено «изломом» в электрическом поле, распространяемом вдоль медных проводников. Однако необходимо, чтобы тракт, по которому распространяется индуцированный ток и ток смещения, в итоге привел обратно к источнику. В тех случаях, когда возвратный тракт имеет разрывы, электрическое поле «цепляется» за ближайший металлизированный слой, перенаправляя на него токи и увеличивая длину обратного пути, а также площадь контура в целом. Когда же возвратный тракт и вовсе не определен, поле «просачивается» через диэлектрик, перенаправляя токи на все слои платы, на которые оказывает воздействие через переходные отверстия, что неизбежно вызывает перекрестные помехи. В итоге синфазные токи попадут в антенно-подобные части устройства — кабели ввода–вывода или прорези в экранированных корпусах, что приведет к неизбежному росту уровня ЭМП.

Структура слоев платы

Как правило, большинство разработчиков при разводке плат ориентируется на основные принципы теории цепей, которые применимы в т. ч. для анализа возвратных трактов. Однако следует также учитывать, что сигнал – не только ток, но и фронт электромагнитной волны, движущийся через ди­электрик, для анализа которого необходимо руководствоваться уже другой теорией — теорией поля. Учет этих двух обстоятельств подчеркивает важность проектирования на плате не просто сигнальных дорожек, а линий передачи, в которых параллельно сигнальному слою платы располагается возвратный тракт.

Чтобы нагляднее продемонстрировать необходимость выбора правильного подхода к проектированию печатной платы как с точки зрения теории цепей, так и с точки зрения теории поля, рассмотрим пример распространения сигнала в смежных слоях платы. Сигнал или питание, распространяемые в одном слое, всегда имеют возвратный тракт, замыкающий контур в направлении к источнику. На рис. 3 показан пример распространения электромагнитного поля внутри диэлектрика по обе стороны от возвратного слоя. Сам ди­электрик на рис. для наглядности не показан.

Сигнальная дорожка, проходящая через один слой печатной платы

Рис. 3. Сигнальная дорожка, проходящая через один слой печатной платы

В том случае, когда сигнал проходит через два опорных слоя платы (рис. 4), схема его распространения выглядит несколько сложнее. В частности, если два опорных слоя имеют одинаковый потенциал (например, оба являются возвратными), для корректной работы схемы достаточно создать нескольких «сшивающих» переходных отверстий рядом с сигнальным отверстием, чтобы сформировать возвратный путь от нагрузки к источнику. Однако если у слоев — разные потенциалы (например, у слоя питания и возвратного тракта), то очень близко к сигнальному переходному отверстию устанавливаются «сшивающие» конденсаторы (stitching capacitors). В отсутствие выделенного возвратного тракта электромагнитное поле распространяется по диэлектрику и оказывает воздействие на другие сигнальные отверстия. Кроме того, оно излучается за переделы печатной платы.

Сигнальная дорожка проходит через два опорных слоя печатной платы

Рис. 4. Сигнальная дорожка проходит через два опорных слоя печатной платы

Как видно из предыдущего примера, на электромагнитные характеристики платы влияет не только расположение дорожек и переходных отверстий, но и порядок следования слоев. В качестве неудачного примера неудачного проектирования рассмотрим многослойную плату, в которой между слоем питания и возвратным трактом питания – три других слоя (рис. 5). В этой плате любые токи, возникающие в результате переходных процессов в схеме подачи питания, наводят помехи на два промежуточных сигнальных слоя. Аналогично, поскольку у нескольких сигнальных слоев имеются смежные возвратные тракты, распространяющиеся по ним волны станут воздействовать на ближайшие проводники при возвращении к источнику. В результате использование такой структуры приводит к образованию и наложению тактовых шумов по всей плате.

Шестислойная печатная плата с высоким уровнем ЭМП

Рис. 5. Шестислойная печатная плата с высоким уровнем ЭМП

На рис. 6 показана та же плата, но с улучшенной компоновкой слоев. Один из сигнальных слоев удален, но слой питания и возвратный слой теперь являются смежными. То же касается и сигнальных слоев: по соседству с каждым из них появился возвратный тракт. Для улучшения характеристик рекомендуется также создать несколько переходных отверстий между возвратными слоями, чтобы сформировать возвратный тракт к источнику с наименьшим импедансом. В идеале переходные отверстия для возвратных слоев должны располагаться на расстоянии 1–2 мм от сигнальных переходных отверстий. Использование такой или схожей схемы расположения слоев позволяет значительно улучшить характеристики платы с точки зрения ЭМП. Во многих случаях этого вполне достаточно для успешного прохождения тестов.

Шестислойная печатная плата с улучшенными электромагнитными характеристиками. Каждый сигнальный слой или слой питания соседствует с возвратным слоем

Рис. 6. Шестислойная печатная плата с улучшенными электромагнитными характеристиками. Каждый сигнальный слой или слой питания соседствует с возвратным слоем

Дополнительные рекомендации

Еще одной важной рекомендацией является размещение всех разъемов питания и разъемов интерфейсов ввода–вывода вдоль одного края платы. Такое расположение способствует снижению эффекта падения напряжения между разъемами, сводя к минимуму излучение кабеля. Кроме того, рекомендуется разделять участки цифровых, аналоговых и радиочастотных цепей на печатной плате, чтобы снизить уровень перекрестных помех и их влияние на чувствительные компоненты. Рекомендуется также сократить длину трактов передачи ВЧ-сигналов между тактовыми генераторами или другими источниками и приемниками. В частности, такие сигналы не должны проходить по краю платы или рядом с разъемами. Дополнительную информацию о конструкции печатной платы и о принципах распространения сигналов по линиям передачи см. в [1–4].

 

Заделка кабелей

Прохождение кабеля в корпус

Первое, на что следует обратить внимание при анализе воздействия ЭМП на работу устройства, являются излучаемые кабелем помехи при их прохождении через экранированный корпус. Они возникают, если кабельные оболочки не заземлены на экранированный корпус либо отсутствует фильтрация синфазных помех на портах ввода–вывода или разъеме питания (рис. 7—8).

Прокладка кабеля через корпус нарушает целостность защитного экрана, и ЭМП от внешних источников проникают в устройство, а помехи от устройства нарушают работу внешних систем

Рис. 7. Прокладка кабеля через корпус нарушает целостность защитного экрана, и ЭМП от внешних источников проникают в устройство, а помехи от устройства нарушают работу внешних систем

Результат прокладки кабеля к плате без подключения разъемов или экранирующего слоя кабеля к корпусу

Рис. 8. Результат прокладки кабеля к плате без подключения разъемов или экранирующего слоя кабеля к корпусу

Так происходит довольно таки часто, поскольку большинство разъемов для подключения кабелей устанавливается непосредственно на плату, а затем для проводки кабеля в экранированный корпус в нем делается отверстие. В результате подключенный кабель, проходя сквозь экран, вносит электромагнитные помехи на плату.

Таким образом, разработчику следует учитывать наличие в устройстве экранированных или неэкранированных корпусов (или корпус отсутствует), а также экранированы ли используемые кабели. Например, силовые кабели для потребительских или коммерческих изделий обычно не экранированы и потому требуют интеграции в схему дополнительных цепей фильтрации для линии питания. В свою очередь, экранированные кабели ввода–вывода должны быть опоясаны экранированным слоем на 360° и иметь соединение с корпусом устройства. Если у изделия отсутствует экранированный корпус, в схему добавляются цепи фильтрации (синфазный фильтр). На рис. 8 показан пример использования разъемов, у которых нет контакта с корпусом, в результате чего кабель наводит помехи на устройство.

Заделка кабелей

Еще одной проблемой, влияющей на электромагнитные характеристики устройства, является использование гибких проводников для соединения кабеля с корпусом разъема (рис. 9). В идеальном случае экран должен опоясывать кабель на 360° для обеспечения наименьшего импеданса. Использование этих проводников снижает эффективность экрана кабеля из-за относительно высокого импеданса. К примеру, импеданс однодюймового шлейфа равен 12 Ом на частоте 100 МГц. Он увеличивается с ростом частоты, препятствуя экранированию кабеля.

Пример плохой заделки HDMI-кабеля

Рис. 9. Пример плохой заделки HDMI-кабеля

Проблема экранирования особенно актуальна для HDMI-кабелей, т. к. рабочая группа HDMI [5] не указала корректный способ подключения экрана кабеля к разъему. Возможно, эта проблема решится в следующей версии стандарта. Между тем, нет гарантий того, что во время тестирования устройства на ЭМП тот или иной подключенный HDMI-кабель покажет приемлемый результат. В таком случае лучше всего проводить тестирование с использованием нескольких кабелей от разных производителей.

На рис. 10 приведены результаты тестирования (зависимость амплитуды ЭМП от частоты) восьми HDMI-кабелей от разных производителей. Каждый из кабелей был подключен к одному и тому же источнику сигнала [6].

 

Результаты тестирования восьми HDMI-кабелей в диапазоне 30–1000 МГц. У двух кабелей уровень ЭМП в измеряемом диапазоне оказался на 25 дБ выше, чем у остальных

Рис. 10. Результаты тестирования восьми HDMI-кабелей в диапазоне 30–1000 МГц. У двух кабелей уровень ЭМП в измеряемом диапазоне оказался на 25 дБ выше, чем у остальных

 

 

Разрывы в возвратном тракте

Разрывы или щели в возвратном тракте являются одной из основных причин повышенного уровня ЭМП, а также высокой восприимчивости устройства к электростатическим разрядам. Рассмотрим эту проблему на конкретном примере. В тех случаях, когда возвратный тракт обрывается, ток в месте разрыва находит кратчайший путь к источнику. Электромагнитное поле при этом вытесняется за пределы обратного тракта и распространяется по всей плате. Этот эффект описан подробнее в [7].

На рис. 11 приведен пример платы с двумя сигнальными линиями с общим сопротивлением 50 Ом, одна и которых имеет разрыв в возвратном тракте. К плате подключен генератор импульсов длительностью 2 нс, которые по очереди подаются на один из двух разъемов BNC; при этом измеряются гармонические токи в возвратном слое.

Пример платы с двумя сигнальными линиями, одна из которых разорвана

Рис. 11. Пример платы с двумя сигнальными линиями, одна из которых разорвана

На рис. 12 показаны результаты измерений обеих сигнальных линий. Заметим, что величина амплитуды тока в случае линии с разрывом (график красного цвета) оказывается на 10–15 дБ выше. Отсутствие должного внимания к целостности возвратных трактов является одной из основных причин отказов, возникающих из-за воздействия излучаемых помех.

Результаты измерений возвратных токов на плате с двумя сигнальными дорожками. Синим цветом показаны результаты замеров линии с целостным возвратным трактом, красным – для линии с разрывом

Рис. 12. Результаты измерений возвратных токов на плате с двумя сигнальными дорожками. Синим цветом показаны результаты замеров линии с целостным возвратным трактом, красным – для линии с разрывом

 

Проектирование схемы подачи электропитания

При проектировании схемы подачи питания в качестве основы выбирается цепь с низким сопротивлением (как правило, в диапазоне 0,1–1,0 Ом) на частотах не менее 30 МГц. Назначение PDN-схемы в том, чтобы как можно быстрее передать энергию от источника питания (от стабилизатора напряжения на печатной плате) к преобразователю.

Однако при проектировании PDN следует учесть тот факт, что в момент переключения выходного каскада преобразователя с низкого состояния на высокое, или наоборот, имеется короткий промежуток времени, когда оба ключа находятся в замкнутом состоянии. Оно вызывает заметный скачок тока между шиной питания и возвратным трактом питания микросхемы. Этот импульс приводит к понижению напряжения питания, что вызывает возникновение помех, наводимых от синхронно коммутируемых цепей (SSN). Грамотное проектирование PDN-схемы позволяет минимизировать уровень SSN-цепей.

В свою очередь, чтобы предотвратить уменьшение напряжения на шине питания, в PDN-схеме применяются сглаживающие (bulk), разделительные (decoupling) и чип-конденсаторы (on-chip). На рис. 13 показан пример типовой модели PDN-схемы с источником питания в левой части и преобразователем в правой (показан выходной каскад преобразователя). Между двумя основными компонентами находится цепь конденсаторов, служащих для накопления энергии. Требуется довольно таки значительное время для передачи необходимой энергии от источника питания преобразователю. К примеру, при расчете требуемого значения тока на расстояние 1,6 мм необходимо примерно 600 пс [10]. Как следствие, цепи PDN должны быть как можно более короткими и прямыми.

Типовая PDN-схема

Рис. 13. Типовая PDN-схема

В идеальном случае сохранение требуемого значения напряжения на шине питания происходит за счет чип-конденсаторов, если таковые имеются, а также за счет энергии, накопленной емкостью слоя питания. Однако на практике при построении PDN-схемы существует довольно таки большая потребность в разделительных конденсаторах, восполняющих недостаток энергии. При выборе этих конденсаторов критически важными параметром, помимо емкости, является значение последовательной индуктивности, которое должно быть как можно меньше. Чем выше эта индуктивность, тем сложнее осуществляется передача энергии в нагрузку, что приводит к появлению помех от синхронно коммутируемых цепей и соответствующему распространению шума по всей печатной плате.

Если задача разделительных конденсаторов и конденсаторов печатной платы заключается в обеспечении шины питания в энергии, то назначение сглаживающих конденсаторов в том, чтобы «перезаряжать» следующие далее в схеме конденсаторы на печатной плате, например, конденсаторы, установленные в непосредственной близости к микросхемам и разъемам, между процессами коммутации. Чтобы минимизировать время перезарядки, требуется, чтобы PDN-схема была выполнена в виде низкоимпедансной линии передачи.

Сглаживающие конденсаторы большей емкости (обычно в диапазоне 4,7–10 мкФ, а иногда и до 100 мкФ) устанавливаются рядом с входным разъемом питания, а конденсаторы меньшей емкости (1–10 нФ) — как можно ближе к переходным отверстиям и компонентам, отвечающим за коммутацию, что позволяет снизить последовательную индуктивность. Чтобы в еще большей мере уменьшить последовательную индуктивность, рекомендуется у каждого конца конденсатора использовать сразу несколько переходных отверстий. Подробнее о проектировании PDN-схем см. [7–9].

 

Конструкция корпуса

Главной проблемой при построении экранированного корпуса является обеспечение плотного соединения между его частями с сохранением возможности такого прохождения кабеля ввода–вывода, когда не возникают дополнительные синфазные помехи. В частности, для обеспечения плотного соединения могут потребоваться специальные прокладки для нейтрализации ЭМП, однако также учитываются размеры прорези для прокладки кабеля и размеры вентиляционных отверстий. На рис. 14 показана зависимость эффективности подавления помех от частоты для корпусов с прорезью разной длины. Из графика видно, что чем больше длина прорези, тем ниже уровень подавления помех и для обеспечения эффективности экранирования не менее 20 дБ длина прорези не должна превышать 12,7 мм.

Зависимость эффективности подавления помех от частоты при использовании корпусов с прорезью разной длины

Рис. 14. Зависимость эффективности подавления помех от частоты при использовании корпусов с прорезью разной длины

Прорези и отверстия в экранированных корпусах вызывают проблемы в том случае, если размер прорези приближается к половине длины волны. На рис. 15 представлена зависимость длины волны от частоты. Видно, что при длине прорези 15 см на частоте 1000 МГц возникнет полуволновой резонанс. Что касается вентиляционных отверстий корпуса, то рекомендуется делать их круглыми диаметром не более 0,64 мм. Допустимо также использование прорезей другой формы, но в таком случае для сохранения приемлемого уровня эффективности экранирования необходимо, чтобы длина отверстий не превышала 12,7 мм.

Зависимость резонансной частоты от длины прорези в экранированном корпусе. Прорези в половину длины волны работают как дипольные антенны и вызывают особые трудности при эксплуатации устройства

Рис. 15. Зависимость резонансной частоты от длины прорези в экранированном корпусе. Прорези в половину длины волны работают как дипольные антенны и вызывают особые трудности при эксплуатации устройства

Подробнее об экранировании см. [11–13].

 

Выводы

Учет основных причин появления проблем с электромагнитным излучением значительно снижает риск отказа устройства при тестировании на соответствие требованиям ЭМП, а также повышает надежность системы при ее эксплуатации в реальных условиях. Правильный подход к проектированию на ранних этапах разработки в конечном итоге сэкономит финансовые расходы и драгоценное время.

Литература
  1.  Bogatin. Signal Integrity – Simplified, Prentice-Hall. 2009.
  2.  Morrison. Grounding and Shielding – Circuits and Interference. Wiley. 2016.
  3.  Morrison. Digital Circuit Boards – Mach 1 GHz. Wiley. 2012.
  4.  Beeker. Effective PCB Design/ /www.nxp.com.
  5.  www.HDMI.org.
  6.  Bergey & Altland. EMI Shielding of Cable Assemblies. DesignCon 2008//www.magazines007.com.
  7.  Wyatt. Gaps in Return Planes – Bad News for EMI//https://interferencetechnology.com.
  8.  Smith and Bogatin. Principles of Power Integrity for PDN Design. Prentice-Hall. 2017.
  9.  Sandler. Power Integrity – Measuring, Optimizing, and Troubleshooting Power Related Parameters in Electronic Systems. McGraw Hill. 2014.
  10.  Novak and Miller. Frequency-Domain Characterization of Power Distribution Networks. Artech House. 2007.
  11.  Ott. Electromagnetic Compatibility Engineering. Wiley. 2009.
  12.  André and Wyatt. EMI Troubleshooting Cookbook for Product Designers. SciTech. 2014.
  13.  Interference Technology’s 2016 EMI Shielding Guide//https://interferencetechnology.com.

Добавить комментарий

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