Как улучшить электромагнитную совместимость и защитить печатную плату от электромагнитных помех.

Электромагнитные помехи (ЭМП, англ. Electromagnetic Interference (EMI)) сопровождают работу всех электронных устройств, которыми мы пользуемся сегодня. Если одновременно включить радиоприёмник и телевизор, можно наблюдать шумовые помехи от телевизора, влияющие на радиосигнал, и наоборот. С данным явлением мы сталкиваемся и при посадке в самолёт, когда экипаж просит отключить мобильные телефоны, планшеты и ноутбуки. Это делается для предотвращения влияния помех от сигналов гаджетов на навигационные сигналы самолёта. В условиях высокого спроса на потребительскую электронику проектировщикам приходится учитывать воздействие ЭМП. Было бы крайне неприятно, если бы человек, разговаривающий по мобильному телефону на улице, вызывал помехи в наушниках своего соседа.

Полностью избавиться от ЭМП невозможно, но мы, безусловно, можем адаптировать наш подход к проектированию печатных плат, чтобы сделать их менее восприимчивыми к воздействию ЭМП, одновременно повышая электромагнитную совместимость (ЭМС, англ. Electromagnetic Сompatibility (EMC)).

Электронная система состоит из печатных плат (ПП), интегральных микросхем, межсоединений и кабелей ввода-вывода. На высоких частотах, в зависимости от длины проводников и протекающих в них токов, межсоединения склонны работать как антенны, что приводит к возникновению ЭМП. Эти электромагнитные излучения создают помехи для других устройств, находящихся поблизости. Именно поэтому изучение и анализ ЭМП/ЭМС так важны. Нарушает ли излучение вашего прибора работу других расположенных рядом устройств? Соответствует ли оно установленным стандартам? Достигнуто ли соответствие стандартам по ЭМП (ГОСТ / IPC CISPR)?

В этой статье мы рассмотрим рекомендации по проектированию печатных плат, позволяющие контролировать и предотвращать проблемы ЭМП и ЭМС.

Что такое ЭМС и ЭМП на печатной плате?

Электромагнитная совместимость (ЭМС) — это способность электронной системы функционировать в электромагнитном окружении должным образом, не создавая недопустимых электромагнитных помех (ЭМП) в устройствах и системах рядом с собой. ЭМС гарантирует, что система работает в соответствии с назначением при соблюдении установленных мер безопасности.

ЭМП — это электромагнитные возмущения, при которых энергия передаётся посредством излучения или проводимости от одного электронного устройства к другому, ухудшая качество сигнала и вызывая сбои в работе. ЭМС фокусирует внимание на требованиях к испытаниям и на взаимных помехах между соседним оборудованием. Помехи могут возникать в любом частотном диапазоне выше нуля (постоянного тока - DC). Обычно это происходит на частотах превышающих 50 МГц.

Всякий раз, когда устройство отклоняется от установленных стандартов, проблемы ЭМС/ЭМП начинают доминировать над производительностью системы. Поэтому устранять ЭМП нужно ещё на начальной стадии проектирования печатной платы. Борьба с помехами на более поздних этапах производства может быть излишне рискованной и дорогостоящей.

Для создания платы, соответствующей требованиям ЭМС, основное внимание следует уделять проектированию проводящих цепей электронной схемы, выбору компонентов и разводке печатной платы. Чтобы устройство было готово к выходу на рынок, оно должно соответствовать предписанным стандартам по ЭМП/ЭМС.

Проектирование печатных плат, соответствующих требованиям ЭМС

Применение надёжных методов обеспечения ЭМС при проектировании печатных плат позволяет достичь соответствия стандартам ЭМС с ощутимо меньшими затратами по сравнению с альтернативными мерами на более поздних этапах производства. Когда проект печатной платы можно считать соответствующим требованиям ЭМС? По сути, электромагнитная совместимость зависит от трех аспектов:

• Плата не должна создавать помех другим системам;
• Она не должна быть чувствительной к излучению от других систем;
• И, что наиболее важно, плата не должна создавать помех самой себе (внутренних помех).

Каковы источники электромагнитных помех?

Существует два типа электромагнитной эмиссии: кондуктивная и излучаемая.

Кондуктивные помехи проникают в систему через линии ввода питания и кабели, в то время как излучаемые возникают из-за электромагнитных волн от силовых и коммуникационных линий, переключающих устройств и электростатических разрядов.

Излучаемые помехи распространяются во внешней среде от электронных устройств и дорожек, мешая работе других электронных систем. Простой пример: помехи от мобильных телефонов и ноутбуков, влияющие на функционирование бортовой авионики.

Кондуктивные помехи могут быть подавлены путём установки линейных сетевых фильтров, подключаемых непосредственно на вводе питания или рядом с разъёмами.

Электромагнитные излучения также могут исходить от высокочастотных дорожек. Аналогичным образом они могут генерироваться силовыми и шинами заземления из-за некачественной развязки по питанию. Это приводит к возникновению паразитных токов, таких как синфазные (англ. Common-Mode, CM) и дифференциальные (англ. Differential-Mode, DM) токи (рис.1 и рис.2).

Помните закон Фарадея из школьного курса? Он гласит, что магнитное поле, создаваемое катушкой, прямо пропорционально площади контура и силе тока в нем.

ЭДС = di/dt ∝ Площадь контура (катушки) ∝ Сила тока в контуре (Ток, протекающий через катушку)

Таким образом, первоочередная задача проектировщика — уменьшить площадь контура/катушки. При уменьшении площади контура магнитный поток также снижается.

Вопрос в том, как этого добиться? Допустим, на верхнем слое платы проходит сигнальная дорожка. Мы можем минимизировать петлю тока, разместив плоскость заземления (ground plane) непосредственно под этой дорожкой. Теперь прямой ток будет течь по дорожке к нагрузке, а обратный ток — по слою заземления, расположенному прямо под ней.

Толщина диэлектрика между слоями составляет около 3 mil (примерно 0.076 мм), благодаря чему площадь образованного контура становится чрезвычайно малой. Как следствие, расположение слоя «земли» непосредственно под дорожкой снижает ЭМП за счёт кардинального уменьшения площади контура тока.

Второй важный аспект — минимизация скорости изменения тока (di/dt). Поскольку большая сила тока приводит к более интенсивному излучению, то снижение силы тока также уменьшает уровень ЭМП. Даже при работе платы на высоких частотах поддержание малой скорости нарастания сигнала способствует снижению помех.

Избегайте рассогласования импедансов. Несогласованные импедансы вызывают выбросы (англ. overshoot) и звон (англ.  ringing) в цифровых сигналах, что приводит к увеличению излучаемых помех.

Правильно спроектированная система всегда имеет согласованные импедансы от источника до нагрузки, включая линию передачи. Такой подход не только обеспечивает максимальную мощность, но и позволяет минимизировать отражения.  Это важно, поскольку отражения способны усиливать гармоники в линии передачи, повышая тем самым уровень излучаемых помех.

Согласованные импедансы снижают уровень излучения от устройства, делая его более технологичным, эффективным и удобным в эксплуатации.

7 рекомендаций по проектированию для снижения электромагнитных помех и обеспечения хорошей электромагнитной совместимости печатных плат

Как разработать плату с низким или практически нулевым уровнем электромагнитных помех? Это вполне достижимо.

Несмотря на то, что не существует универсальных и жёстких правил проектирования, в статье даны рекомендации, которые являются общими для всех типов ПП. Приведённые ниже правила проектирования гарантируют, что вы не создадите вместо платы антенну, излучающую электромагнитную энергию.

1. Расстояние между дорожками и их расположение

Дорожки — это проводящие пути, по которым ток передаётся от источника к приёмнику на печатной плате. Когда эти дорожки образуют изгибы или пересечения, они могут превращаться в излучающую антенну.

Вот некоторые правила проектирования дорожек:

1.1. Расстояние между дорожками.

Все сигнальные линии (тактовые, видео, аудио, сброса и т.д.) должны быть отделены от других дорожек. Общее правило гласит, что расстояние между осевыми линиями дорожек должно составлять 3W, где «W» — это ширина дорожки (рис 3).

Такой подход помогает уменьшить перекрёстные помехи и связь между соседними дорожками на одном слое ПП. Дифференциальные пары являются исключением из этого правила.

1.2. Прокладывайте дорожки дифференциальных пар близко друг к другу.

Такая трассировка увеличивает степень связи и снижает уровень шума в синфазном режиме. Например, предположим, что два проводника расположены близко. Любая внешняя помеха, воздействующая на эту пару, добавит одинаковое возмущение на оба проводника.

Если на проводнике 1 напряжение 1 В, а на проводнике 2 — 1.5 В, то разность составит 0.5 В. Поскольку внешняя помеха одинакова для обоих проводников, допустим, 0.1 В, то проводник 1 будет иметь 1.1 В, а проводник 2 — 1.6 В. При расчёте разности она останется прежней — 0.5 В. Таким образом, шум фактически подавляется.

Именно поэтому высокоскоростные сигналы предпочтительно прокладывать в виде дифференциальных пар.

1.3. Используйте переходные отверстия правильно.

Переходные отверстия используются в многослойных платах для трассировки сигналов. Разработчик должен знать, что каждое переходное отверстие обладает паразитной ёмкостью и индуктивностью. Поэтому количество переходных отверстий следует по возможности минимизировать, а критические сигнальные дорожки нужно прокладывать на одном слое.

Из-за собственных ёмкости и индуктивности переходных отверстий возникает рассогласование импедансов между отверстием и дорожкой, что приводит к отражениям сигнала. Рекомендуется размещать заземлённые переходные отверстия рядом с сигнальными. Это обеспечивает привязку сигналов к соединённым слоям «земли», что уменьшает изменение значения характеристического импеданса и, следовательно, отражений.

Старайтесь не размещать переходные отверстия в дифференциальных парах. Если же это невозможно, то следите, чтобы на обоих проводниках дифференциальных пар находилось одинаковое количество переходных отверстий. Также рекомендуется использовать общую анти-площадку (anti-pad, вырез в полигоне) для двух переходных отверстий, чтобы минимизировать паразитную ёмкость.

1.4. Избегайте шлейфов у отверстий  (stubs) в чувствительных и высокочастотных цепях.

Шлейфы создают отражения, а также могут играть роль антенны с дробной длиной волны (рис. 4).

1.5. Используйте экранирующие и шунтирующие дорожки для тактовых сигналов.

Для подавления шума, распространяющегося по цепям питания в тактовых схемах, используются развязывающие конденсаторы.

Для защиты тактовых линий от источников ЭМП размещайте экранирующие и шунтирующие дорожки. Если этого не сделать, тактовые сигналы могут создавать проблемы в других частях схемы (рис.5).

Заземление с низкой индуктивностью является ключевым элементом для устранения проблем ЭМС при проектировании ПП. Увеличение площади заземления на плате снижает индуктивность контура заземления в системе, что, в свою очередь, уменьшает электромагнитное излучение и перекрёстные помехи.

Существует несколько подходов к подключению сигналов к «земле», но какой из них лучший? Прежде чем перейти к описанию оптимальной методики, отметим, что является совершенно недопустимым: никогда не подключайте компоненты на плате к точкам заземления случайным образом!

2.1. Используйте сплошной заземляющий слой и заземляющие сетки.

Используйте сплошной заземляющий слой. Он обеспечивает наименьшее значение индуктивности при возврате тока от нагрузки к источнику. Хотя для «земли» желательно выделять отдельный слой ПП, это не всегда возможно в двухслойных платах. В таких случаях рекомендуется применять заземляющие сетки, в которых индуктивность зависит от расстояния между проводниками сетки (рис.6).

2.2 Избегайте длинных обратных путей.

Согласно закону Фарадея, важное значение имеет то, как сигнальный ток возвращается через системную «землю». Возвратный ток всегда следует по пути с наименьшим импедансом. Импеданс на любой заданной частоте описывается формулой

Z(ω) = R + jωL

На низких частотах импеданс определяется в основном активным сопротивлением (R).

На высоких частотах реактивная составляющая (jωL) становится более значимой, чем сопротивление, что заставляет возвратный ток следовать по пути с наименьшей индуктивностью контура.

Следовательно, необходимо обеспечивать самые короткие пути возврата и минимальную площадь контура тока (рис 7).

Рекомендуется подключать заземление компонента непосредственно к заземляющей плоскости. Это позволит уменьшить паразитные контуры заземления (рис. 8).

2.3 Использование клетки Фарадея или экранирующего кольца для изоляции от помех

Клетка Фарадея создаётся путём добавления заземления на край печатной платы. Цель — не допустить выхода сигнала за пределы этой границы. Такой подход позволяет ограничивать излучение и сдерживать помехи в заданных пределах (рис 9).

2.4. Размещайте высокоскоростные и низкоскоростные цепи ближе к заземляющим полигонам.

2.5. Всегда заземляйте незанятые медные области.

«Плавающие» медные участки всегда должны быть заземлены. В противном случае они могут работать как антенны, вызывая проблемы с ЭМС.

2.6. Учитывайте наличие нескольких источников питания.

Если схема требует более одного источника питания, следует разделять их заземляющими полигонами. Однако в однослойных печатных платах реализовать несколько слоёв «земли» невозможно. Эту проблему можно решить, проложив силовые и «земляные» проводники для каждого источника отдельно от других. Это также позволит избежать объединения помех одного источника питания другому.

2.7. Будьте внимательны при работе с разрывами в полигонах.

Длинные отверстия и широкие переходные отверстия в силовых и заземляющих полигонах создают разрывы, которые формируют неоднородные области. Эта неоднородность увеличивает импеданс силовых и заземляющих слоёв.

3. Экранирование

Экранирование — это механический метод, использующий проводящие или магнитные материалы (а также их комбинацию) для подавления ЭМП в системе. Механический экран представляет собой замкнутый проводящий корпус, соединённый с «землёй», который способен существенно уменьшить эффективный размер антенных контуров, поглощая и отражая часть их излучения.

Экран может покрывать всю систему или её часть, в зависимости от требований. Экранирование для обеспечения ЭМС защищает передачу сигналов от внешних помех и предотвращает потерю информации (рис.10).

Отдельно следует упомянуть об экранировании кабелей. Кабели, передающие аналоговые и цифровые сигналы, являются источником серьёзных проблем с ЭМП из-за своей паразитной ёмкости и индуктивности. Помехи можно подавить путём экранирования таких кабелей и заземления экрана с обоих концов.

4. Компоновка слоёв печатной платы

Эффективность ЭМС печатной платы также зависит от расположения её слоёв. В случае печатной платы с двумя или более слоями один целый слой следует использовать в качестве заземления. Для четырёхслойной платы силовой слой следует размещать под слоем заземления.

Предпочтительная структура слоёв для четырёхслойной платы выглядит так:

• первый сигнальный,
• «земля»,
• питание,
• второй сигнальный.

Согласованные по импедансу дорожки, по возможности, должны располагаться на первом сигнальном слое. Ниже даны некоторые рекомендации по компоновке слоёв платы с точки зрения эффективности ЭМС:

1. Если используется двухслойная плата и невозможно выделить целый слой под «землю», следует использовать заземляющие сетки;
2. Если отдельный силовой слой не используется, то «земляные» проводники должны быть проложены параллельно силовым, чтобы обеспечить «чистое» питание.

При количестве слоёв более четырёх рекомендуется использовать следующее чередование: сигнальный слой → земля/питание → сигнальный слой → земля/питание → земля/питание → сигнальный слой → земля/питание → сигнальный слой. То есть использовать чередующиеся сигнальные слои и слои «земли/питания». При этом количество слоёв должно быть чётным (рис 11).

Использование выделенных земляных полигонов, заземляющих переходных отверстий и гальванической развязки относится к числу лучших методик заземления в ПП для предотвращения проблем с ЭМП.

5. Разделение чувствительных компонентов

Для создания конструкции, соответствующей требованиям ЭМС, компоненты печатной платы необходимо группировать в соответствии с типами обрабатываемых сигналов: аналоговые, цифровые, цепи питания, низкоскоростные, высокоскоростные сигналы и т.д.(рис12).

Сигнальные проводники каждой группы компонентов должны оставаться в своей выделенной зоне. Целесообразно использовать фильтр всякий раз, когда сигнал должен передаваться из одной подсистемы в другую. 

Выводные компоненты, обладающие более высокой индуктивностью, могут генерировать резонансную частоту свыше 100 МГц. Не рекомендуется применять большое количество компонентов для сквозного монтажа (в отверстия), так как они создают чрезмерный шум. Напротив, малые физические размеры SMD-компонентов способствуют более эффективному подавлению шумов.

Таким образом использование компонентов для поверхностного монтажа (SMD) вместо выводных компонентов поможет минимизировать риски возникновения проблем ЭМП/ЭМС. SMD-компоненты обладают меньшей индуктивностью по сравнению с выводными, что снижает энергию излучения радиочастот. Кроме того, SMD позволяют достичь более высокой плотности компоновки благодаря возможности близкого размещения компонентов.

6. Развязывающий конденсатор

Когда интегральные схемы работают, они коммутируют ток на высокой частоте, что приводит к появлению шума переключений в силовых шинах и дорожках, подключенных к ИМС. Этот шум, если его не подавить, приводит к появлению электромагнитного излучения и, как следствие, к ЭМП.

Способом снижения шума в силовой цепи является размещение развязывающих конденсаторов как можно ближе к выводам питания ИМС и подключение их непосредственно к заземляющим полигонам (рис. 13). Использование силовых слоёв вместо силовых дорожек также помогает снизить шум в цепях питания. 

Когда схема работает на высокой скорости, очень важным становится согласование импеданса между источником и приёмником. Если импеданс не согласован и не контролируется надлежащим образом, это может вызвать отражения сигнала и высокочастотный звон.

Избыточная RF-энергия, генерируемая из-за звона и отражений, будет излучаться и/или наводиться на другие части схемы, создавая проблемы ЭМП. Для подавления этих нежелательных эффектов применяются схемы согласования линий (англ. Signal termination, терминаторы).

Терминаторы подавляют отражения и звон за счёт мер по контролю импеданса, а также могут замедлить крутые фронты нарастания и спада сигналов (рис.14). Импеданс дорожек также зависит от материалов печатной платы.

Электромагнитные излучения электронной системы измеряются с применением различных методов моделирования. Компьютерное моделирование часто рассматривается как основной подход к анализу ЭМС.

Моделирование выполняется с помощью методов интегрирования для получения точных измерений ключевых параметров. Для тестирования электромагнитных излучений в электронной системе рекомендуется:

1. Применять моделирование по методу конечных разностей во временной области (FDTD) для измерения частотной характеристики синфазного тока в условиях высокого напряжения.
2. Оценивать синфазный ток с учётом таких факторов, как импеданс антенны токового типа и постоянная распределённой цепи.
3. Учитывать влияние электрической связи между силовым и заземляющим слоями на величину синфазного тока.

Соответствие стандартам ЭМС/ЭМП (CISPR, раздел 15 FCC)

Цель стандартов ЭМС/ЭМП — обеспечить взаимную совместимость электрических и электронных систем, расположенных рядом, для их бесперебойной работы. Стандарты CISPR применимы ко всем продуктам, системам и установкам.

Они были введены в соответствии с правилами Раздела 15 Федеральной комиссии по связи (FCC) США и предписаниями Международного специального комитета по радиопомехам (CISPR).

Эти стандарты определяют допустимые пределы как для кондуктивных, так и для излучаемых помех, а также их классификацию по типам окружающей среды: бытовая, коммерческая, лёгкая промышленная и промышленная.

Для соответствия требованиям ЭМС устройство должно быть протестировано на кондуктивные и излучаемые эмиссии, а также на устойчивость к кондуктивным и излучаемым помехам. Пример одного из таких тестов представлен на графике ниже (рис 15). На графике указаны предельные значения, при этом уровни излучения устройства должны находиться в установленных пределах.