Ralf Brüning, Zuken
New Electronics
Хотя нередко понятия EMC и EMI используются как синонимы, в действительности это не одно и то же. Электромагнитная совместимость (Electromagnetic Compatibility, EMC) – это управление излучаемыми и кондуктивными электромагнитными помехами (Electromagnetic Interference, EMI). Плохая EMC является одной из основных причин, вынуждающих повторно начинать проектирование печатной платы. На самом деле, по оценкам, 50% первоначальных проектов печатных плат оказываются неудачными из-за того, что излучают нежелательные электромагнитные помехи и/или восприимчивы к ним.
Но такая статистика неудач характерна не для всех областей. Наиболее вероятно это в секторах, зарегламентированных строгими правилами, таких как медицина и авиационно-космическая промышленность, или же там, где разрабатываемое устройство должно присоединиться к линейке продуктов, которая исторически создавалась с учетом EMC. Разработчики мобильных телефонов, например, от А до Я изучили проблемы беспроводной связи и прекрасно разбираются в минимизации риска нежелательных излучений.
Наибольшее беспокойство проблемы EMC доставляют разработчикам печатных плат, предназначенных для бытовой техники, такой как тостеры, холодильники и стиральные машины, которые объединяют множество устройств, поддерживающих подключение к Интернету вещей по беспроводной сети. При больших объемах производства перепроектирование печатной платы может привести к задержке выпуска продукта. Хуже того, отзыв продукта может нанести серьезный ущерб репутации и финансам компании.
Откуда приходит шум?
Выпущено множество руководств по соблюдению норм EMC при проектировании печатных плат, и, кроме того, у многих компаний есть собственные правила проектирования плат и выполнения требований EMC. Кроме того, инструкции могут поступать из внешних источников, таких как директивные органы, поставщики комплектующих и клиенты. Однако буквальное исполнение всех инструкций и требований может сделать защитную стратегию EMC чрезмерной и стать причиной задержки проекта. Правила должны оцениваться индивидуально, чтобы определить, применимы ли они к текущему проекту или нет.
Тем не менее, базовые правила, основанные на здравом смысле, будут применяться всегда. Например, чтобы подавить источники шума на печатной плате, необходимо:
- Стремиться использовать как можно более низкие частоты синхронизации, а времена нарастания фронтов увеличивать до максимума (разумеется, в рамках требований технического задания);
- Стараться располагать цепи синхронизации по центру печатной платы, за исключением случаев, когда тактовый сигнал должен уйти с платы (тогда цепь синхронизации размещайте как можно ближе к соответствующему разъему);
- Устанавливать кристаллы резонаторов вплотную к печатной плате и заземлять их;
- Все печатные проводники цепи синхронизации делать как можно короче;
- Размещать драйверы ввода/вывода рядом с местами, где сигналы поступают на плату или покидают ее;
- Фильтровать все сигналы, приходящие на плату.
Хотя вышеперечисленные меры помогут смягчить некоторые из наиболее распространенных проблем, связанных с электромагнитными помехами, каждая печатная плата, на которую подано питание, в любом случае будет излучать электромагнитную энергию. Это связано с тем, что каждый ток создает магнитное поле, а каждый заряд создает электрическое поле. Суммарное излучение будет представлять собой сумму излучений дифференциальной сигнальной петли, синфазной помехи (обусловленной как напряжением, так и током) и излучения, создаваемого системой распределения питания.
Рассмотрим их более подробно
Дифференциальное излучение обусловлено петлями линий передачи и сигналами, создающими дифференциальные токи IDM (Рисунок 1). В перечень контрмер входят использование экранирующих слоев (питания или земли), размещение критических сигнальных линий во внутренних слоях (известное так же как формирование полосковых линий – striplining), исключение длинных сигнальных проводников и упоминавшиеся выше минимизация петель схемы и ограничение времен нарастания и спада сигналов на минимально возможных уровнях.
 |
||
| Рисунок 1. | Дифференциальное излучение. | |
Более критической технологической частью проекта часто бывает синфазное излучение, поскольку электромагнитной излучение (EMI) лучше «видно» в дальней зоне поля. Оно создается паразитными токами, такими как токи переключения или токи, обусловленные индуктивными связями проводников (Рисунок 2), а также паразитными напряжениями, возникающими, например, из-за перекрестного взаимодействия активных сигналов ввода-вывода. Контрмеры включают в себя исключение источников этих паразитных токов и напряжений. Это означает, что необходимо избегать взаимных связей между быстрыми сигналами и более продуманно размещать компоненты и выполнять трассировку печатной платы.
 |
||
| Рисунок 2. | Синфазное излучение. | |
Что касается излучения системы распределения питания, то оно возникает из-за того, что печатная плата по существу является LCR резонатором, содержащим индуктивные элементы (печатные проводники), емкости (плоскости слоев заземления и питания подобны конденсаторам) и сопротивления. Для ослабления электромагнитных излучений этого вида требуется снижать импеданс платы, исключать индуктивности и обеспечивать достаточную развязку.
Кроме того, интегральные микросхемы также являются источниками помех, и будут вносить свой вклад в электромагнитный профиль печатной платы. Об этом не следует забывать при выборе микросхем, а производители чипов должны быть в состоянии предоставить вам информацию об электромагнитном поведении их компонентов.
Средства моделирования и проверки правил проектирования
В составе многих САПР печатных плат имеются средства проверки критериев EMC. В перечень проверок входят изучение геометрических параметров печатной платы для случаев, когда могут возникать перекрестные помехи (например, из-за параллельно разведенных трасс), областей с недостаточным или отсутствующим экранированием и мест, где может потребоваться развязка.
Эти правила объединяют опыт и знания многих инженеров, работающих в области EMC. Однако важно знать их первоисточник и то, как они были реализованы поставщиком САПР. Вы вправе попросить его ознакомить вас с набором этих правил. Кроме того, у вас должна иметься возможность указывать программе свои приоритеты, чтобы выделять те области печатной платы, где подавление электромагнитных помех и целостность EMC имеют критическое значение.
Но давайте не будем забывать, что все эти проверки выполняются уже после разводки платы. Поэтому всегда лучше сразу разрабатывать печатную плату с учетом факторов EMC и EMI, а не действовать методом проб и ошибок. Иначе от поделанной работы может быть мало пользы, особенно в том случае, когда требуемые уровни электромагнитных излучений уже заранее указаны в техническом задании.
Для более продвинутого анализа требуется моделирование. Как и в случае с программами проверки проектных норм EMC, содержательность и, следовательно, ценность результатов будут зависеть от того, насколько хорошо цифровое представление соответствует реальной плате и ее поведению, и, конечно же, от того, насколько хороши различные уравнения, положенные в основу программных алгоритмов анализа электромагнитных излучений. Опять же, у поставщиков САПР должна быть возможность предоставлять соответствующую информацию. Также нужно сделать несколько образцовых измерений для проверки методологии моделирования и обработать их, чтобы затем использовать как основу для интерпретации будущих результатов.
На рынке существует множество цифровых 3D симуляторов электромагнитных помех, некоторые из которых предназначены для специальных целей, например, для проектирования антенн. Они хорошо подходят для анализа возможных вариантов и оптимизации структур, могут моделировать все эффекты EMI для определенной структуры, но требуют значительных вычислительных ресурсов (памяти и процессорного времени) и, как правило, очень дороги. Кроме того, для интерпретации результатов моделирования требуется глубокое понимание EMI, поскольку иногда бывает очень сложно, используя только результаты 3D моделирования, объяснить, например, причины возникновения конкретного пика излучения.
Однако для тех типов печатных плат, которые используются в бытовой технике, мы не стремимся оптимизировать антенные структуры или создавать конкретные профили радиочастот. Мы просто хотим удостовериться, что проект печатной платы демонстрирует хорошую EMC; поэтому нам хватит САПР печатных плат с достаточным набором правил проверки ошибок EMC.
Проектирование плат без EMI
Хотя идеального решения проблемы EMC не существует, хорошо организованная работа над проектом должна включать в себя выявление паразитных антенн EMI, таких как электрические и магнитные диполи. Кроме того, нужно определять пути прохождения токов, поскольку токи протекают по замкнутой цепи и всегда будут искать пути с наименьшим сопротивлением. Соответственно, необходимо планировать правильные пути возврата токов (отметим, что у инженеров в области EMC «земля» не является признанным техническим термином) и избегать пересечений и разветвлений (даже для дифференциальных пар), а также разрывов путей возврата (Рисунок 3).
 |
||
| Рисунок 3. | На верхнем рисунке опорным слоем для части трассы сигнала (т.е., слоем с нулевым потенциалом переменного тока) попеременно служат то слой земли, то питания. Это создает антенну EMI. Трассировка сигнала в пределах одного опорного слоя (нижний рисунок) позволяет исключить или, как минимум, сократить разрывы путей возврата тока. |
|
Подводя итог, скажем, что всегда лучше сразу же проектировать плату с учетом EMC, нежели идти на риск повторного проектирования, однако необходимо четко понимать, какие правила EMC, и как будут применены к вашему проекту. Кроме того, возможность анализа с помощью инструментов, встроенных в САПР печатных плат, может значительно снизить риск нарушения норм EMC после изготовления платы; но убедитесь, что средства проверки правил проектирования основаны на хорошо документированных и проверенных принципах и толкованиях EMC. И никогда не моделируйте, если а) вы не доверяете симулятору, и б) вы не чувствуете заранее, какими будут результаты.
