Освоение электромагнитных помех в печатных платах: стратегии надежного дизайна

Быстрая навигация:
Почему важно избегать электромагнитных помех | Принципы EMC-дизайна для предотвращения и устранения электромагнитных проблем | 1. Заземляющая плоскость | 2. Топология трасс | 3. Расположение компонентов | 4. Экранирование от EMI | EMC-дизайн от Millennium Circuits Limited

Электромагнитные проблемы постоянно преследуют проектировщиков печатных плат. Инженеры системного проектирования должны всегда контролировать электромагнитную совместимость и помехи. К сожалению, даже небольшие проблемы в дизайне могут привести к электромагнитным трудностям. Эти проблемы встречаются сейчас чаще, чем когда-либо, с уменьшением размеров плат и ростом требований клиентов к более высоким скоростям.

Две основные проблемы — это электромагнитная совместимость (EMC) и электромагнитные помехи (EMI).

Электромагнитная совместимость (EMC) включает генерацию, распространение и прием электромагнитной энергии, обычно через плохой дизайн. Электромагнитные помехи (EMI) относятся к нежелательным и повреждающим эффектам EMC, а также к электромагнитным помехам из источников окружающей среды. Слишком много EMI может привести к дефектному или поврежденному продукту. Любой проектировщик ПП должен следовать правилам EMC-дизайна, чтобы минимизировать количество и эффекты EMI.

К счастью, правильный EMC-дизайн может снизить EMI в печатных платах.

Запросить бесплатный расчет стоимости

Почему важно избегать электромагнитных помех

Источники электромагнитных помех окружают нас, и мы можем классифицировать их несколькими способами:

• Источник: Антропогенные EMI возникают от электронных схем. Естественные EMI, с другой стороны, могут возникать от экологических факторов, таких как космический шум и молнии.

• Длительность: Непрерывные помехи — это источник EMI, излучающий постоянный сигнал, который чаще всего появляется как фоновый шум. Импульсные помехи — прерывистые, обычно вызванные коммутационными системами, молниями и другими непостоянными источниками.

• Полоса пропускания: Узкополосные сигналы, используемые радиосвязью, могут встречать помехи от генераторов и передатчиков, хотя эти источники затрагивают только определенные части спектра прерывисто. Широкополосные помехи затрагивают высокоскоростные сигналы, как ТВ, и могут исходить от многих источников, включая дуговые сварки и солнечный шум.

Будь то антропогенные или естественные, EMI могут быть как затратными, так и опасными. Они могут нарушать каналы связи и чувствительные устройства. EMI — серьезная проблема в медицинской сфере, где растет использование беспроводных устройств. К сожалению, EMI может влиять на функциональность медицинского оборудования, такого как вентиляторы, мониторы ЭКГ, кардиомониторы и дефибрилляторы. В других отраслях EMI может сбивать датчики и навигационные системы. Результат во всех случаях — нарушение работы оборудования, которое может отвечать за здоровье и безопасность его пользователей.

Однако наиболее распространенным источником EMI — и наиболее проблематичным для проектировщиков — является внутренний. Плохой дизайн ПП может привести к тому, что несовместимые сигналы будут мешать друг другу на плате. Эти помехи в конечном итоге могут вызвать отказ платы. Проектировщики должны обеспечивать, чтобы помехи были сведены к минимуму, а любые излучаемые сигналы были совместимы, чтобы не приводить к помехам.

Принципы EMC-дизайна для предотвращения и устранения электромагнитных проблем

Проектировщики печатных плат должны следовать принципам дизайна электромагнитной совместимости, чтобы держать EMI на минимуме. Основные причины проблем EMC довольно распространены и в основном связаны с дефектами дизайна, вызывающими помехи между трассами, цепями, виа, катушками ПП и другими элементами.

Эти основные принципы дизайна могут помочь предотвратить и исправить эти электромагнитные проблемы в дизайне печатной платы.

1. Заземляющая плоскость

Проектирование заземляющей плоскости ПП — самый значимый шаг, и он критически важен для снижения EMI. Заземляющая плоскость — ваша первая линия обороны против EMI, поскольку все цепи требуют заземления для работы. Некоторые распространенные лучшие практики дизайна заземления для снижения EMI включают:

• Максимизируйте площадь заземления: Увеличьте площадь заземления настолько, насколько это возможно в пределах ПП. Сигналы могут рассеиваться легче при большей площади, снижая излучение, переговоры и шум. Если заземляющая плоскость слишком мала, вы можете добавить еще один слой и создать многослойную ПП. Это дизайнерское решение дает больше вариантов для работы с высокоскоростными трассами.

• Используйте сплошные плоскости: Особенно в многослойных ПП сплошная заземляющая плоскость — идеальный вариант. Медные заполнители и заземляющие плоскости в виде сетки обычно приводят к более высоким уровням импеданса. Сплошные заземляющие плоскости, с другой стороны, обеспечивают более низкие уровни.

• Подключите каждый компонент: Соедините каждую деталь с заземляющей плоскостью или точкой. Заземляющая плоскость действует как нейтрализующий агент для дизайна платы, и «висящие» компоненты не используют это полностью.

• Будьте осторожны с разделенными плоскостями: Высоко сложные дизайны ПП часто включают множество регулируемых напряжений, у каждого из которых должна быть своя заземляющая плоскость. Слишком много заземляющих плоскостей, однако, увеличивает стоимость изготовления. Эта проблема обычно обходится через разделенные плоскости (split planes), создающие несколько заземляющих секций на одном слое. Однако проектировщики всегда должны использовать разделенные плоскости осторожно. Убедитесь, что у вас есть веская причина для использования разделенной плоскости, и если используете её, обеспечьте соединение только в одной точке. Множественные заземляющие соединения в ПП с разделенным заземлением могут создавать петли, работающие как антенны, излучающие EMI.

• Подключите байпас- или развязывающие конденсаторы: Если дизайн включает байпас- или развязывающие конденсаторы, подключите их к заземляющей плоскости. Это действие помогает уменьшить возвратный ток, уменьшая размер петли.

• Минимизируйте длину сигнала: Длина трасс важна, поскольку время, которое сигнал тратит на прохождение к источнику и обратно, должно быть совместимым. Иначе оно может излучать EMI. Держите длины трасс максимально короткими и примерно равными.

2. Топология трасс

Трассы особенно важны для дизайна платы. Правильное использование трасс обеспечивает правильное распространение тока. Однако многие проблемы могут возникнуть, если трассы не расположены согласно лучшим правилам EMC-дизайна.

Трассы — это по сути проводящие пути, содержащие текущие электроны пока цепь активна. Таким образом, эти трассы находятся в одной ошибке от создания излучающей антенны. Простой изгиб или пересечение может привести к электромагнитным помехам на ПП.

Некоторые из лучших правил для топологии трасс в дизайне ПП включают:

• Избегайте прямых углов: Избегайте углов 45–90 градусов для виа, трасс и других частей. Емкость увеличивается, когда трассы достигают углов свыше 45 градусов. В результате изменяется характеристический импеданс, приводя к отражениям. Это отражение приводит к EMI. Вы можете избежать этой проблемы, скругляя трассы, которым нужно поворачивать, или прокладывая их через два или более угла 45 градусов или меньше.

• Держите сигналы разделенными: Держите высокоскоростные трассы разделенными от низкоскоростных сигналов и аналоговые сигналы — от цифровых. Близость может привести к помехам.

• Сокращайте пути возврата: Держите пути возвратного тока максимально короткими и прокладывайте их по путям наименьшего сопротивления. Пути возврата должны быть примерно той же длины, что и передающие трассы, или короче.

• Соблюдайте интервалы: Две высокоскоростные трассы, идущие параллельно, создают EMI через переговоры (crosstalk), где одна трасса — «агрессор», а другая — «жертва». Агрессор влияет на жертву через индуктивную и емкостную связь, создавая прямой и обратный ток в трассе-жертве. Вы можете минимизировать переговоры, соблюдая минимальный интервал между трассами. Обычно разделяйте трассы на удвоенную ширину трассы. Например, если трассы имеют ширину 5 тысяч дюйма, держите минимальное расстояние 10 тысяч дюйма или более между двумя параллельными трассами.

• Используйте виа осторожно: Виа необходимы в дизайне ПП, потому что они позволяют вам использовать преимущества множественных слоев в ваших платах при разводке. Однако проектировщики должны быть осторожны при их использовании. Виа добавляют свою индуктивность и емкость в смесь, потенциально приводя к отражениям из-за изменений характеристического импеданса. Виа также увеличивают длину трассы, которую нужно согласовывать. Когда возможно, избегайте использования виа для дифференциальных трасс. Если это невозможно, используйте их в обеих трассах для компенсации задержки.

3. Расположение компонентов

Электронные компоненты — строительные блоки электронной схемы. Однако неправильное их расположение может вызвать несколько проблем с EMI. При проектировании ПП учитывайте влияние каждой детали на EMI. Некоторые лучшие практики компоновки компонентов в дизайне ПП включают:

• Разделяйте аналоговые и цифровые части: Как и с трассами, всегда разделяйте аналоговые и цифровые цепи и компоненты. Размещение аналоговых и цифровых цепей в близкой близости может привести к переговорам, среди других проблем. Чтобы избежать этого, используйте экранирование, множественные слои и раздельные заземления, чтобы разместить аналоговые и цифровые сигналы как можно дальше друг от друга. Обычно лучше держать аналоговые и цифровые сигналы на полностью раздельных заземлениях.

• Разделяйте аналоговые и высокоскоростные элементы: Аналоговые цепи несут большой ток, что может вызывать проблемы для высокоскоростных трасс и коммутационных сигналов. Держите их подальше друг от друга и защищайте аналоговые цепи заземляющим сигналом. На многослойных ПП прокладывайте аналоговые трассы так, чтобы заземляющая плоскость существовала между аналоговой цепью и коммутационными или высокоскоростными сигналами.

• Будьте осторожны с высокоскоростными компонентами: Чем быстрее и меньше компонент, тем больше EMI он, вероятно, производит. Вы можете бороться с этой естественной EMI через экранирование и фильтрацию, хотя также хорошей идеей является разделение этих компонентов от других в дизайне платы. Еще одна мера — держать высокоскоростные сигналы и тактовые генераторы максимально короткими и смежными с заземляющей плоскостью. Эти меры помогают держать переговоры, шум и уровни излучения в пределах допустимых лимитов.

4. Экранирование от EMI

Некоторые компоненты будут производить EMI независимо от того, какие правила дизайна вы следуете — особенно малые высокоскоростные детали. К счастью, экранирование и фильтрация могут держать эффекты этой EMI на минимуме. Некоторые варианты экранирования и фильтрации включают:

• Экранирование компонентов и платы: Физические экраны — металлические оболочки, инкапсулирующие всю или часть платы. Их цель — не допустить EMI в схемотехнику платы, хотя конкретные методы варьируются в зависимости от источника EMI. Для EMI, исходящей изнутри системы, компонентные экраны могут использоваться для оболочки конкретного компонента, производящего EMI — таким образом соединяясь с заземлением, уменьшая размер антенной петли и поглощая EMI. Другие экраны могут оборачивать всю плату для защиты от EMI из внешних источников. Клетка Фарадея, например, — толстая защитная оболочка, предназначенная для блокировки радиочастотных волн. Эти устройства обычно сделаны из металла или проводящей пены.

• Низкочастотная фильтрация: Иногда ПП может включать низкочастотные фильтры для устранения высокочастотного шума от компонентов. Эти фильтры подавляют шум от этих частей, позволяя току продолжать путь возврата без помех.

• Экранирование кабелей: Кабели, несущие аналоговые и цифровые токи, создают наибольшее количество проблем с EMI. Они производят эти проблемы, создавая паразитную емкость и индуктивность — особыю проблему для высокочастотных сигналов. К счастью, экранирование этих кабелей и их подключение к заземлению спереди и сзади помогает компенсировать EMI-помехи.

EMC-дизайн от Millennium Circuits Limited

По мере прогресса технологий и роста проблем с электромагнитными помехами вашей компании нужно инвестировать в ресурсы для подготовки к будущему. Электромагнитные проблемы станут более продвинутыми, и следование за последними лучшими практиками — лучший способ избежать этих проблем и настроить вашу компанию на будущий успех. Часть этого должна включать партнерство с качественным поставщиком печатных плат. Ваш поставщик подготовит вашу компанию к обработке любого проекта ПП, который придет к вам. Millennium Circuits Limited может помочь вам дойти до этого.

Millennium Circuits Limited, также известная как MCL — ведущий поставщик печатных плат, который может создавать ваши ПП здесь в США. Наша цель — дать вам лучшие ПП, которые экспертно спроектированы и конкурентоспособны по цене.

Мы можем предоставить оффшорное производство, чтобы помочь вам улучшить затраты и соблюдать бюджет. Если вам нужен уникальный тип платы, наши знающие профессионалы могут реализовать практически любой тип печатной платы, о котором вы можете подумать: от гибких и керамических плат до высокоскоростных цифровых плат и многое другое. Мы можем помочь вам найти правильные поверхностные покрытия, виа и характеристики для достижения платы, которую вы хотите, с качеством, которого вы заслуживаете.

Позвольте нам помочь вам реализовать мечты вашего проекта. Свяжитесь с нами сегодня для бесплатного расчета стоимости.

Запросить бесплатный расчет стоимости