Оптимизация трассировки высокоскоростных печатных плат для минимизации влияния EMI

Новые поколения электронных технологий приводят к увеличению крутизны фронтов сигналов компонентов. Повышение рабочей скорости схемы предъявляет всё более высокие требования к проектированию печатных плат. Качество проектирования печатной платы даже определяет рабочую производительность компонентов и всей схемы. Особенно с учетом стоимости, площади платы и функциональности комплексной схемы источники генерации EMI (электромагнитных помех) становятся всё более широкими и сложными по механизму.

Механизм EMI и решения

Основные элементы EMI: источник электромагнитных помех, путь передачи и подвергаемый воздействию объект. Определив элементы, приводящие к появлению EMI, необходимо выделить те, которые легко решаются, и те, что решаются лишь частично в процессе проектирования печатной платы, чтобы учесть их при разводке, размещении и заземлении.

Размещение (Layout)

В плане размещения печатной платы зоны должны делиться согласно различным функциям. Разные функции распределяются в разные зоны, при этом особое внимание уделяется чувствительным узлам в функциональных зонах.

Обычно для размещения печатной платы следует соблюдать следующие принципы:

• В высокоскоростных схемах необходимо учитывать параметры распределения выводов компонентов. Распределенная емкость выводов компонентов весьма существенна, особенно для высокоскоростных тактовых сигналов. Также нужно учитывать распределенную индуктивность, так как она может привести к колебаниям сигналов, вызывающим отказ функции схемы. Поэтому при размещении распределение должно быть плотным, длина выводов минимизирована для последующей трассировки и уменьшения влияния EMI.
• Если в схеме присутствуют и аналоговые, и цифровые компоненты, они должны размещаться раздельно. Поскольку сигналы цифровых компонентов имеют сложный состав с множеством гармоник, они сильно влияют на аналоговые сигналы, поэтому к этому нужно относиться с большой осторожностью.
• Тактовые узлы критичны в высокоскоростных схемах. Их принцип работы эквивалентен источнику шума: этот узел будет генерировать колебания при выполнении определенных условий. Как важный источник проводимых и излучаемых помех, тактовый узел не должен размещаться на краю печатной платы — иначе EMI станет очень серьезным. Необходимо размещать тактовые узлы в центре платы, что значительно снижает EMI в схемах.

Трассировка (Routing)

В процессе трассировки печатной платы при низкой стоимости землю можно расширять максимально для уменьшения влияния EMI. Однако при строгом контроле стоимости нужно тщательно учитывать число слоев печатной платы и последовательность их наложения. Кроме того, необходимо учитывать типы сигналов и трассировать высокоскоростные и низкоскоростные сигналы независимо. Также нужно учитывать источники шума и способы усиления подавления шума, вопросы согласования импеданса (высокоскоростные сигналы без надлежащего согласования неизбежно приведут к отражению сигналов и снижению надежности схем) и списку цепей (netlist).

Основные принципы трассировки

Общие принципы, соблюдаемые при трассировке:

1. В трассировке следует избегать точек излома, то есть прямых углов, как показано на рисунке 1.

Прямой угол может привести к отражению, поэтому точки излома должны проектироваться плавно, чтобы избежать этого явления. Одновременно ключевые сигналы не должны выходить за границы разделенных зон, иначе EMI мгновенно усилится. Наиболее распространенным обходом сигнала является пересечение разных зон питания.

2. При размещении аналоговые и цифровые компоненты должны быть разделены, что означает разделение их трассировки. Одновременно ширину земляных и питания проводников следует расширять с общим правилом: ширина земляных проводников больше ширины питания, которая больше ширины сигнальных проводников. Кроме того, принцип 3W должен быть полностью учтен при трассировке сигнальных проводников, а для многослойных плат — принцип 20H на внутренних слоях. Выполнение вышеуказанного позволяет избежать 70% EMI. Для аналоговых чувствительных проводников можно применять меры заземления.
3. Для трассировки USB 2.0 или других высокоскоростных дифференциальных линий должна применяться связанная трассировка (coupling routing), и целостность опорной поверхности между дифференциальными парами должна быть гарантирована. Поскольку дифференциальные пары обычно являются высокоскоростными сигналами, их трассировка не должна располагаться на краю печатной платы.

Петли (Loops)

Петли невозможно полностью избежать в проектировании печатных плат. Петли формируются от истока сигнала до его стока, и каждая петля функционирует как антенна. Для уменьшения EMI на печатной плате нужно уменьшить и число петель, и их антенную способность. Это означает, что в проектировании печатной платы должно быть известно направление потока каждого сигнала, а площадь петли для высокоскоростных сигналов должна быть минимизирована.

В схемах наиболее часто встречаются питания петли, содержащие развязывающие конденсаторы, как показано на рисунке 2.

Если развязывающий конденсатор размещен как на левой диаграмме рисунка 2, образуются относительно большие токовые петли с явным проявлением EMI. Наоборот, на правой диаграмме развязывающий конденсатор размещен близко к чипу, образуется экстремально малая развязывающая петля, главная функция которой — снижение EMI. Принципы уменьшения петель:

1. Обеспечивается только один путь между двумя точками на каждой сигнальной линии.
2. Применяется земляная плоскость без блокировок в сигнальных петлях.

Земляные проводники печатной платы

1. В системе заземления печатной платы следует четко различать цифровую землю, аналоговую землю и экранную землю системы. Ферритовые бусины и конденсаторы применяются для разделения цифровой и аналоговой земли, а цифровая земля и корпусная земля должны соединяться напрямую.
2. По возможности земляные проводники на печатной плате следует расширять.
3. Земляные проводники должны формировать замкнутые цепи для усиления помехозащищенности и снижения разности потенциалов между системами.

Проектирование фильтров

В высокоскоростных печатных платах фильтрацию можно реализовать на линиях питания и сигнальных линиях. Распространенные меры: добавление ферритовых фильтрующих компонентов, EMI-фильтров и развязывающих конденсаторов.

Выбор развязывающего конденсатора

1. В схеме развязывающий конденсатор помогает стабилизировать питание и усилить помехозащищенность. Обычно в качестве развязывающего конденсатора выбирают керамический конденсатор благодаря его высокой стабильности, точности, малому размеру и низкому ESR (эквивалентное последовательное активное сопротивление). В проектировании схемы значение емкости выбирается в диапазоне от 1 мкФ до 100 мкФ, а напряжение пробития учитывается согласно схеме.
2. Развязывающий конденсатор должен размещаться максимально близко к компонентам.

Выбор ферритовых компонентов

Ферритовые компоненты делятся на индуктивности и ферритовые бусины. Обычно индуктивность устанавливают на конце линии питания, а ферритовые бусины — между сигнальными линиями. При выборе компонентов необходимо учитывать параметры насыщения: по достижении насыщения компоненты сгорят. Кроме того, нужно учитывать качество и параметр DCR (постоянное сопротивление) ферритовых компонентов.

Распространенная мера среди сигнальных линий — применение ферритовых бусин на последовательных линиях для усиления способности к подавлению EMI.

Выбор EMI-фильтра

Область с серьезными помехами общего режима — место входа питания и выхода сигнальных линий. Обычные меры против помех общего режима: добавление дросселя общего режима, варистора, LC-цепи и специального EMI-фильтра. В высокоскоростных схемах проблему EMI нужно учитывать для высокоскоростной передачи на цифровых интерфейсах, таких как USB и HDMI.

Отражение сигналов

При передаче сигналов энергия на стороне источника всегда ожидается к передаче на сторону нагрузки, то есть ZL должен равняться ZO. Если они не равны, часть энергии отражается.

Если задержка передачи по линии относительно велика, более сильные сигналы отражаются обратно к источнику. Тогда для компенсации при возникновении звона требуется значительное изменение, как показано на рисунке 5.

Когда сигналы подвергаются звону, EMI достигает пика тяжести. Чтобы избежать этого в проектировании печатной платы, следуйте принципам в таблице 1.

Время фронта сигнала (нс)	Длина сигнальных линий (дюйм)
5	8,6
4	6,9
3	5,1
2	3,4
1	1,7

Тестирование EMI

После проектирования продукта, несмотря на множество мер по избежанию EMI, проблемы обнаруживаются только при проведении тестов. Затем можно внести изменения для решения проблем.

Тестирование EMI включает методы тестирования, приборы и позиции тестирования. Методы тестирования должны проводиться со ссылкой на все пункты. Если приборы не соответствуют стандарту, для качественного теста можно использовать спектроанализатор. Если требуется конкретное значение EMI приборов, необходимо применять профессиональные приборы. Что касается позиции тестирования, лучше всего проводить тест в экранированной камере.

Полезные ресурсы
• Неупустимые рекомендации по размещению печатных плат для инженеров
• Исследование высокоскоростного проектирования печатных плат во встроенных прикладных системах
• Самое полное введение в автоматизированные инструменты EMI и EMC
• 5 советов по проектированию автомобильных схем для борьбы с EMI
• Полнофункциональный сервис производства печатных плат от PCBCart — множество ценных опций
• Продвинутый сервис сборки печатных плат от PCBCart — от 1 штуки