Эффективные правила разделения печатной платы для повышения ЭМС

Фундаментальные принципы ЭМС

ЭМС (электромагнитная совместимость) — это состояние, при котором электронные устройства способны выполнять свои функции в общей электромагнитной среде без взаимных помех. Простыми словами, ЭМС обеспечивает независимую и нормальную работу устройств в системе. Достигается это за счет управления ЭМИ (электромагнитными помехами), что ведет к серии исследований: введению в ЭМИ, изучению помех, методам защиты и управлению ЭМИ.

Для снижения помех между цифровыми и аналоговыми сигналами необходимо знать два базовых принципа ЭМС:

• Принцип 1: Площадь контура цепи должна быть минимизирована.
• Принцип 2: В системе может использоваться только одна референтная плоскость.

Если первый принцип нарушается и сигналы проходят через большую площадь контура, образуется большой контурная антенна. Если нарушается второй принцип и имеется две референтные плоскости, возникает дипольная антенна. Оба результата нежелательны.

Правила разделения и применения для смешанно-сигнальных печатных плат

Рекомендуется разделять цифровую и аналоговую землю на одной смешанной плате для изоляции. Однако этот подход порождает скрытые проблемы, особенно в крупных системах. Главная проблема — невозможность прокладки трасс через раздел между цифровой и аналоговой землей. Если трассировка всё же пересекает раздел, электромагнитное излучение и перехват сигналов резко возрастают. Наиболее частая проблема в проектировании печатных плат — возникновение ЭМИ из-за пересечения линий сигналов разделенной земли или питания.

При таком разделении линии сигналов вынуждены пересекать раздел. Как выглядит путь возврата сигнального контура? Предположим, две разделенные земли соединены в одной точке. Тогда цепь заземления образует большой контур. Высокочастотный ток, протекающий через большой контур, создает большую контурную емкость и излучение. Если по большому контуру течет низкоуровневая аналоговая цепь, она легко подвергается воздействию внешних сигналов. Худший сценарий — когда разделенное заземление соединено с питанием: образуется крайне большой контур. Кроме того, дипольная антенна формируется, когда аналоговая и цифровая земля соединены длинным проводником. Поэтому инженеры должны знать путь и метод возврата цепи при оптимизации проектирования смешанных плат. Однако многие учитывают только путь сигнального контура, не думая о конкретном пути возврата. Если разделение плоскости заземления неизбежно и трассировка должна пересекать раздел, можно сначала реализовать однточечное соединение двух разделенных земль с формированием моста, обеспечивающего путь возврата постоянного тока под каждой линией сигнала с малой площадью контура (см. рисунок 2).

Применение опторазвязки или трансформаторов также позволяет передавать сигналы через раздел. При опторазвязке через раздел проходит оптический сигнал, при трансформаторах — магнитное поле. Еще один метод — использование дифференциальных сигналов: сигнал идет по одной линии, а возвращается по другой, при этом земля не нужна как путь возврата.

Раздельное секционирование применяется в трех случаях:

1. Медицинское оборудование, требующее малый ток утечки между цепью, подключенной к пациенту, и системой.
2. Входные сигналы промышленного процессного управления, подключенные к шумным и мощным электромеханическим устройствам.
3. Ограничения по топологии печатной платы.

На смешанных платах обычно имеются независимые цифровое и аналоговое питание, и разделение плоскостей питания допустимо и даже необходимо. Однако линии сигналов, близкие к плоскостям питания, не должны пересекать разделение между питаниями; все линии, пересекающие это разделение, должны идти рядом с проводниками большой площади. В некоторых случаях проблемы разделения плоскостей питания можно избежать, сделав аналоговое питание проводниками вместо сплошной плоскости.

Метод компоновки плоскости заземления и применение для смешанных печатных плат

Для анализа помех, которые цифровые сигналы оказывают на аналоговые, нужно понять свойства высокочастотного тока. Высокочастотный ток всегда идет по пути с минимальным импедансом (наименьшей индуктивностью) и течет прямо под сигналом. Поэтому ток возврата течет по соседней плоскости питания или заземления. На практике часто используют плоскость заземления, разделяя плату на аналоговый и цифровой участки. Аналоговые сигналы размещают в аналоговом участке всех плоскостей, цифровые — в цифровом. Если цифровые сигналы прокладываются над аналоговым участком или аналоговые — над цифровым, возникают помехи от цифровых сигналов на аналоговые.

Такие проблемы возникают не из-за отсутствия разделения земли, а из-за неправильной компоновки цифровых сигналов. При проектировании печатных плат использование сплошной плоскости заземления, разделение на цифровые и аналоговые цепи и правильная трассировка обычно решают сложные задачи компоновки и разделения, а также избегают потенциальных проблем разделенной земли. Таким образом, компоновка компонентов и разделение становятся ключевыми факторами качества проектирования. Если они выполнены верно, ток в цифровой земле ограничивается цифровым участком, а аналоговые сигналы не подвергаются помехам. Такая компоновка требует тщательной проверки соблюдения правил. Иначе даже одна неправильно размещенная линия может привести к отказу всей платы.

Когда выводы AGND и DGND АЦП соединены вместе, большинство производителей рекомендуют соединять их с одной низкоимпедансной землей минимальными перемычками. Это связано с тем, что эти выводы внутри корпуса АЦП не соединены, и любая внешняя импедансность на DGND приведет к проникновению цифрового шума в аналоговую схему через паразитную емкость. Следовательно, и AGND, и DGND должны быть соединены с аналоговой землей. Но возникает вопрос: что соединять с заземляющим выводом развязывающего конденсатора цифровых сигналов — аналоговую или цифровую землю?

В системе с одним АЦП проблема решается просто: при разделенном заземлении аналоговый и цифровой участки соединяются под АЦП. Мост между землями должен быть шириной не меньше корпуса ИС, и никакая линия сигнала не должна пересекать раздел.

В системе с несколькими АЦП (например, 10) подход «соединить под каждым АЦП» приведет к мног-точечному соединению, лишающему разделение смысла. Если не соединять — не выполнены требования производителя. Оптимальное решение — единая плоскость заземления, разделенная на аналоговый и цифровой участки. Такая компоновка удовлетворяет требованию производителей о низком импедансе между AGND и DGND и избегает проблем ЭМС (контурная или дипольная антенна).

Если инженеры сомневаются в применении единой земли, можно проектировать с разделением, но предусмотреть возможность перемычки <0.5 дюйма или резистора 0 Ом для соединения разделенных земль. Нужно уделить внимание разделу и компоновке, чтобы ни одна цифровая линия не проходила над аналоговым участком и наоборот, и ни одна линия не пересекала разделение земль или питания. Для теста функций и ЭМС две земли соединяют через резистор 0 Ом или перемычку и повторно тестируют. Сравнение результатов показывает, что во всех случаях решение с единой землей лучше разделенной по функционалу и ЭМС.

Проектирование смешанных печатных плат — сложный процесс. Плата должна быть разделена на независимые аналоговый и цифровой участки, АЦП размещается на стыке. Для разделения аналогового и цифрового питания разделение изолированных плоскостей питания не должно пересекаться линиями сигналов; те, что вынуждены пересекать, должны идти на слое, смежном с большой площадью. Необходимо анализировать, где и как течет ток возврата, чтобы обеспечить правильную компоновку компонентов и соблюдение правил трассировки. Во всех слоях платы цифровые сигналы могут быть только в цифровых участках, аналоговые — только в аналоговых.

Метод компоновки плоскости заземления и применение для смешанных печатных плат

Если вы завершили проектирование печатной платы и ищете партнера для производства, обращайтесь к нам. У нас более десятилетия опыта в-custom производстве печатных плат. Мы обладаем всеми ресурсами для изготовления ваших плат со всеми требуемыми функциями быстро и экономично.

Полезные ресурсы:
• Самое полное введение в инструменты автоматизации ЭМИ и ЭМС
• Обеспечение успеха с первого раза в проектировании ЭМС печатных плат
• Влияние топологии печатной платы на ЭМС электронного изделия
• Проблемы применения технологий ЭМС в проектировании печатных плат электронных устройств и стратегии решения