8. Трассировка печатных плат

Печатные платы (ПП) в том или ином виде являются основой большинства ЭС и приборов. Существует два основных способа монтажа компонентов на такую плату – в отверстия или поверхностный монтаж. Между собой компоненты соединяются при помощи медных печатных проводников (трасс). У односторонних печатных плат (ОПП) все трассы располагаются с одной стороны диэлектрика, например, стеклотекстолита, у двухсторонних печатных плат (ДПП) – с обеих. В случае если ПП имеет несколько слоев медных трасс разделенных слоями диэлектрика, то такая печатная плата называется многослойной (МПП). Обычно используется четное число слоев, а самый распространенный вариант МПП, применяемый в бюджетных изделиях

– четырехслойные. Как правило, МПП имеют внутренние слои со сплошным медным покрытием, предназначенные для обеспечения функций питания/заземления.

В решении задач обеспечения ЭМС разрабатываемого изделия расположение компонентов и трассировка печатных проводников на ПП играет решающую роль. Хорошо спроектированная ПП будет минимизировать паразитную связь между установленными компонентами, устранять наводки на подключенные кабели и окружающие объекты, а также снижать влияние паразитных сигналов наведенных от внешних токов и полей.

8.1. Стратегии трассировки ПП

Большинство разработчиков ПП при расположении компонентов и трассировке печатных проводников используют типовой список рекомендаций (правил трассировки). Как правило, типовые рекомендации имеют вид – «минимизировать длину всех трасс предназначенных для цифровых тактовых сигналов». Часто проектировщик не задумывается на чем основаны те или иные рекомендации и полностью не осознает возможные последствия их нарушения.

Пример 1. Разработчик проектирует высокоскоростную МПП и ему необходимо проложить печатный проводник для ВЧ сигнала от цифрового компонента к аналоговому усилителю. Какая из трех представленных ниже рекомендаций позволит минимизировать вероятность проблем в части ЭМС в данном случае?

а) минимизировать длину высокоскоростных печатных проводников; б) всегда обеспечивать зазор в слоях питания/заземления между

92

аналоговой и цифровой частью платы; в) никогда не располагать высокоскоростной печатный проводник над

зазором в возвратном слое.

Данные правила трассировки схематично представлены на рис. 8.1. Стратегия А предполагает прокладку печатного проводника напрямую между двумя компонентами, при этом оставив целым медный слой с другой стороны ПП. Стратегия Б предполагает создание зазора в слое заземления между аналоговой и цифровой частью, а печатный проводник прокладывается напрямую пересекая этот зазор. Стратегия В предполагает прокладку печатного проводника вокруг зазора.

А Б В Рис. 8.1. Схематическое представление предлагаемых правил трассировки

Вопросы подобного рода встают перед проектировщиком ПП каждый день, при этом часто, как и в данном случае, правила трассировки так или иначе противоречат друг-другу. Выбор той или иной стратегии может дать в конечном итоге ПП удовлетворяющую всем требованиям ЭМС или наоборот имеющую серьезные проблемы в части помехоэмиссии и/или помехоустойчивости. Для ответа на вопрос какая же стратегия более предпочтительна в том или ином случае предлагается использовать следующую последовательность действий применимую как при трассировке новых ПП, так

ипри модернизации готовых печатных узлов:

-определение потенциальных источников и рецепторов ЭМП;

-определение критических путей тока;

-определение потенциальных частей антенн;

-исследование возможных путей паразитных наводок.

В процессе выполнения данных этапов разработчик обоснованно принимает решения по расположению компонентов и трассировке печатных проводников, а выбор подходящих рекомендаций становится более очевидным. Применительно к приведенному выше примеру ход рассуждений может быть примерно следующим: вариант Б – проект с печатным проводником проходящий поверх зазора в возвратном слое можно отклонить сразу. Вариант

93

А использует кратчайший проводник и таким образом это лучшее решение при условии, что зазор в возвратном слое действительно не нужен. Если на НЧ наводки через общее сопротивление создают проблемы, то возникает необходимость применения зазора и в таком случае вариант В более предпочтителен чем вариант А. Также важно помнить, что длина микрополосковой сигнальной линии не так важна, как общая площадь петли образуемая ею.

8.2. Определение потенциальных источников и рецепторов ЭМП

Обычная ПП может иметь десятки, сотни и даже тысячи цепей. Каждая такая цепь представляет потенциальный источник энергии способный создавать паразитные наводки на другие цепи или компоненты. Одновременно при этом каждая цепь является и потенциальным рецептором ЭМП. В зависимости от функционального назначения и конструктивных особенностей одни цепи с большей вероятностью могут оказаться источником помех, а другие рецепторами помех. При решении задач обеспечения ЭМС можно выделить укрупненные группы цепей различных типов, которые разработчик ПП должен быть способен распознать и принять соответствующие действия.

Цепи синхронизации цифровых устройств

Цепи синхронизации используются для связи тактового генератора с цифровыми компонентами на ПП или за ее пределами для корректной обработки цифровых сигналов. Синхроимпульсы имеют высокую частоту переключения, узкую полосу частот гармоник и, как правило, характеризуются высокой энергетической насыщенностью. По этим причинам часто в спектре непреднамеренного излучения проектируемой ПП можно наблюдать узкополосные пики гармоник синхроимпульсов, как это представлено на рис. 8.2.

На этом рисунке в спектре излучаемых помех явно доминируют гармоники от двух тактовых генераторов на 12 МГц и 16 МГц. Видимые гармоники распространяются вплоть до частоты 500 МГц. Для выполнения нормативных требований по обеспечению ЭМС в части излучаемых помех, должна быть понижена амплитуда синхроимпульсов или уменьшена излучающая способность непреднамеренных паразитных антенн или ослаблен путь распространения паразитного ЭМИ от источника к рецептору.

94

Рис. 8.2. Спектр излучаемые помехи от изделия с тактовыми частотами 12 МГц и 16 МГц.

Цифровые сигналы

Большинство проводников на ПП применяемых в цифровых устройствах используются для передачи информационных сигналов. В отличие от тактовых импульсов они имеют случайный характер, что приводит к возникновению более широкополосных помех. Цифровые сигналы с высокой частотой переключения могут создавать излучение подобное тактовым импульсам. Точная форма и напряженность излучения от цифровых сигналов зависит от множества факторов включая запущенное программное обеспечение и применяемые схемы кодирования. Как правило, цифровые информационные сигналы создают меньше проблем по сравнению с синхронизирующими сигналами, однако при передаче высокоскоростных данных могут создаваться значительные помехи.

Силовые переключающие цепи

Импульсные источники питания (ИИП), а также преобразователи постоянного напряжения используют принцип высокочастотной коммутации тока через трансформатор. Диапазон рабочих частот таких устройств достаточно широк и лежит в пределах от десятков до сотен кГц. Выбросы тока создаваемые при такой коммутации могут наводить помехи на другие цепи и компоненты ПП. Хотя этот помеховый сигнал относительно периодический (т.е. имеет узкополосные гармоники), при проведении теста на паразитное

95

ЭМИ он проявляется как широкополосные помехи, так как разрешение измерительного прибора по полосе пропускания меньше расстояния между частотами гармоник. Однако с учетом того, что в основном ослабляются только верхние гармоники, в некоторых случая помехи от ИИП могут вносить существенный вклад в анализируемом частотном диапазоне. Помехи от ИИП могут быть ослаблены замедлением времени переходных процессов в коммутирующих цепях, однако это снижает эффективность источника питания и требует применения альтернативных способов.

Аналоговые сигналы

Аналоговые сигналы могут быть широкополосными и узкополосными, ВЧ или НЧ. Если на ПП присутствуют аналоговые сигналы, то необходимо тщательно проанализировать их характеристики как во временной так и в частотной области. Особые трудности могут возникать при работе с узкополосными ВЧ аналоговыми сигналами. Поскольку аналоговые сигналы достаточно чувствительны к низким уровням помех, то трассировка должна быть выполнена способом минимизирующим излучаемые помехи.

Цепи питания и низкоскоростные цифровые сигналы

Как правило, цепи, используемые для питания и передачи низкоскоростных цифровых сигналов, не обладают достаточной мощностью на частотах, где излучаемые помехи могут создавать проблемы. Тем не менее, эти печатные проводники часто являются самыми проблематичными в части излучения. Это происходит из-за непреднамеренных ВЧ напряжений и токов в этих проводниках, которые могут быть столь же большими как напряжения и токи в высокоскоростных трассах. На рис. 8.3 представлена карта ближнего магнитного поля над модулем динамического ОЗУ используемого в персональных компьютерах. Ближнее магнитное поле показывает протекание тока в выводной рамке корпуса компонента. Измеренная частота соответствует третьей гармонике тактового генератора. Можно видеть, что величина тока протекающего от выводов питания больше чем от сигнальных выводов.

На рис. 8.4 представлена аналогичное распределение ближнего магнитного поля над микропроцессором типа FPGA. На этом рисунке видно, что токи внедренные в некоторые низкоскоростные адресные линии почти также велики, как токи тактовых сигналов.

96

Рис. 8.3. Ближнее магнитное поле над корпусом ИМС

Рис. 8.4. Ближнее магнитное поле над микропроцессором

Каким же образом эти ВЧ токи и напряжения появились в НЧ линии данных? Существует несколько путей этого проявления, однако основной вклад оказывает внутренняя компоновка и трассировка ИМС. При проектировании ПП содержащей малознакомые ИМС, синхронизируемые внутренним ВЧ генератором, правильным подходом будет воспринимать каждый вывод такой ИМС как ВЧ источник с характеристиками внутреннего

97

тактового генератора. Без подобных мер печатные проводники, используемые для питания или коммутации низкоскоростных цифровых сигналов, способны создавать значительное ЭМИ.

8.3. Определение критических путей тока

Возможно основное отличие между инженером-разработчиком цифровых схем и ЭМС-инженером заключается в том, что первый работает с напряжениями, а второго прежде всего интересуют токи протекающие в цепях. Такая разница в подходах является очень существенной, так как большинство неудачных разработок являются прямым следствием пренебрежения при рассмотрении вероятных путей протекания токов. Ранее уже отмечалось, что корректное определение путей тока является ключевым при создании качественной ПП. Прежде всего разработчик должен помнить два основных правила:

-ток течет по замкнутому контуру. Количество тока исходящего от источника с одной стороны должно быть равно количеству тока приходящему с другой стороны.

-ток выбирает путь с наименьшим импедансом. На НЧ (десятки кГц и ниже) в импедансе доминирует активное сопротивление, а ток выбирает путь с наименьшим сопротивлением. На ВЧ (МГц и выше) в импедансе доминирует индуктивность, а ток выбирает путь с наименьшей индуктивностью.

Для наглядного пояснения этих правил на рис. 8.5 представлена простая ПП. Сигнал частотой 50 МГц распространяется от компонента А к компоненту

Бпо печатному проводнику расположенному с верхней стороны ПП. Как было указано выше, такое же количество тока должно вернуться от компонента Б к компоненту А. Можно предположить, что возвратный ток по выводу GND компонента Б через слой заземления протекает к выводу GND компонента А. Учитывая, что слой заземления является сплошным, а выводы GND достаточно близки, вполне логично предположить, что ток пройдет по кратчайшему пути между ними. Действительно на НЧ ток потечет по пути 1. Однако на ВЧ, принимая во внимание второе правило, картина будет иная – токи потекут по пути с наименьшей индуктивностью, что будет соответствовать пути с наименьшей петлей. Т.е. основная часть возвратного тока будет распространяться по узкому пути (путь 2) непосредственно под сигнальным проводником.

98

Рис. 8.5. Предполагаемые пути возвратного тока

Часто в заземляющем слое специально или вынужденно создаются разрывы сплошного слоя, как это представлено на рис. 8.6. С учетом особенностей распространения возвратного тока на НЧ и ВЧ влияние подобных разрывов на ЭМС может различаться существенным образом. Так в случае ВЧ разрыв № 2 практически не будет оказывать влияние, в то время как разрыв № 1 способен вызвать значительные проблемы. Возвратный ток протекающий в слое заземления под сигнальным проводником будет вынужден огибать этот разрыв, что приведет к увеличению площади петли.

Рис. 8.6. Разрывы в слое заземления и их влияние на возвратный путь тока

Однако применение подобных разрывов может давать и положительный эффект. Так на рис. 8.7 приведено техническое решение, при котором правильно расположенный разрыв в слое заземления обеспечивает защиту

99

чувствительных цепей от НЧ возвратных токов.

Рис. 8.7. Использование зазора в слое заземления для защиты чувствительных цепей от НЧ возвратных токов

8.4. Определение потенциальных частей антенн

Для исключения возможности случайного создания паразитных антенн ЭМС-инженеру необходимо помнить, что для их работы необходимо выполнения трех основных условий:

-антенна должна иметь две части;

-обе части не должны быть электрически короткими;

-между частями должно присутствовать ВЧ напряжение.

При анализе устройств функционирующих на частотах ниже 100 МГц (длина волны более 3 м) следует понимать, что большинство ПП в таком случае будут электрически короткими, т.е. неспособными выступать в качестве эффективных паразитных антенн. Тем более это относиться и к компонентам расположенным на подобных ПП. В данном случае наибольшую опасность создания паразитных антенн представляют подключенные кабели, металлические детали корпуса или основания. Если трассировка ПП выполнена с учетом минимизации возможности наведения ВЧ напряжения между подобными частями потенциальной антенны, то вероятность появления паразитного ЭМИ или нарушения помехоустойчивости минимальна.

Для пояснения третьего условия на рис. 8.8 представлены две возможные компоновки ПП. Разъемы и места соединения с шасси представляют возможные части паразитной антенны.

100

Рис. 8.8. Две возможных варианта компоновки ПП

На частотах ниже 100 МГц, с точки зрения минимизации паразитного ЭМИ, более предпочтительная вторая компоновка. За счет расположения разъемов на одной стороне ПП и уменьшения расстояния между ними, вероятность создания значительной разности потенциалов между подключаемыми кабелями существенно меньше.

На частотах свыше 100 МГц длина волны уменьшается и необходимо учитывать, что как сама ПП, так и ее отдельные крупные компоненты могут выступать в качестве элементов антенны. Тем не менее, даже на частотах до нескольких ГГц, эти части антенны могут быть достаточно просто определены. Например, на частоте 1 ГГц длина волны составляет 30 см, а четверть длины

101

волны составляет 7,5 см. Это означает, что взаимодействующие части паразитной антенны будут иметь линейные размеры, по крайней мере, несколько сантиметров. Помня, что дифференциальные токи (токи с противоположными направлениями) являются достаточно слабыми источниками излучения, то сигнальный и возвратный проводники проложенные вблизи друг от друга не представляют опасности. То есть предположив, что одной половиной антенны является металлизированный слой ПП, становится ясно, что другая половина должна быть расположена вдалеке от ПП. Подобный анализ даже на ВЧ помогает достаточно точно определять части паразитной антенны.

В таблице представлен список объектов, которые обычно становятся частями паразитной антенны, при рабочих частотах ниже и выше 100 МГц,

8.5. Определение путей паразитных наводок

После определения потенциальных источников, рецепторов и антенн дальнейшая трассировка заключается в минимизации возможных паразитных наводок. Ранее было упомянуты четыре основные группы возможных механизмов электромагнитной связи:

-кондуктивные наводки;

-наводки через электрическое поле;

-наводки через магнитное поле;

-излучение.

В случае проектирования ПП ввиду близкого расположения источника и рецептора помех паразитная связь через излучение будет маловероятной и основное внимание необходимо уделить трем другим помехообразующим

102

механизмам. Кондуктивные наводки будут возникать только в случае непосредственного возбуждения источником одной части паразитной антенны относительно другой. В качестве примера образования кондуктивных наводок можно рассмотреть сигнальный проводник, имеющий длину достаточную, чтобы быть частью излучающей антенны, но расположенный не над возвратным слоем. В этом случае источником помех будет источник сигнала, а антенну образует пара печатный проводник – возвратный слой. Так как сигнальный проводник и возвратный путь присутствуют всегда, то данный способ образования паразитной антенны довольно вероятен. Как правило, после нахождения источника и частей антенны, кондуктивная связь легко определяется.

В отличие от кондуктивных наводок связь через поля менее очевидна. Для более наглядного представления подобной паразитной связи удобно представить наводки через электрическое поле как паразитную связь пропорциональную источнику напряжения (вольт-зависимая связь), а наводки через магнитное поле как паразитную связь пропорциональную источнику тока (ток-зависимая связь).

Вольт-зависимая связь

На рис. 8.9(а) приведен пример вольт-зависимой связи между радиатором и проложенным под ним печатным проводником, в результате которой происходит излучение помех. Если радиатор не является электрически коротким, то потенциально он может быть частью паразитной антенны. В качестве другой части такой антенны будет выступать металлизированный заземляющий слой. Так как печатный проводник непосредственно не подключен к радиатору, то возможность создания кондуктивных наводок отсутствует, но напряжение на печатном проводнике может возбуждать радиатор относительно ПП. Это происходит вследствие того, что линии электрического поля между печатным проводником и ПП пересекают радиатор, как показано на рис. 8.9(б). Эквивалентная схема подобной паразитной связи может быть представлена через емкости, в соответствии с рис. 8.9(в).

А

103

Б

В

Рис. 8.9. Паразитная связь через электрическое поле (вольт-зависимая связь) между печатным проводником и радиатором

Напряжение, создаваемое на радиаторе относительно ПП, определяется

как

Именно поэтому необходимо избегать прокладку высокоскоростных печатных проводников непосредственно под крупными металлическими объектами. Еще один распространенный пример вольт-зависимой связи, представлен на рис. 8.10. Активный компонент расположен между ПП и радиатором. Из-за паразитной индуктивности выводов ВЧ ток, протекающий по ним, создает определенное падение напряжения (рис. 8.10(а)) в результате чего между поверхностью компонента и ПП возникает электрическое поле силовые линии которого проходят через радиатор, что представлено на рис. 8.10(б). В данном случае между радиатором и источником нет непосредственного электрического контакта, поэтому кондуктивная связь невозможна, а паразитные наводки возникают из-за вольт-зависимой связи и пропорциональны разности потенциалов между активным компонентом и ПП.

104

А

Б

Рис. 8.10. Паразитная связь через электрическое поле (вольт-зависимая связь) между активным компонентом и радиатором

Ток-зависимая связь

В случае паразитной связи между источником и рецептором через магнитное поле пропорциональной сигнальному току, ее относят к токзависимой. Паразитные наводки создаваемые подобным образом встречаются гораздо чаще из-за того, что разработчики в первую очередь обращают внимание на сигнальные напряжения и только потом на сигнальные токи. Однако пренебрежение рассмотрением путей протекания тока может привести к возбуждению двух потенциальных частей антенны при помощи магнитного поля. На рис. 8.11 представлен один из распространенных случаев токзависимой связи.

105

А

Б

Рис. 8.11. Паразитная связь через магнитное поле (ток-зависимая связь) между двумя соединительными кабелями

Вданном случае ПП имеет разъемы, установленные на противоположных сторонах, к которым подключены экранированные кабели, при этом экранирующая оплетка кабеля подключена к заземляющему слою. ПП содержит единственный микрополосковый печатный проводник, расположенного между этими двумя разъемами, питаемый с одного конца и нагруженный на другом конце (рис. 8.11(а)).

Микрополосковый печатный проводник не является источником излучаемых помех, в то время как экранирующие оплетки двух кабелей напротив являются вероятными частями паразитной антенны. В идеальном случае эти экранирующие оплетки должны иметь одинаковый потенциал, поскольку подключены к общему заземляющему слою. Однако на практике в этом слое будут протекать непреднамеренные питающие и сигнальные токи.

Вданном примере слой заземления проводит сигнальный ток, при протекании которого создается магнитный поток расположенный вокруг ПП. Рассматривая кабели как две части антенны и представив пути антенных токов через ее импеданс, как показано на рис. 8.11(б), становится очевидным, что токи протекающие в микрополосковом печатном проводнике создают падение напряжения вдоль ПП, которое возбуждает одну экранирующую оплетку кабеля относительно другой.

Несмотря на то, что падение напряжения обычно на несколько порядков ниже амплитуды сигнального напряжения и составляет мВ, но излучаемые паразитной антенной помехи вполне могут превысить нормативные требования. В случае расположения высокоскоростных цифровых компонентов между разъемами на ПП обеспечить соответствие требованиям по излучаемым помехам без применения экранирующего корпуса будет очень проблематично. Однако расположение двух разъемов вблизи друг от друга обеспечит

минимальную разность потенциалов между ними и, как следствие, 106

минимальные уровни помехоэмиссии.

Непосредственные наводки на цепи ввода/вывода

Несмотря на то, что данный вид паразитной связи не является самостоятельным, его широкое распространение требует отдельного рассмотрения. На рис. 8.12 представлен пример образования подобной связи, когда наводки от источника помех воздействуя непосредственно на цепи ввода/вывода способны проникать далеко за пределы ПП.

Рис. 8.12. Образование непосредственных наводок на цепи ввода/вывода

В данном случае печатный проводник содержащий сигналы средней скорости расположен вблизи от другого печатного проводника, подключенного к разъему. Напряжения и/или токи наводимые от одного проводника на другой (посредством электрического или магнитного поля) могут распространиться через цепи ввода/вывода за пределы ПП. Представляя кабель возбуждаемый относительно ПП или один проводник кабеля возбуждаемый относительно второго проводника как две антенные части можно предположить создание значительных уровней непреднамеренного ЭМИ.

Несмотря на очевидную опасность такой трассировки подобные ситуации очень часто возникают на практике. Действительно, при наличии на ПП сотен или даже тысяч печатных проводников разведенных автоматизированным способом такое соседство легко не заметить. Если применяемый автотрассировщик не позволяет проверить прокладку проводников ввода/вывода в опасной близости от высокоскоростных трасс, то разработчику необходимо сделать это самостоятельно.

Все вышесказанное в полной мере касается и цепей ввода/вывода проложенных вблизи печатных проводников соединяющих уязвимые компоненты, поскольку это самый простой путь проникновения внешних помех на ПП.

107

8.6. Контрольные вопросы к разделу

1.Какая общая последовательность действий при выборе той или иной стратегии трассировки ПП?

2.В чем особенность проектирования цепей синхронизации цифровых устройств и цепей передачи цифровых данных?

3.В чем особенность проектирования силовых переключающих

цепей?

4.В чем особенность проектирования цепей питания и низкоскоростных цифровых цепей?

5.Какими двумя основными правилами необходимо руководствоваться при определении критических путей тока?

6.В чем особенности протекания возвратного тока на НЧ и ВЧ?

7.Выполнение каких условий необходимо для создания паразитной излучающей антенны?

8.Что может являться потенциальными частями паразитной антенны на НЧ и ВЧ?

9.Назовите четыре основные группы возможных механизмов электромагнитной связи.

10.В чем основная суть вольт-зависимой связи?

11.В чем основная суть ток-зависимой связи?

12.Каков механизм проявления непосредственных наводок на цепи ввода/вывода?

108