Учебное пособие 800552

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 цифровых устройств, как это представлено на рис. 8.2.

Рис. 8.2. Спектр излучаемых помех от изделия с тактовыми частотами 12 МГц и 16 МГц

90

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.

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 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 случаях 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

с узкополосными ВЧ аналоговыми сигналами. Поскольку аналоговые сигналы достаточно чувствительны к низким уровням помех, то трассировка должна быть выполнена способом, минимизирующим излучаемые помехи.

91

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

ввысокоскоростных трассах. На рис. 8.3 представлена карта ближнего магнитного поля над модулем динамического ОЗУ, используемого в персональных компьютерах. Ближнее магнитное поле показывает протекание тока

ввыводной рамке корпуса компонента. Измеренная частота соответствует третьей гармонике тактового генератора. Можно видеть, что величина тока, протекающего от выводов питания, больше, чем от сигнальных выводов.

Рис. 8.3. Ближнее магнитное поле над корпусом ИМС

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

Каким же образом эти ВЧ токи и напряжения появились в НЧ линии данных? Существует несколько путей этого проявления, однако основной вклад оказывают 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 тактового генератора. Без подобных мер печатные проводники, используемые для питания или коммутации низкоскоростных цифровых сигналов, способны создавать значительное ЭМИ.

92

Рис. 8.4. Ближнее магнитное поле над микропроцессором

8.3. Определение критических путей тока

Возможно, основное отличие между инженером-разработчиком цифро-

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

сдругой стороны;

-ток выбирает путь с наименьшим импедансом. На НЧ (десятки кГц и ниже) в импедансе доминирует активное сопротивление, а ток выбирает путь

снаименьшим 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 Б по 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

93

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.

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

94

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 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 выполнение 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 относится 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.

95

Рис. 8.8. Два 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 волны составляет 7,5 см. Это означает, что взаимодействующие части паразит-

96

ной антенны будут иметь линейные размеры, по крайней мере, несколько сантиметров. Помня, что дифференциальные токи (токи с противоположными направлениями) являются достаточно слабыми источниками излучения, сигнальный и возвратный проводники, проложенные вблизи друг от друга, не представляют опасности. Т.е., 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.

Потенциальные части паразитной антенны

8.5. Определение путей паразитных наводок

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

-кондуктивные наводки;

-наводки через электрическое поле;

-наводки через магнитное поле;

-излучение.

Вслучае проектирования ПП ввиду близкого расположения источника

ирецептора помех паразитная связь через излучение будет маловероятной

иосновное внимание необходимо уделить трем другим помехообразующим 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 возврат-

97

ным 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)

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

98

б)

в)

Рис. 8.9 (окончание). 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.

99