Учебное пособие 800552

Одним из важных моментов при уменьшении паразитной индуктивности соединения развязывающего конденсатора является способ его установки. На рис. 9.9 представлено несколько вариантов исполнения монтажных площадок для установки развязывающего конденсатора на ПП с системой питания в виде близкорасположенных слоев питания/заземления.

Рис. 9.9. Варианты монтажа развязывающего конденсатора на ПП с системой питания

ввиде близкорасположенных слоев питания/заземления

9.2.Практические способы развязки системы питания в виде печатных проводников

При трассировке ОПП, ДПП или МПП с системой питания в виде печатных проводников применяются следующие рекомендации:

-необходимо обеспечить как минимум по одному «локальному» развязывающему конденсатору для каждого цифрового элемента и, по крайней мере, один общий накопительный конденсатор с большой емкостью для каждого отдельного напряжения присутствующего на ПП;

-развязывающие конденсаторы должны быть подключены между выводами питания и землей цифрового элемента, при этом площадь петли, образуемая соединением конденсатор-элемент, должна быть минимальной;

-обычно используются развязывающие конденсаторы с номиналами 1, 10 или 47 нФ. Для некоторых цифровых элементов может потребоваться параллельное подключение нескольких развязывающих конденсаторов;

-накопительные конденсаторы располагаются вблизи места подачи напряжения на ПП или места преобразования одного напряжения в другое;

-накопительные конденсаторы должны иметь емкость, достаточную для обеспечения переходных процессов на всей плате и обычно выбирается равной сумме номиналов развязывающих конденсаторов, подсоединенных к данной шине, умноженной на коэффициент от 1 до 10;

110

- как правило, использование двух развязывающих конденсаторов с одинаковым номиналом лучше, чем один с удвоенным номинальным значением, поскольку в таком случае обеспечивается меньшая индуктивность соединения [12] и обеспечивается лучшая ВЧ фильтрация для остальной части шины питания [13].

На рис. 9.10 показано несколько примеров возможной установки развязывающего конденсатора на ПП с системой питания в виде печатных проводников.

Рис. 9.10. Возможные варианты установки развязывающего конденсатора на ПП

ссистемой питания в виде печатных проводников

9.3.Практические способы развязки системы питания в виде близкорасположенных слоев питания/заземления

Особенностью подобного исполнения системы питания является то, что развязывающие конденсаторы в данном случае можно охарактеризовать как «глобальные», поскольку они реагируют на изменение напряжения в питающих слоях вследствие работы всех цифровых элементов, вне зависимости от близости расположения к какому-либо из них. При этом паразитная индуктивность подключения к слоям питания/заземления гораздо важнее, чем номинальная емкость развязывающих конденсаторов. Применение накопительных конденсаторов с большой емкостью минимизирует импеданс шины питания на НЧ (ниже нескольких сотен кГц), а развязывающих конденсаторов с небольшой емкостью на ВЧ (до 100 МГц). На более высоких частотах импеданс шины питания определяется собственными характеристиками слоев.

При трассировке МПП с системой питания в виде слоев питания/заземления, расположенных на расстоянии 0,5 мм и ближе, применяются следующие рекомендации:

- в качестве накопительных конденсаторов можно использовать один-два электролитических конденсатора или от шести и более конденсаторов с мень-

111

шими корпусами. Эффективность будет примерно одинаковая, и выбор осуществляется на основании ограничений по размерам, стоимости и площади ПП;

- накопительные конденсаторы должны иметь емкость, достаточную для обеспечения переходных процессов на всей плате и обычно выбирающуюся равной сумме номиналов развязывающих конденсаторов, подсоединенных

кданной шине, умноженной на коэффициент от 1 до 10;

-развязывающие конденсаторы должны выбираться с наименьшим возможным размером корпуса, а расстояние до переходных отверстий должно быть как можно короче, что позволяет получить соединение с наименьшей индуктивностью;

-величина емкости развязывающего конденсатора должна быть максимально доступной в данном типоразмере корпуса конденсатора, при этом не меньшей, чем собственная емкость параллельных слоев питания/заземления. Ориентировочно ПП, сделанная из FR-4, содержащая пару слоев

питания/заземления, расположенных на расстоянии 0,25 мм, имеет межслойную емкость около 16 пФ/см2;

-расположение развязывающих конденсаторов не критично, так как их производительность в основном определяется индуктивностью подключения

кслоям. На эффективных частотах они могут быть расположены в любом месте вблизи цифрового элемента [14];

-для каждого цифрового элемента должно быть применено как можно

больше развязывающих конденсаторов, поскольку максимальная частота, на которой они продолжают быть эффективными, пропорциональна квадратному корню от их количества [15].

Как было указано ранее, индуктивность соединения определяется площадью петли, сформированной корпусом конденсатора, монтажными площадками, печатными проводниками и переходными отверстиями. В связи с этим для минимизации индуктивности соединения необходимо придерживаться следующих рекомендаций:

-не использовать печатные проводники и располагать переходные отверстия по соседству с монтажными площадками рядом друг с другом;

-если для расположения переходного отверстия рядом с монтажной площадкой не хватает места, необходимо переместить весь конденсатор, поскольку, как было упомянуто, местоположение конденсатора в данном случае не так важно, как индуктивность его соединения;

-при малых диаметрах переходных отверстий следует увеличивать их количество, так, например, четыре переходных отверстия вместо двух могут уменьшить индуктивность соединения примерно вдвое;

-для размещения развязывающих конденсаторов необходимо выбирать сторону ПП, ближайшую к слоям питания/заземления, поскольку индуктивность соединения почти пропорциональна расстоянию до слоев;

-не допускать совместного использования переходного отверстия развязывающим конденсатором и цифровым элементом.

112

9.4. Практические способы развязки системы питания в виде разнесенных слоев питания/заземления

При трассировке МПП со слоями, расположенными на расстоянии более 0,5 мм, образуемая система питания характеризуется разнесенными слоями питания/заземления. В этом случае нельзя пренебрегать индуктивностью петли, образуемой между слоями, которая к тому же может быть использована для улучшения развязки системы питания. При правильном монтаже развязывающих конденсаторов они могут эффективно ослаблять помехи в шине питания на частотах до нескольких ГГц. Используя взаимную индуктивность близко расположенных переходных отверстий, можно обеспечить протекание тока вначале от ближайшего развязывающего конденсатора, а затем от слоев питания/заземления [15-17]. При этом важно минимизировать индуктивность соединения развязывающих конденсаторов и расположить их как можно ближе

ксоответствующему цифровому элементу. В отличие от ранее рассмотренной системы питания в виде близкорасположенных слоев питания/заземления, развязывающие конденсаторы можно рассматривать как «локальные», т.е. работающие в первую очередь с рядом расположенным цифровым элементом. Обычно применяются развязывающие конденсаторы емкостью 0,01 мкФ.

Развязывающий конденсатор должен быть установлен как можно ближе

квыводу питания или заземления обслуживаемого активного компонента. Для определения, к какому выводу активного компонента (Vcc, Vss, Vdd или GND) должен быть ближе расположен развязывающий конденсатор, необходимо выяснить, какой из слоев питания/заземления находится дальше от активного компонента. Локальная развязка должна быть обеспечена вблизи вывода, соединенного с самым удаленным слоем (рис. 9.11, а).

Рис. 9.11. Правильная установка развязывающего конденсатора на ПП с системой питания в виде близкорасположенных слоев питания/заземления

При размещении развязывающего конденсатора и активного компонента на противоположных сторонах ПП вывод конденсатора, подключенного к наиболее удаленному слою, должен располагаться около вывода активного компонента, также подключенного к наиболее удаленному слою (рис. 9.11, б).

113

Развязывающий конденсатор никогда не должен использовать общее с активным компонентом переходное отверстие при их расположении на противоположных сторонах ПП.

Необходимо исключить использование печатных проводников между монтажными площадками развязывающего конденсатора и переходного отверстия. Для минимизации паразитной индуктивности переходные отверстия должны располагаться или непосредственно на монтажной площадке или соприкасаться с ней. При этом желательно размещать переходные отверстия как можно ближе друг к другу. Также с учетом того что индуктивность соединения почти пропорциональна расстоянию до ближайшего слоя, необходимо устанавливать все развязывающие конденсаторы со стороны платы, ближайшей к слою питания/заземления.

Контрольные вопросы к разделу

1.Почему в качестве развязывающих конденсаторов необходимо применять элементы с минимальным значением эквивалентной последовательной индуктивности?

2.Из чего складывается общая индуктивность соединения между ИМС

иразвязывающим конденсатором при исполнении системы питания в виде печатных проводников и в виде слоев питания/заземления?

3.К каким основным упрощенным эквивалентным формам преобразуются развязывающие токовые петли в случае системы питания в виде печатных проводников и в виде слоев питания/заземления?

4.Какими основными параметрами характеризуются эквивалентные формы развязывающих токовых петель?

5.Какие из вариантов исполнения монтажных площадок для установки развязывающих конденсаторов обладают минимальной и максимальной паразитной индуктивностью?

6.Назовите основные рекомендации, которые следует учитывать при трассировке ОПП, ДПП или МПП с системой питания в виде печатных проводников.

7.Перечислите основные рекомендации, которые следует учитывать при трассировке МПП с системой питания в виде близкорасположенных слоев питания/заземления.

8.Перечислите основные рекомендации, которые следует учитывать при трассировке МПП с системой питания в виде разнесенных слоев питания/заземления.

114

10. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ С УЧЕТОМ ЭМС

Существует огромное количество различных рекомендаций, применение которых предполагает улучшение ЭМС-параметров изделия. Некоторые из них основаны на моделях цепи или излучения, некоторые получены опытным путем, а некоторые вообще не имеют определенного источника. Часть рекомендации универсальна и может применяться почти в любом случае, другие применимы только в определенных ситуациях. Получив в свое распоряжение массу подобных рекомендаций, разработчик при проектировании, модернизации или диагностировании ПП старается использовать их в максимальной степени. Типичным примером подобного необдуманного применения является ситуация, когда «оптимизированный» вариант обладает худшими параметрами, по сравнению с исходным.

Как правило, большинство рекомендаций являются противоречивыми и требуют при реализации определенного компромисса. Именно из-за этого ПП, на которой удалось выполнить 10 рекомендаций, по факту может быть намного хуже платы, использующей 1-2 базовых рекомендаций. Качественная ПП, с точки зрения ЭМС, является не следствием использования всего арсенала возможных рекомендаций, а результатом применения действительно необходимых решений для конкретного случая.

Например, ранее были приведены рекомендации, касающиеся расположения на ПП развязывающих конденсаторов. В некоторых случаях подобные рекомендации критически важны, однако они могут быть проигнорированы без последствий в случае, когда помехи в шинах питания не представляют проблемы. С другой стороны, есть рекомендация, в соответствии с которой высокоскоростные цепи не должны располагаться между разъемами ПП. Разработчик мог разработать отличный вариант платы, но нарушение всего лишь этой одной рекомендации приведет к появлению мощных излучаемых помех.

Специалист в области ЭМС для любого практического случая должен быть способен определить, какие рекомендации необходимо выполнять в обязательном порядке, а какие можно проигнорировать. Такой навык основывается на умении находить вероятные источники помех, паразитные антенны и пути наводок в разрабатываемом изделии. Для уменьшения влияния субъективных факторов (в первую очередь, человеческого) при выборе тех или иных рекомендаций более правильным является использование системного подхода [7].

10.1. Базовые рекомендации по ЭМС-проектированию

Следующие четыре важные рекомендации по проектированию ПП часто игнорируются, хотя они являются одними из самых простых для применения на начальных этапах разработки.

115

Минимизировать площадь петель, связанных с ВЧ сигналами.

Подобное простое правило есть практически в каждом списке ЭМСрекомендаций, но его часто игнорируют или идут на компромисс в пользу других рекомендаций. Иногда проектировщик ПП даже не знает, где протекает сигнальный ток, особенно в случае цифровых схем, когда сигналы ассоциируются с напряжением. Требования ЭМС обязывают инженера думать

осигналах как о токе и учитывать, что:

-сигнальные токи всегда возвращаются к своим источникам, т.е. ток всегда образует петлю;

-сигнальные токи выбирают путь (пути) с наименьшим импедансом.

На ВЧ (от МГц и выше) путь протекания тока достаточно просто определить, так как пути с наименьшим импедансом соответствует путь с наименьшей индуктивностью, т.е. с минимальной площадью петли. Таким образом, на ВЧ возвратный ток старается пройти как можно ближе к пути сигнального тока. На НЧ (десятки кГц и ниже) путь с наименьшим импедансом соответствует пути с наименьшим сопротивлением, т.е. распределен по всему возвратному слою. Таким образом, на НЧ значительная часть возвратного тока может быть достаточно удалена от пути сигнального тока.

Заземляющий слой (возвратный слой) не должен быть разделен на части, иметь вырезы или щели.

Несмотря на то что в некоторых случаях правильно расположенный разрез в возвратном слое может быть полезен, такие ситуации достаточно редкие и всегда обосновываются необходимостью управления НЧ током. С практической точки зрения, более безопасным будет создание единого сплошного слоя для всех возвратных токов. В случае уверенности, что какойлибо НЧ сигнал восприимчив или способен к перекрестным помехам с другими цепями платы, можно применить проводник на отдельном слое для создания возвратного пути к источнику. Во всех остальных случаях действует правило – никаких делений на части, вырезов или щелей на возвратном слое ПП.

Не располагать высокоскоростные цепи между разъемами.

Несоблюдение данной рекомендации – одна из самых распространенных ошибок. Часто из-за нарушения этого простого правила ПП, которые должны были соответствовать нормативам ЭМС без существенных дополнительных усилий или повышения стоимости, требуют применения интенсивного экранирования или фильтрации.

На частотах ниже нескольких сотен МГц длина волны составляет более 1 м, при этом возможные паразитные антенны на ПП оказываются электрически малыми, т.е. неспособными к излучению. Однако кабели или другие устройства, подключенные к плате, могут являться достаточно эффективными антеннами. Протекание сигнального тока по печатным проводникам и слою заземления приводит к возникновению между двумя точками небольшой разности потенциалов, пропорциональной величине тока. В случае если все

116

разъемы расположены вдоль одного края ПП, напряжение между ними пренебрежимо мало. Однако при расположении между разъемами высокоскоростных цепей разность потенциалов между ними может достигать несколько мВ, что, в свою очередь, вызывает протекание тока в присоединенных кабелях и, как следствие, значительное превышение уровня излучаемых помех над допустимыми значениями.

Управление переходными процессами в сигналах.

ПП, работающая на частоте 100 МГц, должна удовлетворять требованиям по излучаемым помехам до 2 ГГц. Правильно сформированный цифровой сигнал будет иметь значительную мощность на нижних гармониках и меньшую на верхних гармониках. Мощностью верхних гармоник лучше всего управлять замедлением переходных процессов в цифровом сигнале, однако чрезмерно длительные переходные процессы могут привести к проблемам с целостностью сигнала и нарушению теплового режима компонентов. Таким образом, необходим определенный компромисс между этими требованиями. Длительность переходных процессов, равная примерно 20 % от периода элементарной посылки, дает оптимальную форму сигнала, при которой минимизируются проблемы с перекрестными и излучаемыми помехами. В каждом конкретном случае длительность переходных процессов может изменяться, но в любом случае это должна быть осознанная, а не случайная величина. Наиболее распространены следующие три способа управления временем нарастания

испада фронта цифрового сигнала:

-применение цифровой логики с управляемой скоростью нарастания выходного напряжения;

-последовательное подключение резистора или феррита на выход компонента;

-параллельное подключение конденсатора на выход компонента.

Часто первый вариант является одним из простых и самых эффективных способов, но последовательное подключение резистора дает проектировщику большие возможности по управлению и, как правило, дешевле. Конденсатор может ослаблять ВЧ ток, протекающий от компонента, и в большинстве случаев не самый подходящий способ. Также плохим подходом будет замедление или фильтрация ассиметричного сигнала путем затруднения прохождения по возвратному пути.

10.2. Широко распространенные рекомендации по ЭМСпроектированию

Следующие рекомендации часто дают хороший эффект, однако следует помнить, что они применяются не в каждой ситуации.

117

Расположение компонентов на ПП

Разъемы должны быть расположены на одной стороне или с одного угла

ПП.

Расположение разъемов на одной стороне ПП позволяет значительно упростить поддержание на них одного опорного потенциала. Это особенно важно для ПП с ВЧ компонентами, для которых не предполагается использование экранирующего корпуса. В некоторых конструкциях требуется размещение разъемов на различных сторонах платы, тогда, как было указано ранее, необходимо исключить расположения ВЧ цепей между такими разъемами. В случае когда избежать этого не получается, для исключения синфазных токов в присоединенных кабелях необходимо применять металлические корпуса и фильтрацию.

Длина печатных проводников, присоединенных непосредственно к разъемам (цепи ввода/вывода), должна быть минимальной, как правило, в пределах

20 мм.

Проводники, присоединенные непосредственно к разъемам, являются вероятными путями распространения как внутренних помех за пределы ПП, так и внешних помех в цепи устройства.

Все интерфейсные соединения от одного компонента должны быть подведены к одному разъему.

Рекомендация основывается на том, что управлять синфазными токами в проводниках намного проще, если они расположены в одном кабеле.

Компоненты, не подключенные к цепям ввода/вывода, должны быть расположены не ближе 20 мм от таких цепей и соответствующих разъемов.

Как правило, минимальное расстояние зависит от конкретной ситуации. Однако конечной целью является максимальное удаление интерфейсных цепей от остальных проводников для предотвращения взаимных наводок.

Формирователь тактовых или синхронизирующих импульсов должен быть расположен по соседству с тактовым генератором.

Данную рекомендацию можно расширить, сформулировав, что любые компоненты, соединяющиеся только друг с другом, например тактовый генератор и микропроцессор, должны быть расположены как можно ближе, в особенности при работе с ВЧ сигналами.

Трассировка печатных проводников

Печатные проводники с задержкой распространения, превышающей половину времени переходного процесса протекающего сигнала, должны иметь согласованную нагрузку.

118

Следует избегать применения согласованной нагрузки, пока не достигнуто максимально возможное замедление времени нарастания или уменьшение длины соединительного печатного проводника. Согласованная нагрузка нежелательна по причине увеличения потребляемой мощности и усложнения управления временем нарастания сигнала. В основном такое решение необходимо для обеспечения целостности сигнала и ЭМС при задержке сигнала проводником на время, превышающее длительность переходных процессов.

Печатные проводники, не относящиеся к цепям ввода/вывода, не должны быть расположены между интерфейсными разъемами или компонентами, использующими эти разъемы для приема/передачи сигналов.

Печатные проводники ввода/вывода создают достаточно простые пути для проникновения помех на ПП или за ее пределы. При трассировке таких проводников необходимо проявлять повышенное внимание для предотвращения нежелательных наводок на них или от них.

Печатные проводники с ВЧ сигналами не должны располагаться под компонентами, используемыми в цепях ввода/вывода.

Это одна из вариаций правила из серии – зашумленные сигналы и компоненты должны быть расположены как можно дальше от интерфейсных цепей. Проводник, проложенный под компонентом, посредством емкостной или индуктивной связи можем создавать наводки на этот компонент.

Число переходных отверстий в ВЧ цепях должно быть минимальным.

Необходимо исключить множественные переходы между слоями для критических ВЧ цепей. При каждом подобном переходе теряется часть энергии, а также усложняется формирование путей возвратного тока.

Печатные проводники для критических сигналов или тактовых импульсов должны быть расположены между слоями питания/заземления.

Трассировка печатного проводника между двумя сплошными слоями обеспечивает великолепное ограничение возникающих полей и предотвращает нежелательную связь.

Критические цепи должны быть расположены как минимум на расстоянии 2а от края ПП, где а – расстояние между сигнальным проводником и его возвратным путем.

Печатные проводники, проложенные слишком близко к краю ПП, обладают недостаточной локализацией поля и легче создают паразитные наводки на внешние кабели и другие объекты.

При трассировке дифференциальных пар необходимо обеспечение баланса.

Дифференциальная пара излучает намного меньше, чем эквивалентное несимметричное (однопроводное) соединение. Положительные свойства диф-

119