Учебное пособие 800552

ференциальной пары продолжают проявляться даже при удалении печатных проводников такой пары на расстояние, во много раз большее, чем высота их расположения над слоем заземления. Однако разбалансировка такой пары может привести к уровням излучения, сопоставимым с эквивалентным однопроводным соединением.

На ПП со слоями питания/заземления не допускается использование печатных проводников для подключения компонента к питанию.

Помимо того, что печатные проводники будут занимать дополнительное место на ПП, они также добавляют паразитную индуктивность к соединению. Подключение должно осуществляться через переходные отверстия, расположенные рядом с контактными площадками выводов питания/заземления компонента.

Все питающие шины и проводники должны быть расположены на одном

слое.

Такой подход почти всегда правильный и исключает перекрытие различных шин питания, что помогает минимизировать паразитные наводки между ними. Исключение может быть сделано для парных питающих шин, например +12 В и -12 В, когда для обеспечения лучше баланса они симметрично располагаются на различных слоях.

Зазоры между питающими шинами, расположенными на одном слое, должны быть минимум 3 мм.

В целом это правильная рекомендация, но лучше придерживаться правила, что зазор должен равняться или быть больше, чем расстояние между слоем питания и слоем заземления. В ином случае ВЧ изоляция между этими шинами будет недостаточной, а при неблагоприятных условиях могут наблюдаться пробои и короткие замыкания.

Если проект имеет более чем один слой заземления, то любое заземляющее подключение должно быть выполнено со всеми слоями заземления.

Основная идея такова, что ВЧ токи будут протекать по самому благоприятному пути (с наименьшей индуктивностью) из всех доступных. Не надо пытаться направить прохождение тока по какому-то одному определенному пути.

Особенности ИМС

Каждая ИМС должна иметь достаточную развязку на уровне кристалла (на внутрикомпонентном уровне).

Недостаточная развязка ИМС на уровне кристалла часто является причиной проблем в части ЭМП и целостности сигнала. Помехи в шине питания ИМС проявляются на всех выводах компонента, что делает их похожими на высокоскоростные линии. Даже при тщательной трассировке всех печатных проводников появление ЭМП остается возможным. Неудовлетво-

120

рительную развязку на уровне кристалла не могут компенсировать ни внутрикомпонентная развязка, ни общая развязка ПП.

Область заземления внутри ИМС не должна быть разделена на сегменты.

Это обусловлено теми же причинами, что и приведенные выше для слоя заземления ПП.

Применение металлического корпуса для ИМС дает преимущества только при его надлежащем заземлении.

С точки зрения ЭМП, разница между пластиковым и металлическим корпусами ИМС будет только при качественном заземлении металлического корпуса.

Необходимо обеспечить как можно больше точек заземления ИМС, равномерно распределенных вокруг нее.

«Земля» в ИМС имеет относительно высокий импеданс (главным образом резистивный). Для создания единого опорного потенциала необходимо использовать внешний заземляющий слой, обладающий более низким сопротивлением.

Каждое силовое или сигнальное соединение должно быть расположено вблизи соответствующего возвратного соединения и ни в коем случае не на противоположной стороне ИМС.

Плохая распиновка ИМС вынуждает разработчика прокладывать питающие и сигнальные проводники под ИМС или в обход ее, что приводит к созданию больших излучающих петель.

Скорость нарастания сигналов, особенно в цепях ввода/вывода, должна быть выбрана обоснованно.

Незначительное ускорение переходных процессов от оптимального значения существенно увеличивает спектральную плотность мощности на ВЧ. Выполнение данной рекомендации поможет ослабить ЭМП от несущей ПП, на которой установлена ИМС.

10.3. Рекомендации, к которым следует относиться с осторожностью

Следующие рекомендации или слишком обобщенные для правильного применения или недостаточно полезные, а иногда и просто неверные.

Компоновка печатных плат

Слой заземления должен полностью заполнять пространство под каждым компонентом без пустот, за исключением мест под переходные отверстия.

121

В целом это правильный подход, но есть много ситуаций, когда стоит избегать расположения заземления под определенным компонентом или областью на ПП, например, под трансформаторами, дросселями или цепями источников питания. Слепое выполнение такой рекомендации может привести к значительным проблемам в части обеспечения ЭМС.

На МПП лучшей последовательностью слоев будет… (различные варианты).

Может, С-С-П-З-С-С или П-С-С-З-С? На самом деле дать конкретную рекомендацию оптимальной компоновки слоев без учета множества других факторов просто невозможно. Маловероятно, что попытка назначить слои на основании обобщенной рекомендации приведет к оптимальному варианту. Шаблонное формирование слоев, без предварительного анализа, не самый правильный подход.

Все ПП, работающие на частотах выше 25 МГц, должны иметь два слоя заземления.

Несомненно, это очень старая рекомендация. В настоящее время множество устройств, работающих на ГГц частотах, отлично исполнены на ПП с одним заземляющим слоем. Требуемое количество слоев заземления зависит от многих факторов, таких как число цепей и общее количество слоев. Рабочие частоты не являются решающим фактором.

На МПП с несколькими слоями заземления необходимо использовать переходные отверстия, расположенные по периметру через каждые 20 мм, для формирования подобия «клетки Фарадея».

Большинство ПП с двумя или более слоями заземления имеют достаточное число переходных отверстий, образованных естественным образом, что делает эту рекомендацию излишней. На ПП, не имеющих переходных отверстий в достаточном количестве, их расположение вокруг внешних границ ПП может привести к созданию объемного резонатора. В таком случае лучше распределить эти соединения по всей площади ПП, чем вблизи краев.

Вблизи ПП не должно быть каких-либо неподключенных («плавающих») металлических частей.

Хотя в целом это верное утверждение, но попытка заземления каждого металлического фрагмента на ПП, вне зависимости от его размеров, может сделать конструкцию хуже. Важно хорошо проанализировать и определить, действительно ли стоит прикладывать усилия для заземления небольшого металлического элемента, например, электрически малого радиатора или небольшого фрагмента меди на ПП. Плохое заземление может увеличить электрический размер незаземленного элемента и создать проблемы, которых до этого не было.

122

Под всеми большими ИМС должны быть расположены «островки» сплошного заземления.

Как правило, островки заземления – это плохое решение. В редких случаях, если такой островок находится выше или ниже сплошного слоя заземления, он может быть полезен. Однако такая рекомендация никак не может быть помещена в список «необходимых» для обеспечения требований ЭМС.

Для ПП без слоя заземления минимум одна возвратно-заземляющая дорожка должна быть расположена поблизости с каждой шиной адреса или данных. Для адресной шины такой проводник должен быть расположен поблизости с младшим значащим битом, поскольку вероятно, что он будет самым активным.

Подобная рекомендация может быть частным случаем для некоторых ПП, но далеко не для всех. В ПП без слоев заземления число проводников заземления и их расположение является важным конструкторским параметром, а значит, принятие решения не может быть основано только на подобной рекомендации.

Для развязки ИМС необходимо использовать ВЧ керамические низкоиндуктивные конденсаторы с емкостью 0,1 мкФ до частоты 15 МГц и 0,01 мкФ на частотах свыше 15 МГц, установленные как можно ближе к выводам питания/заземления.

Все рекомендации для развязки ИМС сильно зависят от расстояния между слоями питания и заземления и подробно были расписаны в соответствующем разделе. Подобные общие рекомендации опасны, так как могут привести к плохой развязке платы.

Необходимо использовать низкоскоростные семейства логических ИМС

снаименьшим питанием, которые удовлетворяют требованиям схемы.

Вцелом мысль верная, но полагаться на низкоскоростные семейства логики для управления временем нарастания сигнала опасно. Со временем любые выбранные семейства логики, как правило, становятся быстрее, поскольку производители ИМС регулярно улучшают свою продукцию, стараясь уменьшить время переходных процессов. Изделие, в котором для управления временем нарастания сигнала применяется медленная логика, может перестать удовлетворять требованиям ЭМС при начале производства и применении компонентов с улучшенными характеристиками.

Цепи, содержащие сигналы с скоростью нарастания более чем 1 В/нс, должны иметь дискретный резистор, включенный последовательно с источником.

Добавлять или не добавлять дополнительный дискретный резистор к источнику – зависит от множества факторов, но, как правило, скорость нарастания сигнала не является решающим.

123

Цепи с емкостной нагрузкой должны иметь общий импеданс источника, равный или больший четверти волнового сопротивления линии, иначе необходимо добавление параллельного резистора.

Как и предыдущая рекомендация, эта также не относится к определяющим факторам.

Для изоляции высокоскоростных цепей от цепей ввода/вывода необходимо использование защитных печатных проводников.

Защитные проводники не бесполезны, но помогают в столь редких случаях, что не стоят упоминания в каком-либо списке рекомендаций для проектировщика. Правильным видится подход, при котором защитные печатные проводники используются для попытки решения определенной известной проблемы.

Все питающие и заземляющие проводники должны быть как минимум в три раза шире сигнальной линии.

Рекомендация звучит неплохо, но слишком обобщенная, так как не всегда необходима или же, наоборот, недостаточна.

Дополнительные развязывающие конденсаторы должны быть расположены с обеих сторон зазора слоя питания или заземления.

Необходимо исключить зазор в заземляющем слое. В случае зазора в питающем слое нет каких-либо неопровержимых доводов для размещения дополнительной развязки с обеих сторон зазора. Вероятно, такой подход происходит из стремления ослабить наводки между двумя шинами питания, но развязывающие конденсаторы навряд ли будут эффективны на частотах, где подобный тип наводок может вызвать проблемы.

Платы расширения (с ВЧ компонентами и/или внешними кабелями) должны быть надлежащим образом заземлены на несущую плату и/или шасси (для создания хорошего контакта не следует полагаться на выводы заземления в разъеме).

Не следует путать возвратный путь тока и заземление. Как правило, необходимо стремиться, чтобы сигнальный ток вернулся к выводу разъема. Каждая ситуация уникальна и слишком обобщенные рекомендации, подобно этой, могут привести разработчика к абсолютно неверному решению.

Критические цепи должны быть разведены последовательным подключением, без тупиковых отводов или разветвлений.

Слишком обобщенная рекомендация. Иногда это так, иногда нет.

Платы и корпус должны быть спроектированы так, чтобы их резонансы не соответствовали гармоникам тактовых частот, присутствующих в системе.

124

Теоретически хорошая идея, но на практике не разумно ожидать, что проектировщик сможет управлять всеми параметрами, влияющими на резонансные частоты плат или корпусов.

Экранирование

Экран должен полностью окружать устройство, исключая любые неоднородности, такие как отверстия, стыки, щели или кабельные вводы.

В подобных рекомендациях обычно не хватает указания, о каком из четырех видов экранирования идет речь: электрического поля, НЧ магнитного поля, ВЧ магнитного поля или электромагнитного поля. Рекомендация, данная выше, может быть применена только к экранирующим корпусам. Отверстия, стыки, щели и кабельные вводы являются неотъемлемым элементом практически любого корпуса, а значит, данная рекомендация на практике бесполезна. Кроме того, большинство экранов в коммерческих изделиях представляют экраны электрического поля, которые могут быть эффективными даже с указанными неоднородностями.

Каждый экран должен иметь низкоимпедансный контакт с землей, по крайней мере, в двух точках для предотвращения появления помехового потенциала из-за наводок от экранируемого объекта.

Определение места заземления экрана электрического поля очень важно. Рекомендация инженеру «заземли его минимум в двух точках» будет являться ужасным советом.

10.4. Рекомендации из серии «вредные советы»

Далее приведены одни из самых худших рекомендаций по ЭМСпроектированию, которые, скорее, создадут новые проблемы, чем решат существующие.

Цепи на ПП должны быть сгруппированы по типу, при этом питающая часть располагается вблизи разъема, а высокоскоростные цифровые цепи – вдали от разъема.

Вероятно, эта рекомендация или ее вариации лежат в основе самых безумных трассировок ПП. Она игнорирует фундаментальную идею, что различные ПП предназначены для различных целей. Разумеется, при определении места размещения компонентов необходимо анализировать их назначение и скорость работы. Однако любые обобщенные утверждения о расположении относительно разъема приведут, скорее, к плохому результату. Обычно правильным подходом будет размещение компонентов, принимающих и отправляющих сигналы через разъем вблизи от него. Выбор расположения важен, но рекомендации по проектированию, диктующие местоположение без учета назначения компонентов и связанных с ними сигналов, могут быть очень опасны.

125

Сплошной слой заземления должен быть разделен между аналоговой и цифровой частью.

Возможно, это вторая наихудшая ЭМС-рекомендация. На практике встречается пара ситуаций, когда подобное разделение слоя заземления даст полезный эффект. Эти ситуации диктуются необходимостью предотвратить распространение НЧ токов (< 100 кГц), создаваемых шумящими цепями, по общему возвратному пути. К сожалению, разрывы в сплошном слое заземления могут вызвать серьезные проблемы при взаимодействии с ВЧ токами и создать паразитное напряжение, которое в конечном итоге приведет к проблемам с излучаемыми помехами. Во многих случаях правильным решением будет просто оставить сплошной слой для использования обеими цепями. В ситуациях, где требуется НЧ развязка, почти всегда лучше будет обеспечить разделенные возвратные пути для подобных цепей. Как правило, это достигается размещением печатных проводников или шин на разных слоях ПП.

Слой заземления под разъемами должен быть отделен от цифровой земли с одной точкой соединения между ними.

Эта рекомендация была справедлива 30 лет назад, когда большинство ПП были двухсторонними, плотность монтажа была гораздо меньше, а скорости функционирования гораздо ниже. В настоящее время такой подход будет одним из худших способов трассировки заземляющего слоя. Цель состоит в достижении низкоимпедансного соединения между шасси и цифровой землей на частотах излучаемых помех (свыше 30 МГц) и управлением НЧ токами (менее 100 кГц) путем изолирования шасси от цифровой земли на НЧ. Предложенная рекомендация противоречит этому.

НЧ изоляция и ВЧ заземление лучше всего достигается размещением земли шасси на отдельном слое, перекрываемом цифровой землей. Это позволит обеспечить между ними хорошее ВЧ соединение, использовав низкоиндуктивные конденсаторы поверхностного монтажа. НЧ соединение может быть сделано между цифровой землей и шасси в одной точке в наиболее подходящем месте.

Здесь можно применить основное практическое правило – сплошной слой заземления никогда не должен быть разделен. Если слой заземления должен быть удален с какой-то части (например, под магнитными элементами, силовыми инверторами или для высоковольтной изоляции), это будет обоснованно, но простое разделение/разрезание слоя заземления практически всегда даст плохие результаты.

Для НЧ цепей должно быть использовано одноточечное заземление. Для ВЧ цепей должно быть использовано многоточечное заземление.

Применение данной рекомендации без понимания разработчиком разницы между «землей» и «возвратным путем» приведет к одному из самых худших вариантов. Идея одноточечного и многоточечного заземления редко будет полезной и чаще приведет к плохой практической реализации.

126

Заземление между цифровой землей и шасси необходимо обеспечивать в месте расположения тактового генератора.

Если в проекте для предотвращения попадания токов цифровой земли на шасси используется одноточечное подключение, то тогда это соединение должно быть вдоль края, на котором расположены разъемы ввода/вывода. Обычно тактовые и задающие генераторы находятся в стороне от этих зон, а значит, подключение вблизи тактового генератора нарушит одноточечное заземление. Даже не ставя целью управление НЧ токами, нет особых причин пытаться сделать соединение цифровой земли с шасси вблизи тактового генератора.

Печатные проводники импульсных источников питания должны быть разведены на одном слое ПП, а слой заземления должен быть соседним для минимизации площади петли.

Минимизация площади излучающих петель является правильным подходом, однако допускать протекание коммутирующих токов ИИП по слою заземления, используемого для других цепей, не лучшее решение. Оптимальная трассировка ИИП будет заключаться в направлении коммутирующих токов по проводнику, который соединяется со слоем в единственной точке. В зависимости от доступного числа слоев и других факторов, слой заземления может иметь отверстие в области компонентов ИИП.

Все печатные проводники (длиннее четверти длины волны наибольшей частоты) должны оканчиваться согласованной нагрузкой.

Подобная рекомендация заставляет многих разработчиков принимать абсолютно неправильные решения. Лучшим подходом будет сопоставление задержки распространения сигнала в проводнике со временем его нарастания. Если задержка распространения больше, чем время нарастания, то необходимо задуматься о согласовании. Однако вначале лучшим решением будет замедление времени нарастания. Согласованные нагрузки могут ускорить время нарастания и тем самым увеличить потребление от источника. Если речь не идет об очень высокоскоростных цифровых ПП или очень больших ПП, потребовать согласование могут несколько проводников.

Печатные проводники не должны иметь поворотов под прямым углом.

Никто точно не знает, откуда взялась эта рекомендация – ЭМС-инженеры ссылаются на производственные требования, производители ПП говорят, что так требуют «ЭМСники». Сглаживание углов на широком печатном проводнике с контролируемым импедансом может быть и полезно на гигабитных скоростях передачи данных, однако в общем случае преимущества применения двух поворотов по 45°, по сравнению с одним в 90°, отсутствуют.

Края питающих слоев не должны находиться на одном уровне с краем слоя заземления и должны быть смещены на величину 20h, где h – расстояние между слоями (правило 20h).

127

Уменьшение размера питающего слоя относительно заземляющего не ослабит излучение от слоя, пока он не будет расположен между двумя заземляющими слоями. Однако маловероятно, что подобная структура будет создавать значительные излучаемые помехи даже при одинаковых размерах слоев. В случае же сильной необходимости ослабить краевое поле ПП, сдвига в 2-3h будет более чем достаточно.

Пример 1. Был разработан опытный образец телефонного автоответчика, трассировка ПП которого представлена на рис. 10.1. Однако при подключении автоответчика к телефонной линии создаваемое им излучение привело к появлению помех на телевизоре. Следуя базовым рекомендациям, приведенным выше, необходимо переработать ПП автоответчика для ослабления излучаемых ЭМП. Для уменьшения себестоимости проект должен быть выполнен только на ОПП.

Рис. 10.1. Трассировка ПП опытного образца телефонного автоответчика

При возникновении подобных задач их решение начинается с определения потенциальных источников помех и паразитных антенн. Определенно, 8-МГц тактовый генератор и линии передачи данных являются потенциальным источником помех. Кроме того, тактовый генератор может создать значительные помехи в шине питания. Частями потенциальной антенны могут являться три разъема с подключаемыми к ним кабелями. Больше ничего крупного, что могло бы стать источником излучения, на этой плате не имеется.

Вначале при перестановке компонентов необходимо попробовать расположить все разъемы (потенциальные антенны) с одной стороны платы. Также необходимо переставить тактовый генератор и стабилизатор напряжения для уменьшения длины печатных проводников. Цепи питания дополнительно снабжаются развязывающими конденсаторами. В завершении необходимо заполнить все свободное пространство ПП сплошным слоем заземления, что даст гарантию создания кратчайшего возвратного пути для каждого сигнального проводника. Один из вариантов решения задачи приведен на рис. 10.2.

128

Рис. 10.2. Оптимизированная трассировка ПП телефонного автоответчика

Сравнивая путь 8-МГц тактовых импульсов с первоначальным вариантом, можно видеть создание петли с гораздо меньшей площадью. Также правильное расположение разъемов позволило избежать прохождение сигнальных токов между ними. Вариант, представленный на рис. 10.2, устраняет многие потенциальные проблемы в части обеспечения ЭМС, причем это достигается без использования дополнительного экранирования или дорогостоящих компонентов. Также правильным будет предусмотреть резервные контактные площадки для монтажа фильтрующих компонентов телефонной линии, что в дальнейшем может оказаться полезным.

Контрольные вопросы к разделу

1.Верно ли, что в случае применения максимального числа рекомендаций по ЭМС-проектированию вероятность разработки более качественного проекта увеличивается?

2.Назовите четыре базовые рекомендации по ЭМС-проектированию, которые желательно использовать на начальных этапах разработки.

3.Расскажите, почему необходимо минимизировать площадь петель, связанных с ВЧ сигналами?

4.Объясните, почему заземляющий слой (возвратный слой) не должен быть разделен на части, иметь вырезы или щели?

5.Почему необходимо избегать расположения высокоскоростных цепей между разъемами?

129