Учебное пособие 800552

Для того чтобы отклонить магнитное поле при помощи проводящей пластины, важно обеспечить создание непрерывных вихревых токов. Также следует учесть, что проводящая пластина не может отводить магнитостатическое поле, так как вихревые токи создаются только переменным полем. При медленно изменяющемся поле потери в проводящей пластине могут рассеивать вихревые токи, что также приводит к недостаточной защите ПП. Поэтому применение проводящих материалов для магнитного экранирования на НЧ (ниже нескольких сотен кГц), как правило, малоэффективно. Наличие щелей или отверстий, нарушающих непрерывность вихревых токов, также ухудшает, эффективность экранирования подобных экранов.

Для подавления магнитного поля на НЧ необходимо использовать магнитопроницаемые материалы ( r 1), такие как сталь или мю-металл.

Поскольку такие материалы имеют магнитное сопротивление намного меньшее, чем у воздуха, то линии магнитного поля могут быть эффективно перенаправлены в обход. На рис. 7.5 представлен предыдущий пример, где для защиты ПП может применяться экран, сделанный из магнитопроницаемого материала. При этом важно полностью отклонить магнитный поток вокруг экранируемого объекта. Простое расположение пластины из магнитного материала выше или ниже ПП не обеспечит экранирование.

Рис. 7.5. Экранирование магнитного поля при помощи магнитопроницаемого материала

7.3. Экранирующие корпуса

На ВЧ возможны ситуации, когда токи, наводимые в экране, создают ЭМИ, сопоставимое (а иногда и намного больше) с излучением первоначальных источников поля. Это возможно в случаях, когда наибольшая сторона экранирующего корпуса равна длине волны или близка к его кратному значению. На таких частотах необходимо полностью экранировать источник, уделяя особое внимание отверстиям, стыкам или кабельным вводам, которые могут быть причиной утечек электромагнитной энергии.

80

Идеальный экранирующий корпус с бесконечной проводимостью и без неоднородностей будет являться отличным электромагнитным изолятором вне зависимости от происходящего внутри или снаружи. Даже если материал корпуса имеет конечную, но высокую проводимость (медь, алюминий или сталь), при условии отсутствия отверстий, стыков или кабельных вводов, необходимое качество экранирования для большинства практических задач все равно будет достигаться. На практике подобные корпуса не могут применяться из-за необходимости обеспечения электрического питания и связи с внешними объектами. Лучшее, что может сделать разработчик в таком случае, – начать проект с идеального корпуса и тщательно анализировать каждый стык, кабельный ввод и отверстие, добавляемые в конструкцию, для обеспечения их минимального влияния на общую эффективность экранирования.

Отверстия

Прямоугольные и круглые отверстия в экранирующих корпусах используются для обеспечения вентиляции, установки органов индикации и управления, механического крепления внешних элементов и т.п. Для обеспечения корпусом требуемого уровня экранирования наводимые в нем токи должны иметь возможность беспрепятственного распространения по его поверхности. Как правило, отверстия с максимальным размером, много меньшим длины волны, создают незначительный импеданс для токов, текущих по проводящей поверхности. По этой причине, при необходимости наличия открытой зоны (например, системы вентиляции), лучшим конструктивным решением будет использование множества малых отверстий вместо нескольких больших. На рис. 7.6 представлено графическое пояснение данной идеи. Так, на рис. 7.6, а вентиляционная решетка прерывает линии тока более значительно, чем вариант на рис. 7.6, б. С точки зрения обеспечения ЭМС, второй вариант более предпочтителен даже несмотря на то, что общая площадь отверстий в обоих вариантах одинакова. Таким образом, экранирующий корпус может быть эффективным даже при наличии в нем значительных открытых зон, при условии, что каждое отдельное отверстие намного меньше длины волны.

Рис. 7.6. Два варианта исполнения системы вентиляции в экранирующем корпусе

81

В общем случае доля энергии, исходящей из корпуса сквозь малые отверстия, незначительна, по сравнению с энергией, излучаемой через стыки и кабельные вводы. Однако если корпус хорошо герметизирован и требуется дальнейшее увеличение эффективности экранирования, то следует прибегнуть к использованию отверстий с искусственно увеличенной глубиной, представляющих собой небольшие запредельные волноводы. Более подробно такой способ будет рассмотрен далее.

Стыки

Большинство корпусов ЭС являются сборными, и при соединении какихлибо частей вместе неизбежно образуются стыки. Как правило, из-за большой протяженности именно стыки являются местами значительных утечек ЭМИ. Так, стык, имеющий длину в районе 1/2 длины волны, может, подобно резонансному полуволновому диполю, создавать достаточно сильное излучение. Вследствие этого при использовании экранирующего корпуса существует вероятность получения достаточно эффективной антенны для слабоизлучающего источника из-за наличия резонирующей щели или стыка.

Часто хорошо выглядящее изолированное соединение может прерывать поверхностные токи, значительно ухудшая характеристики экранирующего корпуса. На рис. 7.7, а или 7.7, б представлены две металлические поверхности, прижатые одна к другой. Из-за поверхностного окисления, коррозии и перекоса металлических листов качество электрического контакта, в особенности на ВЧ, будет неудовлетворительным. Применение винтов или заклепок (рис. 7.7, в) способно обеспечить хороший электрический контакт в местах непосредственного крепления, но между ними перечисленные проблемы остаются. Одним из способов снижения поверхностного импеданса является использование стыка внахлест с обеих сторон стенки, как это представлено на рис. 7.7, г. Другим распространенным решением является применение контактных металлических пружин или проводящих прокладок, что изображено на рис. 7.7, д и 7.7, е соответственно.

Рис. 7.7. Стыки в экранирующих корпусах

82

Кабельные вводы

Наличие кабельных вводов является неотъемлемой частью практически любого ЭС и используется для обеспечения питания или соединения с другими устройствами. Всего лишь один неэкранированный кабельный ввод без фильтрующей системы может полностью свести на нет все преимущества, характерные для экранирующего корпуса. Как показано на рис. 7.8, любая разность потенциалов между проводом и корпусом приводит к тому, что пара провод/корпус начинает работать подобно дипольной антенне.

Рис. 7.8. Механизм образования паразитной антенны между проводом и корпусом

Провода и корпус обычно являются одними из крупнейших проводящих объектов в системе. В результате этого возможно образование паразитной антенны на НЧ посредством пары провод/корпус. По этой причине для любых проводов, входящих в корпус, очень важно обеспечить хорошее экранирование или поддерживать одинаковый с корпусом потенциал на всех возможных проблемных частотах.

При подключении экранированного кабеля к корпусу между ними необходимо обеспечить соединение, обладающее как можно меньшим импедансом. Обычно это достигается использованием экранированных соединителей, обеспечивающих контакт металл-металл по всей окружности стыка экранированного кабеля и корпуса, как показано на рис. 7.9, а. Соединение гибким проводником, имеющим значительный импеданс, в результате чего между экраном кабеля и корпусом ЭС создается разность потенциалов, вызывающая нежелательное ЭМИ, представлено на рис. 7.9, б.

Рис. 7.9. Соединение экранированного кабеля и экранирующего корпуса

83

Если провода, входящие в корпус, вообще не имеют экрана, то разработчику необходимо предусмотреть фильтрацию. Схема фильтрации должна минимизировать напряжение между проводом и корпусом на излучаемых ВЧ частотах, в то время как необходимые НЧ сигналы и напряжение питания будут проходить беспрепятственно. Для минимизации индуктивности соединения и предотвращения возможных помеховых воздействий на соединительный провод требуется расположить фильтр как можно ближе к входному разъему. Примеры установки подобных фильтров представлены на рис. 7.10.

Рис. 7.10. Примеры установки входных фильтров

7.4. Применение запредельных волноводов

В ряде практических случаев в конструкции экранирующих корпусов требуется иметь большое количество отверстий. С учетом жестких требований к эффективности экранирования и тепловому режиму может быть необходимо дальнейшее уменьшение количества энергии, излучаемой через данные отверстия. Одним из способов является искусственное увеличение глубины отверстия для образования структуры типа запредельного волновода. На частотах, для которых размер поперечного сечения отверстия меньше чем полдлины волны, энергия, распространяемая сквозь такой волновод, будет ослабляться подобно ослаблению энергии при прохождении через волновод ниже частоты среза. Другими словами, поле будет экспоненциально затухать. Для определения величины ослабления, обеспечиваемой отверстием с глубиной d и максимальной высотой или шириной а, можно воспользоваться следующей приблизительной формулой:

где f – частота воздействующего поля; fC – частота среза созданного запредельного волновода. Частота среза приблизительно равна частоте, для которой максимальное значение высоты или ширины а равно половине длины волны.

84

Ослабление прямоугольного запредельного волновода

Для прямоугольного волновода с высотой b, шириной а и длиной d , эскиз которого представлен на рис. 7.11, распространяющаяся волна с нижней частотой среза будет типа ТЕ10.

Рис. 7.11. Эскиз прямоугольного волновода

Постоянная распространения для режима ТЕ10 определяется как

На частотах, при которых член под корнем отрицательный, постоянная распространения мнимая и поле не распространяется. Это происходит, когда

Ослабление круглого запредельного волновода

Для круглого волновода с диаметром а и длиной d, представленного на рис. 7.12, распространяющаяся волна с нижней частотой среза будет типа ТЕ11.

Рис. 7.12. Эскиз круглого волновода

Постоянная распространения для режима ТЕ11 определяется как

где kC для режима ТЕ11 будет kC 3,682a .

Приравнивая выражение (7.8) к нулю, получаем частоту среза как

в воздухе).

Ниже частоты среза амплитуда поля в волноводе экспоненциально

Комбинируя выражения (7.8), (7.9), (7.11), как и для случая прямоугольного волновода, получаем общее ослабление поля, прошедшего расстояние d, выраженное в дБ:

Допущения и примечания:

-в полученных выражениях как для прямоугольного, так и для круглого волновода вначале имеется константа, которая может принимать значения от 3 до 30, что соответствует различным режимам распространения. Так как наибольшее влияние оказывают режимы низкого порядка, то соответственно используется величина 30;

-при приближении длины волновода d к 0 величина ослабления также стремится к нулю. Однако даже отверстия в тонких стенках обеспечивают некоторое ослабление, если их поперечное сечение мало по отношению к длине волны. При d>>a выражение (7.2) будет очень неточным;

- данная модель не учитывает способ приложения поля к волноводу с одного конца или насколько эффективно оно излучается с другой стороны. Таким образом, эта модель неприменима для нахождения эффективности экранирования какого-либо экрана. Ослабление, определенное в (7.2), должно быть добавлено к эффективности экранирования, найденной для случая без применения запредельного волновода;

- если в отверстие проникает провод, тогда режим распространения нижнего порядка станет ТЕМ режимом. В таком случае в отверстие могут проникать поля любой частоты, а значит, преимущество использования малых отверстий пропадает.

Контрольные вопросы к разделу

1.На какие три группы, в зависимости от решаемой задачи, делятся

экраны?

2.Какие основные требования предъявляются к конструкционным материалам, применяемым для экранирования электрического поля?

3.Какими техническими решениями можно обеспечить защиту от электрических полей?

4.Какие основные требования предъявляются к конструкционным материалам, применяемым для экранирования НЧ магнитного поля?

5.Какими техническими решениями можно обеспечить защиту от магнитных полей?

6. В чем особенность проектирования экранирующих корпусов, по сравнению с локальными электромагнитными экранами?

7.Как различные конструктивные элементы экранирующего корпуса влияют на его эффективность экранирования, и как можно минимизировать это влияние?

8.В чем основная идея использования отверстий, выполненных в виде запредельного волновода?

87

8. ТРАССИРОВКА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Печатные платы (ПП) в том или ином виде являются основой большинства ЭС и приборов. Существуют 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 играют 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

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

зазором в возвратном слое.

88

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.

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 и при 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 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.

89