EMI w Twoim projekcie PCB wysokiej prędkości: Zrozumienie czasu narastania sygnału

Dzieciaki w dzisiejszych czasach nie mają pojęcia, dlaczego sprzężenie sygnałów elektromagnetycznych między pobliskimi obwodami nazywa się "przesłuchem". Kiedy telefony były podłączane do ściany i nie zawierały ekranu dotykowego ani dostępu do internetu, można było usłyszeć ciche szepty innych rozmów, które przebijały się do twojej linii telefonicznej. Wysokoprędkościowe PCBs doświadczają tego samego typu problemu z przesłuchem, co jest związane z zachowaniem sygnałów cyfrowych propagujących się na ścieżkach na płytce.

Rozumienie przesłuchu i EMI ogólnie, czy to wewnątrz PCB, czy z jakiegoś zewnętrznego źródła, wymaga zrozumienia, jak sygnał w jednej ścieżce wchodzi w interakcję z inną ścieżką. Jeśli można ocenić przesłuch w prawdziwym wysokoprędkościowym projekcie, łatwo jest określić, jak projekt powinien się zmienić, aby zmniejszyć EMI i przesłuch. Istnieje kilka praktycznych zasad, które sprawdzą się w projektach o umiarkowanej prędkości, ale pomocne jest użycie symulacji, aby lepiej zrozumieć, jak twoje wysokoprędkościowe projekty będą doświadczać przesłuchu, zanim przeprowadzisz obróbkę płyty.

Rozkładając na czynniki pierwsze termin "Wysokoprędkościowy Projekt"

Wskazaliśmy to już wcześniej na tym blogu, ale warto to ponownie podkreślić tutaj: projektowanie wysokiej prędkości nie oznacza wysokiej częstotliwości zegara ani wysokiej prędkości transmisji danych. Sygnały wysokiej prędkości charakteryzują się szybkim czasem narastania, co oznacza szybką zmianę między dwoma poziomami napięcia. To samo dotyczy sygnałów wielopoziomowych, gdzie występuje bardzo szybka zmiana między różnymi poziomami sygnału. Szybszy czas narastania/spadku sygnału może powodować silniejsze problemy z EMI, szczególnie przeplot, w różnych częściach PCB. Jest to prawdą nawet jeśli częstotliwość zegara systemu jest dość niska. Szybsza częstotliwość zegara oznacza jedynie, że wszelkie zakłócenia spowodowane przez EMI będą występować częściej.

Główne problemy z EMI w projektowaniu wysokiej prędkości obejmują:

• Przenikanie sygnałów, głównie z powodu sprzężenia indukcyjnego przy niskich częstotliwościach oraz sprzężenia pojemnościowego przy znacznie wyższych częstotliwościach
• Emisja promieniowana EMI, gdzie EMI od sygnałów cyfrowych jest emitowana na szerokim zakresie częstotliwości, rozciągającym się od DC aż po wielokrotne harmoniczne zegara systemowego
• Zakłócenia na magistrali zasilającej, które obejmują odbicia napięcia zasilania i odbicia mocy, tworząc fale na tętnieniu DC, mierzone pomiędzy szynami zasilającymi a ziemią
• Emisja przewodzona EMI, gdzie szum na jednym połączeniu jest przekazywany w inne miejsce do innego komponentu, obwodu lub połączenia, chociaż w komponentach cyfrowych problem ten występuje rzadziej

Należy zauważyć, że te same efekty pojawiają się przy trasowaniu par różnicowych, prowadząc do przenikania sygnałów w trybie różnicowym i EMI. Te aspekty EMI w szybkich cyfrowych PCB są związane z czasem narastania/opadania przejścia sygnału.

EMI a prędkość przełączania

Wszystkie te aspekty dotyczą prędkości przełączania sygnału w PCB. Te aspekty EMI stają się wyzwaniem w projektowaniu wysokich prędkości ze względu na szerokość pasma typowego sygnału cyfrowego. Moc w sygnale cyfrowym jest skoncentrowana od DC aż do bardzo wysokich (technicznie nieskończonych) częstotliwości. W szczególności, przybliżone oszacowanie mówi, że 70% mocy jest skoncentrowane od DC do częstotliwości kolana, która jest równa w przybliżeniu jednej trzeciej odwrotności czasu narastania/opadania sygnału (od 10% do 90%).

Gęstość widmowa mocy przykładowego sygnału cyfrowego.

Wszystko to oznacza, że gdy czas narastania jest krótszy, EMI jest bardziej intensywne. Ponieważ ogólnie nie można po prostu wybrać wolniejszych komponentów w żadnej sytuacji, projektanci muszą podjąć kilka prostych kroków, aby stłumić EMI w projektowaniu wysokich prędkości.

Wysokoczęstotliwościowe sygnały analogowe vs. wysokoprędkościowe sygnały cyfrowe

Wielu inżynierów, których uczyłem w przeszłości, nie postrzega sygnałów cyfrowych jako fal, lecz jako sygnały będące w stanie włączonym lub wyłączonym, gdzie pole elektryczne istnieje wszędzie wzdłuż połączenia przewodzącego sygnał cyfrowy. Przy bardzo niskich długościach połączeń, jest to technicznie poprawne, ale nie oznacza to, że krótkie połączenia wykazują więcej lub mniej EMI. Rosnące przejście sygnału nadal tworzy EMI w zakresie częstotliwości, a nie na pojedynczej częstotliwości.

W porównaniu do sygnałów cyfrowych, sygnały analogowe są proste. Głównym czynnikiem, o który należy się martwić, jest częstotliwość sygnału i opóźnienie propagacji spowodowane skończoną prędkością fal elektromagnetycznych. Porównanie okresu oscylacji (tj. odwrotności częstotliwości sygnału) z opóźnieniem propagacji w danym połączeniu określa, czy musisz martwić się o zachowanie linii transmisyjnej oraz czy zakończenie ścieżki staje się krytyczne.

Potencjalne Rozwiązania: Nie ma Cudownego Rozwiązania

Chociaż EMI w wysokoszybkich sygnałach cyfrowych nie może zostać całkowicie usunięte, można je tłumić za pomocą wielu metod:

• Wymiarowanie ścieżek: Prowadzenie krytycznych ścieżek bezpośrednio nad płaszczyzną masy oraz stosowanie nieco szerszych ścieżek zmniejsza indukcyjność pętli, co redukuje ilość generowanego i odbieranego przeplotu
• Miedziane połączenie z masą: Ścieżka połączona z masą może być prowadzona między agresywnymi a ofiarnymi ścieżkami na PCB, co może zapewnić około 20 dB redukcji przeplotu. Należy zauważyć, że ta ścieżka masy musi odpowiadać odniesieniu do masy zarówno dla ścieżek agresywnych, jak i ofiarnych. Wypełnienie przestrzeni między ścieżkami i różnymi blokami obwodów można również osiągnąć za pomocą poligonu połączonego z masą.
• Struktury izolacyjne: Niektóre unikalne struktury na warstwie powierzchniowej PCB mogą zapewnić izolację na bardzo wysokich częstotliwościach. Mogą to być proste jak miedziane ściany połączone z masą wokół krytycznych bloków obwodów, lub skomplikowane struktury pasma zakazanego elektromagnetycznego, używane w nowoczesnych smartfonach.
• Warstwy wewnętrzne: Nie obawiaj się prowadzenia ścieżek na warstwach wewnętrznych, ale upewnij się, że stosujesz zasady projektowania kontroli impedancji, aby zapewnić, że wewnętrzne linie paskowe będą miały odpowiednią impedancję.

Niebieska płytka PCB z gęstymi ścieżkami

Stłumienie EMI w projektowaniu wysokich prędkości z powodu przeplotu stanowi szereg wyzwań. Na szczęście możesz zweryfikować, że Twoje trasowanie nie będzie doświadczało nadmiernego przeplotu, gdy użyjesz najlepszych narzędzi do projektowania PCB dostępnych w Altium Designer^®. Będziesz miał dostęp do najlepszych narzędzi do projektowania i układania PCB, które pomagają automatyzować trasowanie i dokumentację płyty, a także będziesz miał dostęp do narzędzi analizy integralności sygnału, które pomagają projektować z myślą o odporności na EMI.

Jeśli jesteś zainteresowany dowiedzeniem się więcej o funkcjach trasowania w Altium Designer, pobierz darmową wersję próbną. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.