Opanowanie kontroli EMI w projektowaniu PCB: Jak sygnały propagują się w PCB

Projektowanie płytek drukowanych (PCB) w kontekście kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) wymaga solidnego zrozumienia propagacji sygnału z perspektywy pól elektromagnetycznych i prądów. Te pojęcia są istotne, ponieważ pomagają nam projektować PCB o niskich poziomach emisji pól elektromagnetycznych oraz niskiej podatności na emisje lub zakłócenia zewnętrzne.

W tym pierwszym artykule serii Mistrzostwo w Kontroli EMI w Projektowaniu PCB zagłębimy się w te pojęcia i zobaczymy, jak zastosować je w projektowaniu płytek drukowanych.

Koncepcja propagacji sygnału w linii transmisyjnej

Rozważając, jak sygnał propaguje się w PCB, ważne jest, aby przejść od analogii wody przepływającej przez rury do myślenia w kategoriach pól elektromagnetycznych i linii transmisyjnych. Linia transmisyjna to struktura zaprojektowana do przesyłania energii w postaci uwięzionych pól elektromagnetycznych z jednego punktu do drugiego. W kontekście płytek drukowanych linia transmisyjna składa się z co najmniej dwóch przewodników. Oba przewodniki są równie ważne w utrzymywaniu pól elektromagnetycznych i prowadzeniu ich z jednego punktu do drugiego w obwodzie. Jeśli jeden z dwóch przewodników jest nieobecny, pola elektromagnetyczne, które składają się na sygnały, są pozostawione bez nadzoru, co może prowadzić do niepowodzeń w testach EMC z powodu rozprzestrzeniania się tych pól.

Bardzo ważnym pojęciem, które się stąd wyłania, jest to, że sygnał elektromagnetyczny nie jest uwięziony w przewodniku, lecz w przestrzeni między dwoma przewodnikami, w dielektryku i otaczającym go. Naszym celem w kontekście EMC jest maksymalizacja pól elektromagnetycznych zawartych między dwoma przewodnikami oraz redukcja pól elektromagnetycznych je otaczających.

Rysunek 1 - Reprezentacja propagacji sygnału cyfrowego w PCB

W PCB dwa przewodniki używane do propagacji sygnału to przewodnik potencjału sygnałowego oraz przewodnik powrotu i potencjału odniesienia. Najłatwiej wyobrazić to sobie na płytce dwuwarstwowej, gdzie górna warstwa podłączona do źródła sygnału służy do prowadzenia ścieżek sygnałowych, a dolna warstwa to stała miedź podłączona do źródła sygnału, ale także do potencjału odniesienia sygnału (patrz Rysunek 1). To, co nazywamy sygnałem, to pole elektromagnetyczne zawarte między tymi dwoma przewodnikami. Oznacza to, że sygnał nie jest uwięziony w jednym przewodniku, lecz jest energią elektromagnetyczną zawartą w dielektryku między tymi dwoma przewodnikami. Oznacza to również, że właściwości materiału dielektrycznego wpływają na propagację sygnału, szczególnie na jego wpływ na prędkość, z jaką sygnał (lub fala EM) się propaguje, co jest prędkością światła w dielektryku. Będą punkty między dwoma przewodnikami, gdzie sygnał jest obecny, i punkty, gdzie sygnał jeszcze nie dotarł. W przypadku sygnału cyfrowego punkt między tymi dwoma strefami, gdzie mamy pełny sygnał i gdzie sygnał jeszcze nie dotarł, nazywamy krawędzią sygnału lub czołem fali sygnału. To jest punkt przejścia z logiki niskiego poziomu do logiki wysokiego poziomu w sygnale cyfrowym.

W kontekście EMC ten punkt jest niezwykle ważny, ponieważ to właśnie tutaj pola elektryczne i magnetyczne przechodzą z niskiego do wysokiego między przewodnikami. Im szybciej zmienia się ten stan energii, co oznacza, że sygnał przechodzi z niskiego do wysokiego poziomu logiki, tym więcej zmian energii jest skompresowanych w krótkim czasie. W miarę jak sygnał propaguje się z jego źródła do celu w linii transmisyjnej, czoło fali sygnału lub krawędź sygnału prowadzi propagację sygnału.

Prąd naprzód, prąd zwrotny i prąd przesunięcia

Kolejnym ważnym pojęciem jest to, że jeśli śledzimy krawędź sygnału w miarę jej propagacji, zobaczymy, że ponieważ wiodąca krawędź jest zmianą pola elektromagnetycznego, generuje to prąd przesunięcia w dielektryku między dwoma przewodnikami. Zjawisko to jest wyjaśnione przez cztery równania Maxwella, które zebrano razem przez Olivera Heaviside'a, szczególnie prawo Ampere'a-Maxwella. Najłatwiej wyobrazić to sobie, myśląc o tym, jak prąd płynie przez kondensator, gdy zastosowane jest źródło AC (patrz Rysunek 2).

Rysunek 2 - Kondensator (a) bez zastosowanych pól E (b) zastosowane pole E dodatnie (c) zastosowane pole E ujemne

W rzeczywistości nie ma prądu przewodzenia między płytkami kondensatora a jego dielektrykiem, ale związane ładunki zawarte w dielektryku po prostu polaryzują się (przesuwają) w odpowiedzi na zastosowane pola płyt kondensatora. Wygląda to tak, jakby prąd przewodzenia płynął przez płytkę kondensatora. Pojęcie prądu przesunięcia jest ważne, aby zrozumieć, jak możliwe jest tworzenie prądu podczas propagacji sygnału, zwłaszcza przed dotarciem do obciążenia. Jak uczono na zajęciach z klasycznej teorii obwodów, prąd zawsze płynie w pętlach. Jak więc możliwe jest, że mamy prąd nawet przed dotarciem sygnału do obciążenia, a tym samym przed ustanowieniem ciągłego prądu przewodzenia, który płynie od źródła do obciążenia, a następnie z powrotem do źródła, aby utwor zyć pętlę prądową? To możliwe dzięki prądowi przesunięcia, który pozwala prądowi wciąż płynąć w pętlach w miarę propagacji sygnału. Bez prądu przesunięcia, mając tylko prąd przewodzenia, nie mielibyśmy propagacji sygnału, ponieważ pętla prądowa stworzona tylko przez prąd przewodzenia nie mogłaby zamknąć pętli przed dotarciem do obciążenia. Oznaczałoby to, że prąd przewodzenia musiałby przepływać przez dielektryk, co z definicji nie jest możliwe. Ale dzięki temu pozornemu prądowi, prądowi przesunięcia, pętla jest zamykana natychmiastowo w miarę propagacji sygnału.

Połączenie prądu przewodzenia i prądu przesunięcia skutkuje pętlą prądową, która propaguje się zgodnie z krawędzią sygnału. Ta pętla prądowa, jak pokazano na Rysunku 3, może być podzielona na trzy części:

Rysunek 3 - Pętla prądowa i prąd przesunięcia

• Prąd naprzód, który płynie w kierunku sygnału w stronę obciążenia na przewodniku na górnej warstwie.
• Prąd zwrotny, który płynie w przeciwnym kierunku do sygnału z powrotem do źródła na przewodniku dolnej strony.
• Prąd przesunięcia, który łączy pozostałe dwie części prądu, „płynąc” przez dielektryk między przewodnikami i podążając za krawędzią sygnału.

Zawieranie energii sygnału w celu kontrolowania EMI

Zarządzanie zawartością pól elektromagnetycznych między przewodnikami i kontrolowanie ścieżki przepływu prądu jest niezwykle ważne dla projektowania płytek PCB, które nie tylko przewyższają, ale także wyróżniają się w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej i integralności sygnału (patrz Rysunek 4).

Rysunek 4 - Przykład zaawansowanego projektu PCB z widokiem 3D Altium Designer®

To podejście pozwala nam kontrolować emisje u źródła i unikać projektowania struktur PCB, które pozwalają na sprzęganie zakłóceń zewnętrznych.

W następnym artykule z serii omówimy, jak poprawić rozmieszczenie komponentów, aby skutecznie zredukować EMI. Aby nie przegapić tego artykułu, śledź nasze strony i media społecznościowe.

Wnioski

Aby zaprojektować PCB, które spełniają te wysokie standardy, potrzebujesz zaawansowanych narzędzi, które zapewniają precyzyjną kontrolę nad każdym aspektem twojego projektu. Altium Designer® oferuje kompletny zestaw funkcji projektowania i symulacji PCB, zapewniając, że twoje projekty spełniają wszystkie wymagania projektowe. Zintegrowany silnik zasad projektowych oraz narzędzia symulacyjne online pomagają w weryfikacji zgodności z twoimi specyfikacjami projektowymi podczas trasowania PCB.

Gdy twój projekt jest ukończony, bezproblemowo udostępnij pliki swojemu producentowi za pomocą platformy Altium 365™, która upraszcza współpracę i udostępnianie projektów.

Możesz rozpocząć bezpłatny okres próbny Altium Designer + Altium 365 już dziś i przenieść swoje projekty PCB na wyższy poziom.