Wytyczne dotyczące EMI/EMC w PCB: Jak spełnić normy EMI/EMC w swoich projektach

Co by było, gdybyś postawił obok siebie dwa telefony komórkowe i nagle żaden z nich nie działał prawidłowo? Na szczęście do tego nie dochodzi, ponieważ projektanci i producenci włożyli poważne wysiłki, aby zapewnić, że te urządzenia spełniają normy EMC dotyczące przewodzonego i promieniowanego EMI. Każde urządzenie powinno spełniać normy EMC, zanim trafi na rynek.

Chociaż może to brzmieć skomplikowanie, istnieje wiele prostych strategii projektowych, które mogą pomóc twojemu kolejnemu urządzeniu przejść testy EMC. Dobrym punktem wyjścia jest zapoznanie się z różnymi organizacjami normującymi EMC i ich specyfikacjami.

Standardy EMC/EMI dla projektowania PCB

Standardy EMC dzielą się na dwie szerokie kategorie: standardy regulacyjne i standardy branżowe. Standardy regulacyjne dla twojego projektu zależą od tego, gdzie chcesz wprowadzić i sprzedawać swój produkt (niekoniecznie tam, gdzie jest on projektowany lub produkowany). Niektóre z pierwszych standardów EMC zostały ustanowione przez Komisję Łączności Federalnej USA w 1979 roku. Wspólnota Europejska później zdefiniowała własne standardy EMC, które stały się podstawą dla przyszłych standardów Unii Europejskiej, obecnie znanych jako Dyrektywa EMC - oficjalnie nazwana Dyrektywą o Kompatybilności Elektromagnetycznej (EMC) 2014/30/EU Parlamentu Europejskiego (możesz zobaczyć europejski standard tutaj).

Zgodność ze standardami branżowymi to nie tylko kwestia prawna, ale również kwestia specyficzna dla danej branży, mająca na celu zapewnienie jednolitości i interoperacyjności wśród sprzętu elektronicznego wdrażanego w określonych środowiskach i obszarach zastosowań. Efektywnie, standardy EMC w branży pełnią tę samą rolę co inne standardy branżowe dotyczące produkcji, montażu, wydajności itp. Główne organizacje standardów branżowych i organy regulacyjne definiujące wymagania EMC obejmują:

• U.S. Federal Communications Commission (FCC)
• U.S. Federal Aviation Administration (FAA)
• Underwriter Laboratories (UL)
• American Radio Technical Commission for Aeronautics (RTCA)
• Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC), poprzez Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR)
• Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO)
• Society of Automotive Engineers (SAE)
• Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)
• Wojsko USA poprzez zestaw standardów MIL-STD

Chociaż standardy IEC i CISPR są bardziej popularne w Europie, standardy IEEE są bardziej popularne w USA. W szczególności, standardy IEEE stanowią podstawę dla testów kalibracji anten. Wymagania EMC MIL-STD należą do najbardziej rygorystycznych standardów na świecie i były jednymi z pierwszych standardów adaptowanych do sektora komercyjnego dla urządzeń elektronicznych.

Szerokie Wymagania dla Zgodności ze Standardami EMC

Firmy, które wprowadzają na rynek urządzenia lub produkty niezgodne z wymogami, mogą otrzymać ostrzeżenie lub zostać ukarane znacznymi sumami pieniędzy. Niezastosowanie się do wymogów EMC stanowi również zagrożenie dla bezpieczeństwa i szkodzi reputacji firmy. Projektowanie z uwzględnieniem EMC może pomóc zapewnić, że nie otrzymasz kar cywilnych po tym, jak twoje urządzenie zejdzie z linii produkcyjnej. Projektanci podejmują kroki, aby spełnić normy EMC, rozważając EMI z dwóch perspektyw:

• Projektowanie z myślą o odporności na EMI: Zaprojektuj urządzenie tak, aby wytrzymało niechciane EMI z pobliskich urządzeń. Zazwyczaj zaczyna się to od odpowiedniego układu warstw i strategii trasowania.

• Tłumienie emitowanego EMI: Zaprojektuj urządzenie tak, aby zminimalizować emitowane przez nie promieniowanie. Układ warstw, strategia uziemienia, rozmieszczenie komponentów, a możliwe także ekranowanie, odgrywają tutaj rolę.

• Tłumienie przewodzonego EMI: Przewodzone EMI przyjmuje kilka form, takich jak sprzężony szum wspólny lub różnicowy, szum przełączania z regulatorów SMPS, lub harmoniczne odbierane z sieci.

• Szybkie transjenty lub fluktuacje mocy: Te typy szumów pojawiają się jako serie wstrzykniętych impulsów, krótkie przerwy w napięciu, okresowe przerwy lub skoki mocy. Projekt powinien zapobiegać pojawianiu się tych jako szum na wyjściu lub obciążeniu. Wymagania te mają zastosowanie w projektach z krótkimi kablami lub wejściami AC, odpowiednio.

• Tłumienie przepięć i ESD: Zazwyczaj skupiamy się na hałasie, gdy dyskutujemy o EMI/EMC, ale odporność na przepięcia i ESD to również ważne aspekty projektowania zgodnego ze standardami EMC.

Pomiar EMC promieniowanego za pomocą sondy bliskiego pola

Niektóre strategie zwiększające szanse na spełnienie testów standardów EMC

Istnieje kilka podstawowych praktyk projektowych, których każdy projektant powinien używać, aby zapewnić, że ich płytki przejdą nawet podstawowe kontrole EMC.

Układ warstw, zasilanie i uziemienie

Strategia zgodności z EMC zaczyna się od układu warstw. Projektowanie płytki z systemem uziemienia o niskiej indukcyjności ma największy wpływ na minimalizację podatności na EMI. W przypadku płyt wielowarstwowych należy umieścić płaszczyznę uziemienia bezpośrednio pod warstwami sygnałowymi, aby zminimalizować indukcyjność pętli.

Zakłócenia w sygnałach o niskim poziomie prowadzą do niższych stosunków sygnał/szum. Dlatego dobrym pomysłem jest prowadzenie tych sygnałów na wewnętrznej warstwie. Jeśli masz wystarczającą liczbę warstw w swoim układzie, umieść te ścieżki między dwoma płaszczyznami uziemienia, a następnie umieść swoją płaszczyznę zasilania poniżej najniższej płaszczyzny uziemienia. Umieszczenie płaszczyzny zasilania blisko płaszczyzny uziemienia zapewnia silne sprzężenie pojemnościowe. Jakikolwiek szum lub przewodzone EMI w płaszczyźnie zasilania łatwo przeniknie do pobliskiej płaszczyzny uziemienia, zamiast zakłócać sygnały.

Bądź ostrożny, prowadząc sygnały z wewnętrznej warstwy na warstwę powierzchniową, ponieważ musisz utrzymać ścisłe sprzężenie. Możesz utrzymać sprzężenie z płaszczyzną odniesienia, umieszczając w pobliżu równoległą przejściówkę między płaszczyzną masową a warstwą powierzchniową. Inne problemy EMC, takie jak prowadzenie i rozmieszczanie zegara, mogą być problematyczne i tworzyć nadmierny szum, szczególnie przy zmianie płaszczyzn odniesienia w wielowarstwowej płytce PCB. Jeśli to możliwe, staraj się nie używać protokołów wymagających zewnętrznego oscylatora referencyjnego, a zamiast tego używaj protokołów z wbudowanym zegarem. Niektóre protokoły, takie jak DDR, używają zegara różnicowego zsynchronizowanego ze źródłem, który będzie miał niższe promieniowane EMI niż pojedyncze połączenie zegarowe (patrz poniżej odnośnie par różnicowych).

Wprowadzanie ekranowania

Rozsądne użycie ekranowania to kolejna strategia zapewniająca twojej płytce odporność na promieniowane EMI. To również tłumi EMI promieniowane z dala od twojej płytki. Jeśli pracujesz z urządzeniem bezprzewodowym, możesz po prostu umieścić antenę na zewnątrz ekranowania, aby mogła nadal wysyłać i odbierać sygnały.

Najprostszym rozwiązaniem jest po prostu użycie uziemionego ekranowania, które utworzy klatkę Faradaya wokół wrażliwych komponentów i ścieżek. Nie wszystkie projekty i komponenty będą mogły wykorzystać to rozwiązanie. Dlatego możesz potrzebować bardziej zaawansowanej metody ekranowania. Jeśli używasz jednolitej płaszczyzny uziemienia wewnątrz swojej płytki (i tak powinieneś to robić), uziemiona bariera z przelotkami wokół krawędzi płytki oraz przeszycie przelotkami na obszarach z miedzianym zalaniem zapewnią podobną ochronę.

Ekranowanie może służyć do tłumienia promieniowanego EMI

Puszki ekranujące są prawdopodobnie najczęstszą formą ekranowania, o której każdy myśli, ale to nie jedyny możliwy typ ekranowania, który może być użyty do zwalczania EMI. Inne unikalne materiały ekranujące, które mogą zapewnić szerokopasmowe tłumienie EMI, obejmują:

• Piankowe lub elastomerowe materiały uszczelniające, które absorbują emisje RF
• Materiały z siatki drucianej, które mogą być montowane do obudowy
• Metalowe taśmy, które mogą być używane dla łączących się powierzchni lub w niektórych miejscach na płytce
• Powłoki konformalne z absorpcją w problematycznym paśmie częstotliwości
• Ferryty, które mogą być bezpośrednio przymocowane do obudowy lub zespołów kablowych

Te inne typy ekranowania mogą być wdrożone na płytce lub w obudowie, gdy inne rozwiązania stosowane na PCB zawiodą. Osobiście polecałbym użycie puszek ekranujących i niektórych z tych innych materiałów tylko po zaimplementowaniu całego zakresu rozwiązań na poziomie płytki.

Układ i trasowanie sygnałów mieszanych

Niektóre urządzenia mogą potrzebować manipulacji danymi cyfrowymi oraz obsługi sygnałów analogowych, co czyni je urządzeniami o mieszanych sygnałach. Dobrym pomysłem jest próba oddzielenia cyfrowych, niskoczęstotliwościowych analogowych oraz RF analogowych sekcji płytki na różne obszary układu PCB. Zawsze warto zadbać o to, by te sekcje miały swoje dedykowane obszary w warstwie masy, ale warstwa masy powinna być zachowana jako ciągła. Oznacza to, że wyzwaniem jest tutaj śledzenie ścieżki powrotnej wokół płytki. Cel jest podwójny: zapobieganie zakłóceniom między różnymi sekcjami płytki, a także zapewnienie, że sygnały nie mają dużych indukcyjności pętli poprzez prowadzenie ich nad masą na sąsiedniej warstwie. Aby dowiedzieć się więcej o strategiach uziemienia w urządzeniach o mieszanych sygnałach, przeczytaj ten artykuł.

Kondensatory omijające/dekuplujące na magistrali zasilania

Na koniec, należy zrozumieć, że szum na magistrali zasilającej tworzy EMI, które może być promieniowane z krawędzi płytki. Wymaga to odpowiedniego projektowania układu warstw, umiejscowienia kondensatorów do obwodów bypass/dekuplujących oraz rozmieszczenia par płaszczyzn odniesienia/zasilania. Redukcja szumu na magistrali zasilającej w zaawansowanych systemach cyfrowych z wieloma wejściami/wyjściami jest tak samo problemem integralności zasilania, jak i problemem EMI/EMC, dlatego skup się na zrozumieniu podstaw integralności zasilania, aby poradzić sobie z tymi problemami.

Projektowanie zgodnie ze standardami EMI/EMC dla projektowania PCB wymaga odpowiednich narzędzi do układania, aby wdrożyć rozwiązania na poziomie płytki. Altium Designer^® zapewnia wszystko, co jest potrzebne do stworzenia zgodnego układu lub wykonania przeróbek w razie potrzeby. Altium Designer to wiodąca na rynku platforma CAD, która zapewnia również integrację z najnowocześniejszymi aplikacjami do symulacji SI, PI i EMI/EMC. Gdy zakończysz projektowanie i chcesz wysłać pliki do producenta, platforma Altium 365^™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.