Co powoduje efekt dzwonienia na płycie PCB i jak mu przeciwdziałać?

^{Obwody cyfrowe są bardzo wrażliwe na tzw. efekt dzwonienia. Źródło: Dikiiy / Shutterstock.com}

W moim pierwszym laboratorium elektrotechnicznym postanowiliśmy zbudować obwód, którego celem było odbijanie wyjścia przełącznika. Pamiętam, że widziałem faktyczny, nagły skok sygnału, a następnie sygnał wyjściowy na ekranie oscyloskopu. Czułem się bardzo nieswojo z tym, że teoretycznie coś tak błahego może być wynikiem czegoś tak… kłopotliwego. Na szczęście nie wiedziałem wtedy jeszcze o tym, że to dopiero początek moich zmartwień związanych z badaniem częstotliwości sygnału i artefaktów. Tzw. efekt dzwonienia na płycie drukowanej jest jednym z tych efektów, które w ostatecznym rozrachunku mogą być szczególnie frustrujące w aspekcie wydajności finalnego produktu. 

Czym jest efekt dzwonienia?

Gdy mówimy o płytach drukowanych lub innych systemach elektronicznych, ich dzwonienie jest tak naprawdę napięciem lub wyjściem prądowym, które oscyluje w sposób podobny do drgania tafli stawu. Oscylacja jest natomiast odpowiedzią na nagłą zmianę sygnału wyjściowego, taką jak jego włączanie czy też przełączenie.

Oscylacja odbiera przeważnie częstotliwość sygnału wyjściowego z tolerancji zarówno wysokiego, jak i niskiego poziomu, stopniowo ją wygładzając. Czas, potrzebny na oscylację mieszczącą się w dopuszczalnym zakresie błędu nazywamy natomiast czasem osiadania.

Ze względu na charakterystyczny kształt sygnału wyjściowego na oscyloskopie, dzwonienie jest czasami nazywane „marszczeniem”. Marszczenie to odnosi się przeważnie do wyjścia przy wykorzystaniu zasilacza impulsowego typu AC, jeśli tylko samo zasilanie nie tłumi należycie prądu przemiennego.    

Co dokładnie powoduje dzwonienie?

Źródło dzwonienia, poza samym zasilaniem, zależy w znacznej mierze od tego, czy ścieżki na Twojej płycie PCB są „długie”, czy krótkie. Główną zasadą jest tutaj to, że ścieżki uważane są za zbyt „długie”, gdy okres ich propagacji w obie strony (do momentu obciążenia i z powrotem) jest porównywalny z czasem narastania sygnału w obwodach cyfrowych. Jeśli pracujesz z liniami paskowymi lub mikropaskami, całość staje się wówczas nieco bardziej skomplikowana i w takim przypadku polecam stronę Glena Dasha, która jest dobrym punktem wyjścia w kontekście nauki o optymalnych długościach linii i co za tym idzie, minimalizowana w swojej pracy dzwonienia i podobnych efektów.

Wróćmy jednak do długich i krótkich ścieżek… Jeśli są one za krótkie, to dzwonienie może być spowodowane tzw. pasożytniczą indukcyjnością i pojemnością. Impuls lub nagła zmiana sygnału wyjściowego powodują, że komponenty pasożytnicze rezonują w swoim charakterystycznym zakresie częstotliwości, wywołując przy wyjściu efekt dzwonienia. W przypadku dłuższych ścieżek przyczyną dzwonienia jest prawdopodobnie odbicie sygnału wywołane przez niedopasowanie impedancji.

^{Hałas wywołany przez sygnał przysporzył mi sporo nerwów gdy byłem studentem, ale w przemyśle może mieć katastrofalne konsekwencje.}

Jak dzwonienie wpływa na Twój układ?

Jeśli głośny oscyloskop nie wprawia Cię w kryzys egzystencjalny, to świetnie. Twoje rachunki za leczenie na pewno będą niższe. Mimo to uwierz, że omawiany tu efekt dzwonienia może mieć negatywny wpływ na Twoje życie i sam projekt całej płyty PCB.

Zwiększona interferencja elektromagnetyczna (w skrócie: EMI): dzwonienie może i bardzo często powoduje różnego rodzaju szumy i zakłócenia. EMI może promieniować, a nawet przewodzić na obszarze całej płyty, przynosząc ze sobą wszelkie problemy związane z wydajnością.

Zwiększony przepływ prądu: dzwonienie zwiększa przepływ prądu w obwodach. Powoduje to nie tylko wzrost mocy pobieranej przez produkt (i krótszy czas pracy zasilacza), ale też komponenty znajdujące się na płycie doświadczają przez to nieoczekiwanego przegrzania. Może to zmniejszyć nie tylko funkcjonalność, ale i żywotność produktu.

Zmniejszona wydajność: wraz ze spadkiem wydajności spowodowanym zwiększonym przepływem prądu i przegrzewaniem się komponentów, efekt dzwonienia negatywnie wpływa na wydajność wielu różnych wskaźników. Co więcej, biorąc pod uwagę opóźnienie wynikające z czasu osiadania, spada zdolność reakcji obwodów. Pogorszeniu ulegnie ponadto stopień rozdzielczości wyjść Twojego projektu PCB.

Dzwonienie jest szczególnie szkodliwe, gdy korzystasz z obwodów cyfrowych. Twój układ cierpi wówczas na wszystkie omówione wyżej problemy, a dodatkowo jego próg jest znacznie niżej. Połączmy to z szumem na szynach zasilających, a otrzymamy nagle masę problemów i niemal pewność, co do uszkodzenia danych na płycie.

Słyszalne sprzężenie zwrotne: w różnego rodzaju aplikacjach audio i wideo pojawia się szczególny przypadek dzwonienia. Szmery występują tam w szerokim zakresie i są słyszalne przy wyjściach. Mało tego, dzwonienie tworzy również bardzo wyraźne artefakty na ekranach wideo.

^{W aplikacjach audio i wideo dzwonienie może wyraźnie wpłynąć na Twoje wyjścia.}

Jak mogę przeciwdziałać dzwonieniu?

Dzwonienie może być zarówno jedynie irytujące, jak i katastrofalne w skutkach dla całego układu. Dokładna optymalizacja systemu ma więc kluczowe znaczenie dla ostatecznej wydajności Twojego projektu. Po pierwsze, musisz zmniejszyć pasożytniczą indukcyjność i pojemność. Po drugie, należy zredukować długość węzłów, szczególnie wokół komponentów na płycie, które wydzielają znaczny poziom mocy. Dopasuj również stopień impedancji, która pozwoli Ci zminimalizować niepożądane odbicia sygnału. Samo dopasowanie impedancji to skomplikowany proces, który różni się w zależności od wykorzystywanej aplikacji, więc w tym przypadku gorąco polecam zapoznanie się z artykułami technicznymi Texas Instruments, które dostarczają w tym zakresie wiele szczegółowych porad.

Niestety, żaden istniejący program nie jest w stanie sprawdzić każdego pojedynczego źródła możliwych zakłóceń, dlatego posiadanie tego najlepszego, może znacznie pomóc Ci w pracy. Dzięki temu możesz skupić się na najważniejszych wyzwaniach, z którymi mierzą się projektanci PCB, a nie bawić się w kotka i myszkę, optymalizując wszystkie parametry swojej płyty. Dostawcą jednego z najlepszych systemów do projektowania PCB jest firma Altium, a mowa tu oczywiście o Altium Designer^®, który w czasie Twojej pracy ciągle weryfikuje wiele błędów i zmiennych, odciążając Cię przy tym, byś mógł skupić się na projektowaniu. Daje Ci to również więcej czasu na to, aby prowadzić dysputy filozoficzne dotyczące implikacji hałaśliwych obwodów… Albo możesz po prostu spędzić więcej czasu, ciesząc się życiem. Masz dodatkowe pytania dotyczące efektu dzwonienia? Skontaktuj się ze specjalistami z Altium.