Овладение контролем ЭМИ в дизайне печатных плат: размещение компонентов для ЭМС

В этой второй статье серии Освоение контроля за ЭМИ в дизайне печатных плат мы более подробно рассмотрим один из ключевых концептов для поддержания низких уровней электромагнитных помех (ЭМИ).

Разделение платы, также известное как партитурирование платы, является методом, используемым для организации различных частей схемы печатной платы (PCB), чтобы держать их разделёнными. Это улучшает общую производительность платы, особенно с точки зрения ЭМИ. Этот метод не только помогает уменьшить электромагнитные помехи, но и повышает целостность сигнала дизайна PCB.

Принципы, лежащие в основе этих техник, включают:

1. Содержание высокоэнергетического содержимого высокочастотных цифровых сигналов.
2. Избегание общего импедансного связывания между различными типами схем внутри платы.
3. Уменьшение площадей токовых петель для снижения излучений и повышения иммунитета к внешним помехам.

Высокоскоростные против низкоскоростных сигналов и их гармоники

Первый концепт включает контроль за высокоэнергетическим гармоническим содержимым, производимым быстро переключающимися сигналами и тем, как быстро их ток изменяется со временем. Более высокая скорость изменения тока приводит к большей гармонической энергии в сигналах, увеличивая вероятность излучения.

Второй концепт заключается в том, что возвратный ток сигнала изменяется в зависимости от частоты сигнала. Это связано с тем, что импеданс, с которым сталкивается сигнал во время распространения, состоит не только из сопротивления проводников, но также их емкости и, что наиболее важно, их петлевой индуктивности. По мере увеличения частоты сигнала индуктивная составляющая импеданса (которая зависит от частоты) становится больше.

Различия в путях возврата

Поскольку ток всегда ищет путь наименьшего импеданса, важно понимать, что с увеличением частоты сигнала возвратный ток тесно следует за током сигнала, чтобы минимизировать индуктивную петлю. Напротив, при низких частотах сигнала, когда индуктивность становится мала, преобладающим становится резистивный компонент импеданса.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

На этом этапе возвратный ток распространяется по поверхности проводника, чтобы найти путь наименьшего сопротивления. Критический момент для дизайнеров печатных плат заключается в том, что путь возврата тока к источнику зависит от частоты сигнала.

Рисунок 1 - Пример различных путей возврата тока на основе частоты в Altium Designer

Наша задача как разработчиков печатных плат заключается в минимизации взаимного влияния токов возврата для избежания совместного импедансного связывания, которое может привести к электромагнитным излучениям. Для достижения этого мы можем создать специфические зоны или секции на печатной плате, каждая из которых предназначена для определенного типа схемотехники. Это также сокращает петли тока, что приводит к уменьшению излучения от дифференциальных токов.

Может показаться заманчивым создать разделение в Плоскости Возврата Ссылки (RRP), чтобы дополнительно изолировать пути возвратного тока от различных схем. Однако этот подход не соответствует лучшим практикам по ЭМС, поскольку он создает разницу напряжений между двумя металлическими областями, формируя структуру, подобную антенне, которая может вызвать электромагнитные излучения.

Рисунок 2 - Пример неправильного разделения плоскости в Altium Designer

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More

Решение заключается в реализации сплошной плоскости возврата с низким импедансом, которая позволяет току возврата найти предпочтительный путь обратно к источнику. Эта плоскость не должна иметь разрезов, разделений или больших промежутков, которые могут служить источниками шума общего режима. Затем размещение компонентов должно быть разделено на отдельные секции путем распределения компонентов в зависимости от их типа схемотехники и функции.

Для платы со смешанными сигналами типичное разделение включает в себя выделение цифрового сегмента, сегмента питания, аналогового сегмента, сегмента ввода/вывода и, при необходимости, сегмента фильтрации. Например, цифровой сегмент должен располагаться подальше от других компонентов. Хотя ток возврата будет тесно следовать за сигнальными дорожками, высокая энергия в гармонических составляющих сигналов будет более эффективно излучаться и может связываться с другими сегментами платы.

Примером этого может служить ситуация, когда сигнал часов связывается с другими цепями в других частях платы, такими как сегменты питания и аналоговые сегменты, к которым могут быть подключены кабели, действующие как антенны, способствующие излучениям.

Антенные Структуры с Кабелями

Сегмент ввода/вывода критически важен не только для ограничения инъекции шума в кабели, но и для обеспечения дополнительной изоляции через методы фильтрации и экранирования для уменьшения внешних помех или ограничения излучения шума от платы. При размещении компонентов необходимо учитывать кабели и окружающие устройства или структуры. Цифровой сегмент должен быть расположен подальше от этой зоны ввода/вывода, идеально – внутри платы, подальше от краёв, чтобы избежать связывания высокоэнергетического гармонического содержания с кабелями или излучения от краёв.

Рисунок 3 - Пример неправильного разделения плоскости в Altium Designer

Кроме того, рекомендуется размещать все входные и выходные кабели с одной стороны платы, а не с нескольких краев, чтобы предотвратить различия в напряжении между кабелями и избежать создания антенноподобных структур, которые могут способствовать излучению цифровых сигналов или шума.

Заключение

Следуя этим рекомендациям, вы можете эффективно снизить излучаемые помехи и ограничить проникновение внешних помех в вашу конструкцию.

В следующей статье мы рассмотрим, как выбрать оптимальную структуру многослойной печатной платы для улучшения характеристик ЭМП и снижения рисков. Не забудьте следить за нашими страницами и социальными сетями для получения дополнительных сведений.

Достижение этих высоких стандартов в дизайне печатных плат требует набора инструментов, обеспечивающих точный контроль над каждым аспектом вашего проекта. Altium Designer^® предлагает комплексный набор функций для проектирования, размещения и симуляции печатных плат, обеспечивая соответствие вашего проекта всем требованиям и упрощая процесс разделения платы.

Интегрированный движок правил проектирования и онлайн-инструменты симуляции помогают проверять соответствие вашего проекта спецификациям в процессе трассировки печатной платы, обеспечивая высочайшие стандарты дизайна. По завершении вы можете без проблем передать файлы вашему производителю с использованием платформы Altium 365^™, упрощая сотрудничество и обмен проектами.

Вы можете начать свою бесплатную пробную версию Altium Designer^® + Altium 365^™ уже сегодня и поднять ваши проекты печатных плат на новый уровень.