Овладение контролем ЭМИ в дизайне печатных плат: Предотвращение перекрестных помех для лучшего ЭМИ

Добро пожаловать в шестую статью серии Освоение контроля ЭМП в дизайне печатных плат. В этой статье мы рассмотрим, как перекрестные помехи могут влиять как на целостность сигнала, так и на электромагнитные помехи, и обсудим, какие шаги следует предпринять для решения этой проблемы в наших проектах.

Рисунок 1 - Пример дизайна печатной платы в Altium Designer^®

Перекрестные помехи - одна из наиболее часто встречающихся проблем в современных дизайнах печатных плат (PCB). По мере увеличения плотности размещения компонентов на печатных платах, это явление становится еще более распространенным. Тенденция к интеграции большего количества высокоскоростных интерфейсов во все меньшие области платы усугубляет проблему, поскольку компактные размещения приводят к более тесному соседству дорожек, что значительно увеличивает вероятность возникновения перекрестных помех.

В сущности, перекрестные помехи относятся к непреднамеренной передаче электрического сигнала от одной цепи (или дорожки) к другой. Это происходит, когда электромагнитное поле, создаваемое сигналом, проходящим по одной дорожке, взаимодействует с соседней дорожкой. В этом контексте дорожка, по которой проходит исходный сигнал, обычно называется "Агрессором", в то время как дорожка, которая получает нежелательный сигнал, известна как "Жертва".

Рисунок 2 - Пример проявления перекрестных помех в схеме

В области электромагнитных помех (ЭМП) перекрестные помехи становятся очень важными, поскольку они могут быть не только причиной внутренних помех в системе, но также могут стать источником электромагнитных излучений, которые мешают другим устройствам. Важно понимать, что перекрестные помехи происходят не только между сигнальными дорожками, где протекает ток сигнала, но также и на возвратных опорных проводниках, где ток возвращается к своему источнику. Именно здесь происходят такие явления, как «подпрыгивание земли», которое также является случаем перекрестных помех, происходящих на возвратном опорном проводнике.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Понимание перекрестных помех и их воздействия

Явление перекрестных помех возникает по двум основным причинам: емкостной и индуктивной связи между проводниками. Когда две или более дорожки проложены слишком близко друг к другу, и когда напряжение и ток сигнала изменяются со временем, краевые поля (электрические и магнитные поля) на краях сигнальных дорожек (называемые Агрессорами) могут связываться с близлежащими дорожками (Жертвами), что приводит к нежелательному шуму на этих близлежащих дорожках.

Задача дизайнера печатных плат, с точки зрения снижения перекрестных помех и эффективного уменьшения ЭМП, заключается в минимизации воздействия этих краевых полей на другие проводники, чтобы шум не распространялся с одной дорожки на другую.

Рисунок 3 - Пример индуктивной и емкостной связи между сигнальными дорожками

С точки зрения ЭМП, это становится проблемой, когда шум вызывает излучения либо от дорожек печатной платы, либо от проводов, подключенных к этим дорожкам, либо от проводников.

Типы перекрестных помех

При рассмотрении перекрестных помех также важно различать два типа: Перекрестные помехи на ближнем конце (NEXT) и Перекрестные помехи на дальнем конце (FEXT).

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Перекрестные помехи на ближнем конце, также называемые NEXT, - это тип перекрестных помех, возникающих на том же конце линии передачи, где передается сигнал. По сути, это помехи, которые подхватывает близлежащий проводник на передающем конце цепи.

Перекрестные помехи на дальнем конце, или FEXT, относятся к перекрестным помехам, возникающим на противоположном конце линии передачи от места передачи сигнала. Это помехи, которые подхватывает близлежащий проводник на приемном конце цепи. Ключевое отличие заключается в том, что NEXT возникает ближе к источнику, в то время как FEXT возникает ближе к пункту назначения. NEXT происходит в обратном направлении распространения сигнала (назад), тогда как FEXT происходит в направлении распространения сигнала (вперед).

Практические примеры и стратегии размещения в Altium Designer^®

Не углубляясь в сложности перекрестных помех сигналов, которые могли бы занять целую серию, существует несколько способов уменьшить их воздействие. Большинство этих методов зависит от того, как мы проектируем размещение на печатной плате, что означает, что геометрическое проектирование печатной платы становится очень важным. Наиболее эффективные способы уменьшения перекрестных помех, фактически, связаны с тем, как мы располагаем проводники относительно друг друга на печатной плате.

Одной из первых стратегий, которую мы можем использовать, является увеличение расстояния между проводниками, чтобы электрические и магнитные поля не связывались друг с другом.

Рисунок 4 - Пример расстояния между сигнальными дорожками до и после улучшения

SPICE: Certainty for All Decisions

Design, validate, and verify the most advanced schematics.

Learn More

Еще одна техника, которую мы можем использовать, заключается в уменьшении пространства между сигнальными дорожками и плоскостью возврата. Это плотно свяжет сигнальные поля с их плоскостями возврата, уменьшая распространение этих полей на другие проводники.

Также уменьшение длины обоих проводников, сигнального проводника и проводника возврата, уменьшит количество связи между различными сетями. Это также интуитивно понятно, поскольку чем меньше проводник подвергается воздействию, тем меньше шансов, что шум сможет связаться с другими проводниками.

Рисунок 5 - 3D вид плотно связанных сигнальных и возвратных опорных плоскостей в Altium Designer^®

Еще один распространенный метод уменьшения перекрестных помех, который эффективно применяется к интегральным схемам, разъемам и трассам печатных плат, заключается в использовании нескольких проводников для возвратного пути различных сигналов.

Это означает, например, использование нескольких возвратных путей при использовании ленточных кабелей или других соединителей, вместо использования одного единственного возвратного проводника для нескольких сигнальных цепей.

Стратегии моделирования с Altium Designer^®

Вместо того чтобы полагаться на обоснованные предположения о перекрестных помехах в нашей схеме расположения, важно использовать передовые инструменты для точных расчетов.

Функция Интегральной Целостности Сигнала, встроенная в Altium Designer^®, является мощным инструментом для этой цели. Эта функция позволяет нам моделировать и анализировать перекрестные помехи по трассам печатных плат, обеспечивая точные прогнозы и более глубокое понимание уровней перекрестных помех. Используя этот инструмент, мы можем уточнить и оптимизировать наш дизайн с большей точностью.

Рисунок 6 - Пример моделирования перекрестных помех в Altium Designer^®

Инструмент проверки целостности сигнала предоставляет подробные симуляции, которые помогают нам оценить различные компромиссы в дизайне. Понимание этих компромиссов критически важно для минимизации помех и достижения оптимальной производительности. Инсайты, полученные с помощью этого инструмента, намного надежнее, чем те, что можно получить, полагаясь только на догадки.

Рисунок 7 - Пример оценки перекрестных помех с использованием инструмента проверки целостности сигнала в Altium Designer^®

Использование этого продвинутого инструмента помогает нам принимать обоснованные решения, согласуя потребности в производительности с ограничениями компоновки. Такой подход повышает как надежность, так и функциональность нашей схемы, улучшая целостность сигнала и производительность по электромагнитной совместимости (EMI), а также повышая общую эффективность дизайна.

Заключение

В заключение, для эффективного снижения перекрестных помех и улучшения производительности по EMI наших печатных плат у нас есть несколько стратегий. Использование встроенного инструмента проверки целостности сигнала в Altium Designer незаменимо для точного прогнозирования и снижения перекрестных помех в наших компоновках печатных плат. Этот инструмент позволяет нам принимать решения, основанные на данных, обеспечивая соответствие наших дизайнов требуемым спецификациям и надежную работу в различных условиях.

Если вы пропустили какие-либо из предыдущих статей в обширной серии "Освоение контроля EMI в дизайне печатных плат", мы настоятельно рекомендуем посетить страницы Altium, чтобы ознакомиться со всем полезным контентом.

Кроме того, обязательно подписывайтесь на Altium в различных социальных сетях, чтобы оставаться в курсе последних новостей, статей и обновлений, связанных с проектированием печатных плат.

Если вы ищете способы улучшить и повысить уровень ваших проектов по проектированию печатных плат и хотите в полной мере воспользоваться продвинутыми инструментами, которые могут значительно упростить и оптимизировать процесс проектирования, мы настоятельно рекомендуем вам рассмотреть возможностьначать бесплатную пробную версию Altium Designer^® и Altium 365^™.

Эти передовые инструменты предлагают ряд мощных функций, предназначенных для повышения эффективности и результативности вашего рабочего процесса проектирования, что облегчает достижение высококачественных результатов в ваших проектах печатных плат.