Основы соблюдения требований по ЭМП и ЭМС для разработчиков печатных плат

Помехоустойчивость и электромагнитная совместимость - это две области, в которых у разработчиков печатных плат важная роль. Задача разработчика ПП - обеспечить такое размещение элементов на плате, чтобы уровень генерируемых помех был ниже регламентированных пределов. Многие системы, изначально спроектированные как полностью функциональные, не проходят стандарты регулирования из-за особенностей размещения элементов на печатной плате. Тогда задача разработчика ПП заключается в модификации размещения элементов на плате для обеспечения соответствия регуляторным стандартам.

Чтобы избежать повторных циклов тестирования на соответствие EMC, переработок и создания прототипов, разработчики могут предпринять некоторые простые шаги, чтобы помочь снизить вероятность возникновения избыточных помех в размещении элементов на ПП. Некоторые из этих факторов возникают на уровне схемы, и их следует учитывать на этапе предварительной инженерии и создания схем. Однако даже идеальный дизайн схемы может не пройти тестирование на EMC, если размещение элементов на печатной плате не спроектировано корректно. Это руководство сосредоточится на факторах в размещении элементов на ПП, которые могут привести к несоответствию требованиям EMC.

Что такое соответствие EMC?

Каждый дизайн, предназначенный для выпуска на рынок в больших объемах, должен иметь низкий уровень шумовых эмиссий во время работы. Эмиссии могут быть проведены от устройства (через кабели) или излучены от устройства. Существуют ограничения на оба типа эмиссий, которые определены регулирующими органами, а также группами стандартов отрасли. Соответствие требованиям EMC также связано с ESD и способностью электронных устройств выдерживать переходные процессы.

В таблице ниже в общих чертах описано, что тестируется в соответствии с мировыми регламентами EMC и стандартами отрасли по EMC. Этот список не предназначен для ссылки на конкретные регламенты, только на общие области и типы тестов, которые проводятся для нового продукта.

Не все оборудование потребует прохождения всех этих тестов. Например, устройство, работающее только от батареи, не потребует прохождения теста на провалы и прерывания напряжения, поэтому нет необходимости проектировать плату с учетом этих эксплуатационных требований.

Прохождение этих тестов является регуляторным требованием, и существуют компании, специализирующиеся на тестировании электроники для обеспечения соответствия регуляторным требованиям. Эти тесты не дешевы; в США один раунд тестирования может стоить порядка 10 000 долларов. Компаниям не по карману тратить деньги на тестирование снова и снова, поэтому им необходимо научиться выявлять потенциальные неудачи до отправки дизайна на тестирование.

Наиболее распространенные причины неудач EMC в дизайне печатных плат

Неудача EMC в компоновке печатной платы часто сводится к небольшому количеству причин, и задача инженера по тестированию заключается в выявлении корневой причины неудачи. Некоторые из этих проблем могут быть легко решены путем изменения компоновки, трассировки и/или стека печатной платы.

• Недостаточное совпадение заземляющих плоскостей и/или отсутствие заземляющей плоскости
• Использование нескольких заземлений для изоляции между сигналами, когда это не требуется
• Прием или излучение радиации от кабелей и соединителей
• Излучение при трассировке без постоянной заземляющей опоры
• Излучение от быстропереключающихся схем, где заземление было убрано
• Шум переключения от цифровой PDN, поддерживающей быстрые процессоры
• Излучение от цифровой PDN, требующей высокой пропускной способности, где используются ферриты
• В некоторых случаях отсутствие защиты на уровне платы для определенных схем
• Излучение или прием радиации от больших участков неподключенного металла
• Неполный путь возврата тока, приводящий к излучению, часто на высоких частотах
• Неудача в направлении токов ЭСР в сторону от незащищенных компонентов
• Высокое сопротивление возвратных путей между экраном, шасси и/или землей
• Шум в возвратных путях, идущих к входам переменного тока, требующих схемы коррекции коэффициента мощности (PFC)

Вышеупомянутое не является исчерпывающим списком, но оно охватывает многие общие случаи в силовых и высокоскоростных цифровых схемах, а также некоторые случаи, связанные с кабельной продукцией и корпусами. Многие неудачи EMC, вызванные чрезмерным ЭМИ, связаны с некоторыми вариантами ситуаций, перечисленных выше.

Если ваша роль - инженер по тестированию, особенно тот, кто работает над предварительной сертификацией, ваша задача - выявить и устранить все возможные причины избыточного ЭМИ, которые могут привести к провалу тестирования на ЭМС. Очень важно заняться этими потенциальными механизмами отказа раньше, а не позже; отсюда и необходимость в некотором уровне предварительного тестирования. Провал тестирования на ЭМС почти всегда требует некоторого уровня переработки системы, что переводится в потерянное время и деньги для вашей компании.

Среди вышеупомянутого списка я обнаружил, что проблемы с недостаточным заземлением или использованием нескольких разъединенных заземлений являются наиболее распространенными причинами провала тестирования на ЭМС. Например, посмотрите, что происходит на плотно упакованной двухслойной печатной плате. Когда двухслойные печатные платы имеют плотное размещение компонентов и трассировку, многие сигналы будут иметь недостаточное заземление и будут создавать много излучения. Это одна из основных причин перехода на четырехслойную печатную плату.

Печатные платы Arduino - отличные примеры макетов, приближающихся к пределу плотности компонентов. 

Из-за потенциально высокого уровня излучения в этой компоновке печатной платы использование четырехслойной структуры PCB может быть простым способом обеспечить прохождение дизайна тестирования на ЭМС без каких-либо других значительных изменений в дизайне. Часто проблемы с ЭМИ начинаются именно со структуры слоев и переходят на уровень системы, поэтому такие простые изменения, как добавление слоев плоскостей, могут быть быстрым способом пройти тестирование на ЭМС.

Проектирование для обеспечения соответствия ЭМС

Проектирование печатной платы с целью обеспечения соответствия ЭМС требует некоторого изменения в процессе мышления. В частности, вам нужно увидеть соответствие между «шумом» в компоновке печатной платы, «излучателем», как это определено в стандартах ЭМС, и любой областью, где шум может выйти из системы через кабель. Раннее узнавание этого поможет вам выявить потенциальные ошибки ЭМИ/ЭМС до того, как вы отправите дизайн на тестирование.

Компоновка и трассировка

Разводка и трассировка могут влиять на характеристики шума схемы, даже если схема была оптимально спроектирована для уменьшения шума. Это происходит за счет паразитной связи между источниками шума и схемами или между схемами и свободным пространством. Проблема с паразитными элементами включает в себя множество аспектов, которые сложно суммировать в одной статье. На высоком уровне существует два подхода к разводке и трассировке, которые учитывают паразитные элементы:

• Емкость - Более тесное соединение с землей является самым простым способом подавления емкостной связи между схемами.
• Индуктивность - Плотная разводка с короткими путями между компонентами снизит петлевые индуктивности, которые позволяют излучение

Например, в регуляторах напряжения это значительно уменьшает связь шума с выходом схемы и в свободное пространство. Пример, иллюстрирующий концепцию плотной трассировки с заземлением на L2 (включая под дросселем), показан ниже.

Если обнаружено, что входы/выходы кабеля переносят чрезмерные проводимые помехи, даже в случае, когда маршрутизация и расположение оптимальны, попробуйте провести исследование перед добавлением общего дросселя или фильтрующей схемы. Проблема может быть связана с соединением через плавающий заземляющий проводник или корпус. Однако, в некоторых случаях, общие дроссели являются простыми компонентами, которые помогут обеспечить соответствие проводимым помехам, и это легкое решение, если проблема шума не влияет на функциональность.

Общие проблемы ЭМС начинаются с компоновки слоев

Некоторые из наиболее распространенных проблем излучаемых помех возникают из-за плохой компоновки слоев. Это может быть связано с тем, что компоновка не подавляет шум в компонентах, или она приводит к плохим практикам маршрутизации, которые также приводят к чрезмерным излучаемым помехам. Неудачи в проводимых помехах также могут быть результатом плохой компоновки слоев, что в основном связано с заземлением на уровне системы, создающим чрезмерный общий режим шума.

Пример стратегии дизайна компоновки слоев, которая помогает обеспечить низкий уровень шума, поддерживает импеданс для высокоскоростных/РЧ сигналов и уменьшает индуктивную/емкостную связь, показан ниже. Внутри компоновки одним из самых простых методов решения определенных проблем ЭМИ является использование земли. Использование земли между слоями сигналов обеспечивает экранирование между группами сигналов, а также снижает непреднамеренные излучаемые помехи от линий сигналов. Это также облегчает задачу поддержания путей возврата при переходах сигналов.

• Узнайте больше о проектировании стека для низкого уровня шума

Эта стратегия поддержания системного заземления решает многие простые проблемы ЭМИ, связанные с распространением сигналов. Хотя слово «простые» может подразумевать «маловероятность нарушения соответствия EMC», это не так; дорогостоящие неудачи при тестировании могут быть связаны с чем-то таким простым, как расположение слоев в стеке печатной платы.

Модульный подход для беспроводных

Возможно вывести на рынок продукт, который полностью модульный, но только если модули, используемые для сборки продукта, индивидуально прошли тестирование на EMC. FCC предлагает Модульную Сертификацию, которая позволяет использовать предварительно сертифицированные беспроводные модули в продукте. Это исключит часть RF тестирования из процесса сертификации вашего устройства, поскольку модули уже будут сертифицированы для работы только в своих предназначенных радиодиапазонах.

Эта сертификация не исключает необходимость проведения других испытаний на эмиссию для вашего продукта. Однако, это снижает риск неудач и помогает ускорить выход на рынок. Есть и другие причины избегать использования этих модулей, такие как достижение конкретных целей по форм-фактору и возможность невозможности клонирования или настройки дизайна.

Следует ли использовать экранирование?

На мой взгляд, если вы правильно выполняете размещение компонентов на печатной плате, то дополнительная защита на уровне платы или корпуса не должна быть необходима для успешного прохождения тестирования на электромагнитную совместимость (EMC). Простая причина этого заключается в том, что это увеличивает стоимость компонентов и сборки. Для прототипа это, скорее всего, незначительные расходы, но при больших объемах эти расходы быстро нарастают. Поэтому, исходя просто из простоты устройства и соображений стоимости, защиту следует избегать, если это возможно, в пользу совершенствования конструкции и размещения.

Конечно, есть исключения, и в некоторых случаях, когда устройство нужно быстро развернуть, добавление защиты к существующему дизайну может быть самым дешевым и наименее рискованным путем вперед. Иногда идеальное размещение просто имеет шумные компоненты (например, моторы), и даже при идеальном проектировании схемы и платы от устройства исходит слишком много шума. Некоторые из самых быстрых способов пройти тестирование на EMC для прототипа включают:

• Экранирование на уровне компонентов, например, SMD или экранирующие корпуса с монтажом сквозь отверстие
• Экранирование на уровне платы, например, покрытие краёв
• Монтаж на корпусе ферритовых пластин
• Поглощающие эластомеры, составы и прокладки
• Металлические прокладки для больших корпусов и шкафов
• Металлизированные корпуса
• Металлические ленты, герметизирующие соединительные поверхности
• Использование поглощающих конформационных покрытий

Экранирование может быть привлекательным вариантом для решения проблем с ЭМП, но если следовать указанным выше рекомендациям по проектированию, то может оказаться, что дополнительные компоненты и материалы для экранирования не потребуются.

• Узнайте больше о методах экранирования ЭМП для печатных плат

Регулирование ЭМС

Никакое руководство по соответствию требованиям ЭМИ и ЭМС не будет полным без краткого обсуждения регулирования ЭМС. США, Великобритания и Европа имеют свои наборы регуляций, управляющих генерацией ЭМИ и требованиями ЭМС в электронном оборудовании. Эти регуляции похожи друг на друга в части ограничений по шуму, и определённые продукты, которые будут продаваться на этих различных рынках, должны соответствовать действующим регуляциям ЭМС. Список требований соответствия ЭМС может быть довольно длинным, поэтому я оставлю этот контент для другой статьи.

• Узнайте больше о стандартах отрасли по требованиям к ЭМП и ЭМС

Я считаю, что дизайнерам следует быть в курсе нормативных стандартов и практик проектирования, которые определяют соответствие ЭМС по нескольким причинам. Во-первых, если вы управляете бюро услуг, это делает вас гораздо более ценным для ваших клиентов. У вас будут навыки, необходимые для помощи им в преодолении регулятивных препятствий, присутствующих на пути выхода на рынок. Другая причина заключается в том, что это позволяет вам более глубоко взаимодействовать с инженерами по ЭМС и общаться с ними на общем языке.

Теперь, когда вы узнали о распространенных проблемах соответствия ЭМС, убедитесь, что вы используете полный набор инструментов для проектирования печатных плат в Altium Designer для разработки вашей печатной платы. Altium Designer - это ведущая в отрасли CAD-платформа, которая также обеспечивает интеграцию с передовыми приложениями для симуляций СИ, ПИ и ЭМП/ЭМС. Когда вы закончите свой проект, и захотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365 упрощает совместную работу и обмен проектами.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.