Электромагнитные помехи от гибких печатных кабелей в многоплатных системах

Гибкие печатные кабели очень полезны для экономии пространства и обеспечения возможности создания складывающихся приложений в электронике. Гибкие печатные кабели также позволяют монтировать некоторые схемы, а уникальные крепления к корпусу становятся возможными за счет включения уплотнителей и монтажных отверстий. Хотя гибкие печатные схемы могут стоить дороже, чем стандартные проводные кабели, они могут обеспечить более высокую ценность приложений, что определенно компенсирует затраты на дизайн и производство.

Как и любое другое соединение платы с платой, гибкие печатные платы могут испытывать проблемы с электромагнитными помехами (EMI). Это включает излучение EMI от соединителей для сигналов на гибком соединении или кабеле от внешнего источника. Уникальная конструкция гибких кабелей допускает интересные решения, которые следует рассмотреть для многих проектов, включая высоконадежные военные и аэрокосмические системы. В этой статье я рассмотрю некоторые факторы дизайна, которые адресуют проблемы EMI в гибких печатных кабелях.

Использование гибких печатных кабелей, приводящее к EMI

Устройства, использующие гибкие печатные кабели, широко варьируются по области применения, начиная от ультракомпактных цифровых устройств и заканчивая высокопрочными системами для автомобильной промышленности, военных и аэрокосмических целей. Гибкие печатные кабели чаще всего находятся внутри корпуса устройства и не подвергаются воздействию внешней среды. В некоторых продуктах, таких как модульные устройства, гибкий кабель может быть выведен наружу корпуса и будет иметь другие характеристики иммунитета к ЭМИ.

Вместо того чтобы быть законченным золотыми контактами для соединителя ZIF/краевого соединителя, гибкие печатные схемы могут быть закончены стандартным соединителем плата-к-плате, и это соединение может стать точкой, через которую ЭМИ, такие как импульс ЭСР, может попасть в вашу систему. После осознания этих факторов риска для ЭМИ, существуют некоторые практики проектирования, которые могут быть использованы для подавления или предотвращения ЭМИ в гибкой печатной схеме.

Сетчатое заземление и плотность сетки

Одной из основных проблем с гибкими печатными платами, поддерживающими высокоскоростную передачу данных или высокую мощность, является то, что они не могут использовать сплошные слои. Для гибких кабелей, по которым передается питание, это часто означает использование нескольких медных слоев с сетчатым заполнением, так как это позволяет формировать и сгибать кабель по необходимости, при этом обеспечивая требуемую способность передачи тока. В случае маршрутизации сигналов необходим сетчатый заземляющий слой для определения импеданса трассы и уменьшения излучаемых помех от сигнальных линий.

Если гибкий кабель испытывает слишком большую перекрестную помеху или слишком много захватывает внешних ЭМИ, может потребоваться более плотное сетчатое заземление. Уменьшение размера ячеек сетки увеличит количество меди на единицу площади, и это увеличит способность слоя к экранированию. К сожалению, требования к мощности и пропускной способности канала для высокоскоростных сигналов могут стать настолько высокими, что гибкий кабель перестанет быть полезным, и потребуется стандартный проводной кабель.

Какой коэффициент заполнения меди по сравнению с размером отверстия в сетке должен использоваться в сетчатой плоскости? Очень сложно делать обобщенные утверждения, поскольку это зависит от того, как используется сетка. Сетка может использоваться как земля для цифровых сигналов и для обеспечения контроля импеданса, в этом случае отверстие сетчатой земли должно быть меньше, чем некоторая доля расстояния распространения сигнала во время его нарастания. В случае питания и земли, отверстие в сетке не должно быть настолько большим, чтобы это значительно снижало способность гибкого кабеля передавать ток. Часто требуются симуляции для характеристики импеданса, постоянного сопротивления и теплового управления сетчатыми плоскостями.

Симуляция импеданса сетчатой плоскости показывает периодичность сетки, что может позволить высокочастотным ЭМИ быть принятыми или излучаемыми гибким кабелем ПП.

Излучение от соединительных разъемов

Переходы сигналов через соединительные разъемы могут быть источниками излучаемых помех, что может происходить в разъемах поверхностного монтажа, разъемах ZIF для металлизированных контактов и разъемах с контактными выводами сквозного монтажа. Гибкие кабели, используемые для высокоскоростных цифровых соединений, определенно могут сталкиваться с проблемами излучаемых помех от соединительных разъемов, в первую очередь из-за недостаточного заземления в распиновке разъема. Гибкие соединения, по которым передается питание, также могут быть источниками помех по нескольким причинам. Некоторые из общих причин, по которым соединительные разъемы приводят к помехам, включают в себя:

• Несоответствие импеданса, наблюдаемое очень высокоскоростными сигналами
• Общий режим помех на трассах, который излучается из гибкого кабеля
• Недостаточная фильтрация, позволяющая проникновение коммутационных помех на кабель
• Отсутствие заземления в распиновке разъема
• Неправильное использование экрана кабеля на экранированном разъеме
• Подключение экрана разъема к системной земле, а не к земле шасси

Этот соединительный разъем для гибкого кабеля может быть источником излучаемых помех, обычно из-за отсутствия заземления или отражений сигнала.

Чтобы обеспечить хорошее соединение с землей для сигналов и питания, выделите некоторые контакты на разъеме для заземления с обеих сторон соединительного интерфейса. Это позволит соединить землю через гибкую межсоединительную плату и гарантирует, что сигналы не будут пересекать разрывы в проводниках справочного сигнала. Что касается экранирования разъемов, они часто не подвергаются воздействию внешней среды, поэтому конструкция гибкого кабеля может не получить преимуществ от использования экранированных разъемов внутри корпуса.

Фильтрация на линиях сигнала и питания гибкого кабеля

Как и в системах с жесткими печатными платами и кабелями, фильтрацию можно использовать на входах и выходах для уменьшения излучаемых и проводимых электромагнитных помех (ЭМП). Снижая проводимые помехи через гибкий кабель, можно также уменьшить излучаемые ЭМП, как только шум распространяется к недостаточно заземленному соединительному интерфейсу. Существуют варианты фильтрации, доступные либо непосредственно на гибком кабеле, либо на жестком участке с уплотнителем:

• SMD дроссели для общего режима шума
• Фильтры высших порядков
• RC или LC фильтры, собранные из дискретных компонентов
• Ферриты на линиях постоянного тока или сигналах постоянного тока

Мне особенно нравится опция модулей фильтрации, особенно для питания, подаваемого на вход или выход гибкого кабеля. Эти модули могут предложить фильтрацию высшего порядка с крутым спадом в диапазоне килогерц, что делает их очень полезными для устранения шумов от постоянного тока. Ниже показан пример от Murata из проекта преобразователя flyback в Altium Designer.

Модуль фильтра Murata (PN: BNX026H01L), который обеспечивает фильтрацию низких частот высшего порядка, в основном для соединений постоянного тока.

Полосковые линии с заштрихованными плоскостями

Из-за отверстий в заштрихованных плоскостях, конструкции не будут иметь чрезвычайно высокой эффективности экранирования против ЭМИ. Когда сигналы слишком восприимчивы или их скорости нарастания настолько велики, что заштрихованная плоскость испытывает трудности с содержанием электромагнитного поля, создание конфигурации полосковой линии с заштрихованными плоскостями может быть решением. Разместите заштрихованную плоскость выше и ниже слоя сигнала, чтобы создать структуру полосковой линии. Лучший способ максимизировать эффективность экранирования - это немного сместить заштрихованные структуры так, чтобы твердая медь в одной заштрихованной плоскости перекрывала отверстия в другой плоскости.

На определённом этапе сигналы с временем нарастания менее одного наносекунды становятся настолько быстрыми, что решётчатая структура не способна поддерживать целостность сигнала и пропускает слишком много излучаемых электромагнитных помех (EMI). В этот момент лучшим вариантом будет использование кабеля. Такие соединения обычно являются дифференциальными, что помогает сдерживать шум. Производители разъёмов предлагают несколько вариантов, обеспечивающих высокопропускную дифференциальную передачу сигналов с согласованием импеданса на поверхностях соединения разъёмов. Проверьте спецификацию скорости передачи данных на соединяемых разъёмах, чтобы убедиться, что они поддерживают необходимые вам параметры целостности сигнала и электромагнитной совместимости (EMC).

Высокоскоростные кабели Samtec AcceleRate^® становятся необходимыми, когда требования к скорости передачи данных и пропускной способности канала становятся слишком высокими.

В заключение, гибкие кабели могут работать с такой же производительностью, как и проводные кабели с точки зрения EMI, до тех пор, пока сигналы не станут слишком быстрыми. Это также требует соответствующего проектирования распиновки для обеспечения постоянного соединения с опорным проводником на всех соединительных поверхностях и по всей длине гибкого кабеля. Фильтры также могут быть полезны для конкретных источников шума, постоянного тока и некоторых сигналов, которые также могут переносить общий режим шума.

Высокоскоростные однопроводные сигналы с требованиями к контролю импеданса могут не быть лучшим выбором для использования в гибких кабелях. Однако дифференциальные пары могут быть полезны благодаря их меньшим излучаемым помехам, даже когда земля редка, как в случае с сетчатой заземляющей плоскостью. В этом случае дифференциальным парам может потребоваться более плотное размещение, чем обычно используется в жестких печатных платах, поскольку это снизит вариации импеданса над сетчатой землей.

Независимо от того, нужно ли вам создать надежную электронику питания или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций для проектирования печатных плат и мирового класса инструменты CAD в Altium Designer^®. Для реализации сотрудничества в современной междисциплинарной среде инновационные компании используют платформу Altium 365^™ для легкого обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

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