Овладение контролем ЭМИ в дизайне печатных плат: Как распространяются сигналы в печатной плате

Проектирование печатных плат (PCB) для электромагнитной совместимости (EMC) требует глубокого понимания распространения сигнала с точки зрения электромагнитных полей и токов. Эти концепции важны, потому что они помогают нам разрабатывать платы с низким уровнем излучений электромагнитных полей и низкой восприимчивостью к внешним излучениям или помехам.

В этой первой статье из серии Мастерство контроля EMI в проектировании печатных плат мы углубимся в эти концепции и рассмотрим, как применить их в проектировании печатных плат.

Концепция распространения сигнала в линии передачи

Когда мы задумываемся о том, как распространяется сигнал на печатной плате, важно перестроиться с аналогии воды, текущей по трубам, на мышление в терминах электромагнитных полей и линий передачи. Линия передачи — это структура, предназначенная для передачи энергии в виде ограниченных электромагнитных полей из одной точки в другую. В контексте печатных плат линия передачи формируется как минимум двумя проводниками. Оба проводника одинаково важны для удержания электромагнитных полей и их передачи из одной точки в другую в цепи. Если один из проводников отсутствует, электромагнитные поля, которые образуют сигналы, остаются неограниченными, что может привести к сбоям при EMC-тестировании из-за расширения этих полей.

Очень важная концепция, которая отсюда вытекает, заключается в том, что электромагнитный сигнал не содержится внутри проводника, а находится в пространстве между двумя проводниками, в диэлектрике и вокруг него. Наша цель с точки зрения EMC — максимизировать электромагнитные поля, содержащиеся между двумя проводниками, и уменьшить электромагнитные поля вокруг них.

Рисунок 1 — Представление распространения цифрового сигнала на печатной плате

На печатных платах два проводника, используемых для передачи сигнала, — это проводник потенциального сигнала и проводник возврата и опорного потенциала. Проще всего представить это на двухслойной плате, где верхний слой, подключенный к источнику сигнала, используется для маршрутизации сигнальных дорожек, а нижний слой представляет собой сплошной медный слой, подключенный к источнику сигнала, но также и к опорному потенциалу сигнала (см. Рисунок 1). То, что мы называем сигналом, — это электромагнитное поле, содержащееся между этими двумя проводниками. Это означает, что сигнал не содержится в одном проводнике, а представляет собой электромагнитную энергию, содержащуюся в диэлектрике между этими двумя проводниками. Это также означает, что свойства диэлектрического материала влияют на распространение сигнала, особенно на скорость, с которой сигнал (или электромагнитная волна) распространяется, что равно скорости света в диэлектрике. Между двумя проводниками будут точки, где сигнал присутствует, и точки, где сигнал еще не достигнут. В цифровом сигнале точка между этими двумя зонами, где у нас есть полный сигнал и где сигнал еще не появился, называется фронтом сигнала или волновым фронтом сигнала. Это точка перехода от логического нуля к логической единице в цифровом сигнале.

С точки зрения EMC эта точка чрезвычайно важна, потому что именно здесь электрические и магнитные поля переходят от низкого к высокому уровню между проводниками. Чем быстрее происходит это изменение энергии, то есть чем быстрее сигнал переходит от низкого к высокому логическому уровню, тем больше энергии сжимается за короткий промежуток времени. Когда сигнал распространяется от источника к своему назначению по линии передачи, фронт сигнала или его волновой фронт ведет процесс распространения сигнала.

Прямой ток, возвратный ток и ток смещения

Еще одна важная концепция заключается в том, что если бы мы следили за фронтом сигнала по мере его распространения, то заметили бы, что, поскольку фронт сигнала является изменением электромагнитного поля, это вызвало бы появление тока смещения в диэлектрике между двумя проводниками. Это явление объясняется четырьмя уравнениями Максвелла, объединенными Оливером Хевисайдом, в частности законом Ампера-Максвелла. Проще всего представить это, думая о том, как ток течет через конденсатор, когда к нему приложен источник переменного тока (см. Рисунок 2).

Рисунок 2 — Конденсатор (a) без приложенного электрического поля, (b) положительное электрическое поле приложено, (c) отрицательное электрическое поле приложено

На самом деле между пластинами конденсатора и его диэлектриком нет тока проводимости, но связанные заряды, содержащиеся в диэлектрике, просто поляризуются (смещаются) в соответствии с приложенными полями пластин конденсатора. Это будет казаться, что через пластины конденсатора течет ток проводимости. Концепция тока смещения важна для понимания того, как возможно образование тока во время распространения сигнала, особенно до того, как он достигнет нагрузки. Как учат на уроках классической теории цепей, ток всегда течет по замкнутым контурам. Так как же возможно, что ток существует даже до того, как сигнал достигнет нагрузки, а значит, до того, как установится непрерывный ток проводимости, который идет от источника к нагрузке и затем возвращается к источнику, образуя замкнутый контур? Это возможно благодаря току смещения, который позволяет току течь по замкнутым контурам даже при распространении сигнала. Без тока смещения, имея только ток проводимости, распространение сигнала было бы невозможно, так как замкнутый контур, состоящий только из тока проводимости, не смог бы замкнуться до достижения нагрузки. Это означало бы, что ток проводимости должен был бы течь через диэлектрик, что по определению невозможно. Но благодаря этому кажущемуся току, току смещения, контур замыкается мгновенно по мере распространения сигнала.

Сочетание тока проводимости и тока смещения приведет к формированию тока по замкнутому контуру, который распространяется, следуя за фронтом сигнала. Этот токовый контур, как показано на Рисунке 3, можно разделить на три части:

Рисунок 3 — Токовый контур и ток смещения

• Прямой ток, который течет в направлении сигнала к нагрузке по проводнику на верхнем слое.
• Возвратный ток, который течет в противоположном направлении сигнала обратно к источнику по проводнику на нижнем слое.
• Ток смещения, который соединяет две другие части тока, "течет" через диэлектрик между проводниками, следуя за фронтом сигнала.

Удержание энергии сигнала для контроля EMI

Управление удержанием электромагнитных полей между проводниками и контроль пути тока крайне важны для разработки печатных плат, которые не только демонстрируют высокие эксплуатационные характеристики, но и соответствуют стандартам электромагнитной совместимости и целостности сигнала (см. Рисунок 4).

Рисунок 4 — Пример передового проектирования печатной платы с использованием 3D-визуализатора Altium Designer®

Этот подход позволяет нам контролировать излучения в их источнике и избегать проектирования конструкций печатных плат, которые допускают наводки внешних помех.

В следующей статье этой серии мы обсудим, как улучшить размещение компонентов для эффективного снижения EMI. Чтобы не пропустить её, следите за нашими страницами и социальными сетями.

Заключение

Для проектирования печатных плат, отвечающих высоким стандартам, вам понадобятся передовые инструменты, которые обеспечивают точный контроль над каждым аспектом вашего проекта. Altium Designer® предлагает полный набор функций для проектирования и моделирования печатных плат, что гарантирует соответствие ваших проектов всем требованиям. Встроенный механизм правил проектирования и онлайн-инструменты моделирования помогают проверить соответствие вашего проекта спецификациям по мере трассировки печатной платы.

Когда ваш проект завершен, вы можете легко передать файлы производителю с помощью платформы Altium 365™, которая упрощает сотрудничество и совместное использование проектов.

Вы можете начать бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня и вывести свои проекты печатных плат на новый уровень.