Руководство по EMI/EMC для печатных плат: Соответствие стандартам EMI/EMC в ваших проектах

Что, если вы поставите рядом два мобильных телефона, и вдруг оба перестанут работать должным образом? К счастью, этого не происходит, потому что разработчики и производители приложили серьезные усилия, чтобы обеспечить соответствие этих устройств стандартам EMC по проводимым и излучаемым помехам EMI. Любое устройство должно соответствовать стандартам EMC, прежде чем оно появится на рынке.

Хотя это звучит сложно, существует ряд простых стратегий проектирования, которые помогут вашему следующему устройству пройти тесты EMC. Хорошим началом будет ознакомление с различными организациями по стандартам EMC и их спецификациями.

Стандарты EMC/EMI для проектирования печатных плат

Стандарты EMC делятся на две основные категории: регулирующие стандарты и отраслевые стандарты. Регулирующие стандарты для вашего проекта зависят от того, где вы хотите рынок и продавать ваш продукт (не обязательно там, где он разработан или произведен). Некоторые из первых стандартов EMC были установлены Федеральной комиссией по связи США в 1979 году. Европейское сообщество позже определило свои собственные стандарты EMC, которые стали основой для будущих стандартов Европейского союза, теперь известных как Директива EMC - официально названная Директивой о электромагнитной совместимости (EMC) 2014/30/EU Европейского парламента (вы можете ознакомиться с европейским стандартом здесь).

Соответствие отраслевым стандартам - это не только юридический вопрос, но и вопрос, специфичный для отрасли, чтобы обеспечить единообразие и взаимодействие между электронным оборудованием, используемым в определенных условиях и областях применения. Фактически, стандарты ЭМС отрасли играют ту же роль, что и другие отраслевые стандарты по производству, сборке, производительности и т. д. Основные организации по стандартизации и регулирующие органы, определяющие требования ЭМС, включают:

• Федеральная комиссия по связи США (FCC)
• Федеральное управление гражданской авиации США (FAA)
• Лаборатории Underwriter (UL)
• Американская радиотехническая комиссия по аэронавтике (RTCA)
• Международная электротехническая комиссия (IEC) через Международный специальный комитет по радиоэлектрическим помехам (CISPR)
• Международная организация по стандартизации (ISO)
• Общество автомобильных инженеров (SAE)
• Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE)
• Военные США через набор стандартов MIL-STD

Хотя стандарты IEC и CISPR более популярны в Европе, стандарты IEEE более популярны в США. В частности, стандарты IEEE лежат в основе испытаний на калибровку антенн. Требования ЭМС MIL-STD являются одними из самых строгих стандартов в мире и были одними из первых стандартов, адаптированных к коммерческому сектору для электронных устройств.

Основные требования к соответствию стандартам ЭМС

Компании, выпускающие несоответствующие требованиям устройства или продукты, могут получить предупреждение или быть оштрафованы на значительные суммы денег. Невыполнение требований EMC также представляет собой опасность для безопасности и наносит ущерб репутации компании. Проектирование с учетом EMC может помочь гарантировать, что вы не получите гражданских штрафов после того, как ваше устройство сошло с производственной линии. Дизайнеры предпринимают шаги для соответствия стандартам EMC, рассматривая EMI с двух точек зрения:

• Проектирование для иммунитета к EMI: Разработать устройство, способное выдерживать нежелательное EMI от близлежащих устройств. Это обычно начинается с правильного выбора стека слоев и стратегии трассировки.

• Подавление излучаемого EMI: Разработать устройство так, чтобы минимизировать излучаемое им излучение. Здесь играют роль стек слоев, стратегия заземления, размещение компонентов и, возможно, экранирование.

• Подавление проводимого EMI: Проводимое EMI принимает несколько форм, таких как сопряженный общий режим или дифференциальный режим шума, коммутационный шум от регуляторов SMPS или гармоники, полученные от сети.

• Быстрые переходные процессы или колебания мощности: Эти типы шума проявляются в виде серии инжектированных импульсов, кратковременных просадок напряжения, периодических отключений или скачков мощности. Конструкция должна предотвращать их появление в виде шума на выходе или нагрузке. Эти требования применимы к конструкциям с короткими кабелями или переменным входным напряжением соответственно.

• Подавление перенапряжений и ЭСР: Обычно мы сосредотачиваемся на шуме при обсуждении ЭМС/ЭМП, но выдерживание перенапряжений и ЭСР также являются важными аспектами проектирования для соответствия стандартам ЭМС.

Измерение излучаемой ЭМС с помощью ближнепольного зонда

Некоторые стратегии для увеличения ваших шансов на успешное прохождение тестов по стандартам ЭМС

Существуют некоторые базовые практики проектирования, которые каждый разработчик должен использовать, чтобы обеспечить прохождение их плат даже базовых проверок ЭМС.

Стек слоев, питание и заземление

Стратегия соответствия требованиям ЭМС начинается с вашего стека слоев. Проектирование вашей платы с системой заземления с низкой индуктивностью оказывает наибольшее влияние на минимизацию восприимчивости к ЭМИ. С многослойными платами вы должны размещать земляной слой непосредственно под слоями сигналов, чтобы минимизировать петлевую индуктивность.

Помехи в сигналах низкого уровня приводят к снижению отношения сигнал/шум. Поэтому хорошей идеей будет прокладка этих сигналов на внутреннем слое. Если у вас достаточно слоев в стеке, разместите эти дорожки между двумя земляными слоями, а затем разместите ваш слой питания ниже самого нижнего земляного слоя. Размещение слоя питания близко к земляному слою обеспечивает сильную емкостную связь. Любой шум или проводимые ЭМИ в слое питания легко перейдут в близлежащий земляной слой, а не будут мешать сигналам.

Будьте осторожны при прокладке сигналов с внутреннего слоя на поверхностный, так как вам нужно будет поддерживать плотное соединение. Вы можете поддерживать связь с опорной плоскостью, разместив рядом параллельный переход (via) между земляной плоскостью и поверхностным слоем. Другие проблемы EMC, такие как маршрутизация и размещение часов, могут быть проблематичными и создавать избыточный шум, особенно при изменении опорных плоскостей в многослойной печатной плате. Если возможно, старайтесь не использовать протоколы, требующие внешнего опорного генератора, и вместо этого используйте протоколы с встроенными часами. Некоторые протоколы, такие как DDR, используют синхронизированный с источником дифференциальный парный часовой сигнал, который будет иметь меньшее излучаемое ЭМИ, чем однопроводное соединение часов (см. ниже о дифференциальных парах).

Внедрение экранирования

Разумное использование экранирования - еще одна стратегия для обеспечения иммунитета вашей платы к излучаемому ЭМИ. Это также подавляет ЭМИ, излучаемое от вашей платы. Если вы работаете с беспроводным устройством, вы можете просто разместить антенну за пределами экранирования, чтобы она все еще могла отправлять и принимать сигналы.

Самое простое решение - использовать заземленное экранирование, которое создаст вокруг чувствительных компонентов и дорожек клетку Фарадея. Не все конструкции и компоненты могут поддерживать это решение. Поэтому вам может потребоваться более сложный метод экранирования. Если вы используете единый заземленный слой внутри вашей платы (что вам следует делать в любом случае), заземленный забор из переходных отверстий по краю платы и соединение переходных отверстий на областях с медным покрытием обеспечат аналогичную защиту.

Экранирование может использоваться для подавления излучаемых электромагнитных помех

Корпуса для экранирования, вероятно, являются самым распространенным видом экранирования, о котором все думают, но это не единственный возможный тип экранирования, который может быть использован для борьбы с ЭМП. Другие уникальные материалы для экранирования, которые могут обеспечить широкополосное подавление ЭМП, включают:

• Проводящая пена или материалы для уплотнений из эластомера, поглощающие РЧ излучения
• Материалы из проволочной сетки, которые могут быть установлены на корпус
• Металлические ленты, которые могут использоваться для соединительных поверхностей или в некоторых местах на плате
• Конформные покрытия с поглощением в проблемной частотной полосе
• Ферриты, которые могут быть прикреплены непосредственно к корпусу или кабельным сборкам

Эти другие типы экранирования могут быть реализованы на плате или в корпусе, когда другие решения, используемые на печатной плате, не работают. Лично я бы рекомендовал использовать экранирующие кожухи и некоторые из этих других материалов только после реализации всего спектра решений на уровне платы.

Проектирование и трассировка в смешанных сигнальных системах

Некоторые устройства могут требовать обработки цифровых данных и поддержки аналоговой сигнализации, что делает их по сути устройствами смешанного сигнала. Хорошей идеей является попытка разделить цифровые, аналоговые низкочастотные и аналоговые РЧ-секции платы на разные области компоновки печатной платы. Всегда полезно обеспечить, чтобы эти секции имели свои собственные выделенные зоны на земляном слое, но земляной слой должен оставаться непрерывным. Это означает, что здесь задача заключается в отслеживании пути возврата по плате. Цель двоякая: предотвратить взаимное влияние между различными секциями платы, а также обеспечить, чтобы сигналы не имели больших индуктивностей петли, прокладывая их над землей на соседнем слое. Чтобы узнать больше о стратегиях заземления устройств смешанного сигнала, прочтите эту статью.

Байпасные/развязывающие конденсаторы на шине питания

Наконец, понимайте, что шум в шине питания создает ЭМИ, который может излучаться с края платы. Это требует правильного проектирования стека слоев, размещения конденсаторов обхода/развязки и пар слоев питания/ссылки. Уменьшение шума на шине питания в передовых цифровых системах с множеством входов/выходов является столько же проблемой целостности питания, сколько и проблемой ЭМИ/ЭМС, поэтому сосредоточьтесь на понимании основ целостности питания, чтобы справиться с этими проблемами.

Проектирование в соответствии со стандартами ЭМИ/ЭМС для дизайна печатных плат требует правильных инструментов компоновки для реализации решений на уровне платы. Altium Designer^® предоставляет все необходимое для создания соответствующей компоновки или выполнения переработки по мере необходимости. Altium Designer является ведущей в отрасли CAD-платформой, которая также обеспечивает интеграцию с передовыми приложениями для симуляций СИ, ЦИ и ЭМИ/ЭМС. Когда вы закончили свой дизайн и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365^™ упрощает сотрудничество и обмен проектами.

Мы только коснулись поверхности того, что возможно с Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.