Топологическое проектирование ПП со смешанными сигналами с учетом обеспечения электромагнитной совместимости и электромагнитной устойчивости

УДК 681.3

ТОПОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПП СО СМЕШАННЫМИ СИГНАЛАМИ С УЧЕТОМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ М.А. Ромащенко

В статье рассматриваются основные способы оптимального проектирования ПП с учетом ЭМС как одного из основных источников возможных ЭМИ. Даны рекомендации по размещению компонентов на ПП в зависимости от скорости их работы, расположению соединительных кабелей для минимизации ЭМИ. Описаны преимущества использования сетчатой заземляющей топологии и способы ее реализации в применении к ПП со смешанными сигналами

Ключевые слова: электромагнитная совместимость, электромагнитная устойчивость, конструирование, печатная

плата

Т опологическое проектирование печатной платы (ПП) в значительной степени влияет на параметры электромагнитной совместимости (ЭМС) разрабатываемого электронного средства (ЭС) как в отношении электромагнитного излучения (ЭМИ), так и восприимчивости к электромагнитным помехам (ЭМП). Кроме соединения электрорадиоэлементов (ЭРЭ) между собой к ПП подключаются и внешние кабели, соединяющие ее с другими частям устройства (другие ПП, источники сигнала, разъемы кабельного телевидения, источники питания постоянного или переменного тока), которые будут в значительной степени влиять на ЭМС всей конструкции. Для получения ПП, которая функционирует правильно с точки зрения ЭМС и электромагнитной устойчивости (ЭМУ), трассировка проводников, размещение компонентов (разъемов), развязка, используемая для определенных ИМС, должны быть оптимизированы согласно правилам, приведенным ниже, которые не всегда могут быть учтены используемым САПР.[1]

Сортировка ЭРЭ по рабочим частотам. Используемые ЭРЭ должны быть отсортированы в зависимости от того с сигналами какой частоты или временем изменения формы сигнала они взаимодействуют. Первоначально оценить насколько вероятно, что данный ЭРЭ может повлиять на возникновение недопустимых электромагнитных помех можно с помощью простого выражения

Скорость _ сигнала » /0 0 , где / - частота сигнала, 7ф

10 - величина текущего тока, ТФ - время

нарастания/спада фронта сигнала. Эта величина, по сути, отражает высокочастотный спектр сигнала на ЭРЭ. Наиболее высоким этот параметр будет, например, у микропроцессоров, управляемых дискретными сигналами от тактового генератора. У БИС имеются внешние управляющие цепочки располагающиеся на ПП, которые при определенных

Ромащенко Михаил Александрович - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (473) 243-77-06, e-mail: muratovav@kipr.vorsu.ru

режимах могут иметь достаточно высокие рабочие токи, что также вызовет увеличение спектрального состава сигнала. При предварительном размещении компонентов на ПП, необходимо руководствоваться созданной таблицей, отсортированной по скорости изменения сигнала на ЭРЭ. Наибольшее внимание следует уделить компонентам с наибольшей скоростью сигнала, расположенным вверху таблицы. Далее спускаясь по этому списку разместить остальные компоненты по мере убывания их вклада в создаваемое ЭМИ разрабатываемой ПП. Существующие САПР в режиме автоматической трассировки не всегда учитывают в своих алгоритмах влияние скорости изменения сигнала на компоненте на общую картину электромагнитного поля, что в последующем может вызвать серьезные проблемы, вплоть до переработки всей ПП. Т.о. целесообразно вначале вручную разместить наиболее критические ЭРЭ и цепочки, с учетом основных понятий теории ЭМС. Например, микропроцессор и используемый с ним тактовый генератор должны быть расположены как можно ближе друг к другу, кроме того имеет смысл зарезервировать место и контактные площади для корректирующих ЯС цепочек. В случае если в процессе тестирования на требования ЭМС будут обнаружены недопустимые помехи введение такой цепочки позволит увеличить время нарастания/спада фронта сигнала. Т акже, учитывая, что спектр сигнала тактового генератора будет самым широким на данной ПП, необходимо вручную разместить заземляющие проводники с обеих сторон проводников генератора, чтобы быть уверенными, что обратный путь сигналов генератора не пройдет по неожиданному пути, тем самым образую большие петли, излучающие недопустимые помехи. Расположение, остальных, менее критических элементов, вполне может быть произведено в автоматическом режиме, т. к. риск возникновения ЭМИ уменьшается.

Быстродействие компонентов и

расположение на ПП. Основным принципом при расположении ЭРЭ на ПП является то, что с увеличением частоты сигнала повышается вероятность его паразитного влияния на другие

проводники и блоки разрабатываемой конструкции. Следовательно быстродействующие ЭРЭ и проводники которые их соединяют должны располагаться, по возможности, дальше от разъемов ПП их проводников и прочих соединительных проводов, что наглядно представлено на рис. 1. Если используемое САПР не реализует подобные алгоритмы, то эту часть трассировки ПП необходимо также выполнить вручную.

Быстродействущие ЭРЭ и схемы

ЭРЭ и схемы средней функционирующие на средней скорости

Соединительные компоненты и схемы питания

Рис. 1. Быстродействующие компоненты схемы и их проводники следует стремиться расположить дальше от разъемов и интерфейсных схем.

При трассировке проводников важно помнить, что выводы модулей которые вначале могут показаться «тихими» в плане ЭМП, при функционировании устройства могут подвергаться паразитным наводкам. Типичным примером здесь может служить вывод «Сброс» микропроцессора. Т.к. данный вывод используется сравнительно редко, то ошибочно можно предположить, что используемый печатный проводник не является

быстродействующей цепью. При недостаточном внимании к трассировке данного проводника и выполнении его слишком длинным возможны как паразитные наводки на соответствующий вывод микропроцессора, что приведет к его сбросу, так и сильные электромагнитные выбросы при появлении управляющего сигнала на этом проводнике.

Расположение кабелей ввода/вывода и фильтров. Длинные соединительные кабели могут создать большие проблемы при обеспечении ЭМС. Возникающие на них синфазные помехи довольно часто приводят к невозможности пройти испытания на требования по ЭМС. Такие синфазные помехи часто обуславливаются разностью потенциалов на ПП в разных местах заземления. В таком случае кабель действует как несимметричный или симметричный вибратор и токи помех возвращаются к своему источнику на ПП. Для уменьшения таких помех имеется несколько способов. Довольно часто экранирующие оболочки таких кабелей крепятся в точке на ПП. В случае, если земля в этом месте обладает паразитным потенциалом мы создаем излучатель помех не догадываясь об этом. Для устранения этого явления необходимо убрать или как можно сильнее уменьшит паразитную разность потенциалов. Рис. 2 иллюстрирует возможную

компоновку ПП с учетом этого требования. [1]

Основная идея создания такой тихой земли заключается в том, чтобы обратные пути токов помех от «шумной» аналог-цифровой земли не попадали к точке заземления экранирующей системы соединительных кабелей. «Тихая» земля должна быть соединена с корпусом конструкции, для предотвращения последствий электростатических разрядов. Также необходимо предусмотреть место и контактные площадки для расположения ферритовых колец или фильтрующих ЯС-цепочек, для

предотвращения попадания ВЧ шумов. Очень желательно, чтобы все разъемы находились на одном краю ПП, в этом случае практически исключается эффект, когда две противоположные точки из-за разности потенциалов ведут себя как дипольная антенна.

излучения помех через соединительные кабели.

Сетчатая заземляющая система. Многие бюджетные изделия не используют многослойные ПП, а, следовательно, не могут воспользоваться преимуществами, которые позволяют реализовать слои заземления и питания. Наличие скрытых слоев обеспечивает бесконечное число потенциальных путей возврата, т. к. обратный ток пройдет по наименьшему пути, тем самым минимизируя петлю, а, следовательно, и уровень излучаемых ЭМП. В бюджетных изделиях, использующих односторонние или двухсторонние ПП альтернативой может служить сетчатая заземляющая система. Она представляет из себя соединенные вместе проводники заземления, как это представлено на рис. 3.

— >— >—< )—с — > ( : л.

у' У'

Т < >—с >—< N и >—< )—о

Г Г/

и ^ — >—^ 1— ^—

Рис. 3. Пример сетчатой заземляющей структуры и возможный путь обратного тока.

Так как обратный ток пройдет по наименее длинному из возможных путей, петля будет уменьшена. Чем чаще расположена сетка, тем более она похожа на заземляющий слой МПП, а значит работает более эффективно. [3, 4]

На большинстве ПП проводники располагаются перпендикулярно друг-другу на обеих сторонах платы. Такая структура позволяет увеличить число оптимальных соединений, уменьшив их длину. Казалось бы, что сетчатая заземляющая система может помешать такой трассировке, однако использование межслойных переходов (соединение между двумя сторонами однослойной ПП или между любыми слоями МПП) позволяет избежать этого, что представлено на рис. 4.

Сигнальный проводник

Рис. 4. Использование межслойных переходов позволяет провести сигнальный проводник через заземляющую сетку

Небольшое увеличение объема работ на этапе топологического проектирования ПП избавит в дальнейшем от многочисленных проблем ЭМС. В случае разработки более сложных ПП обычно используется МПП, поэтому проблем с разработкой заземляющей сетки не возникнет, т. к. в этом случае, как было упомянуто выше целесообразней использовать заземляющие слой ПП.

ПП содержащие различные виды сигналов. При конструировании сложного ЭС содержащего как аналоговые так и цифровые цепи самым оптимальным решением будет использование нескольких ПП, каждая для своего блока. Однако для

удешевления изделия в бюджетных конструкциях часто используют одну ПП которая может оказываться достаточно большого размера. Большинство таких ПП будет содержать три характерные зоны: цифровые цепи, аналоговые цепи и высокошумящие цепи (например, двигатели и системы их управления). Для того чтобы по возможности предотвратить попадание помех характерных одной зоне в другую, необходимо топологически разнести эти цепи на ПП. При этом проектировщик часто разделяет зоны заземления для каждой такой секции. Наличие дорожки через такие разделенные зоны может образовать большую петлю для обратных токов. Разделение зон заземления или наличие разрывов в ней будет вызывать повышенное излучение ЭМП [5]. Одна из причин этого - создание больших петель обратными токами, кроме того две несоединенные зоны в области ВЧ образуют излучающую дипольную антенну. Слои питания для каждой такой секции должны быть абсолютно независимы, но разделение слоя заземления на соответствующие зоны будет плохим решением [6]. Выходом из данной ситуации может быть расположение под каждым таким проводником проводника заземления. В таком случае обратные токи будут возвращаться непосредственно по этой перемычке, тем самым минимизируя петлю, а, следовательно, и излучаемые ЭМП, как это представлено на рис. 5. Самым лучшим решением будет вообще не разделять слои заземления, т.к. в этом случае у обратных токов будет путь непосредственно под проводником, что минимизирует длину петли и устраняет эффект дипольной антенны между двумя несоединенными слоями. В бюджетных изделиях, где вместо МПП используются двухсторонние ПП, для приближения к слою заземления может применяться сетчатая заземляющая структура, т.е. вышеупомянутые принципы актуальны и в этом случае.

а)

в)

Рис. 5. Разделение слоя заземления на зоны содержащие различные виды сигналов: а) неоптимальная трассировка вызывающая появление большой петли, б) в) предпочтительные трассировки с меньшей площадью

петли

Трассировка цепей питания и развязывающие конденсаторы. Традиционно при трассировки проводников питания в первую очередь обращают внимание на минимальное падение

напряжение на печатном проводнике, с тем, чтобы напряжение питания не понизилось до недопустимого уровня. Т.е. во внимание

принимается режим работы на постоянном токе.

Если же принять во внимание, что проводники питания, как и заземления, имеют собственную паразитную индуктивность, а цифровые схемы изменяют потребляемый ток, при переключении логических состояний, то падение тока на паразитной индуктивности Ь(ё1/ё1:) этих проводников приведет к падению питающего напряжения во время изменения логического уровня. Кроме того, паразитная индуктивность заземления или проводников возврата сигнала вызывает появление разности потенциалов, из-за которого потенциал на «земляных» ножках ИМС отличается. Оба этих эффекта создают вероятность появления ошибок, которая будет увеличиваться с уменьшением времени

нарастания/спада фронта сигнала.

Правильно будет представить проводники

питания и заземления как линии передачи представленные на рис. 6, которая будет

характеризоваться полным сопротивлением

&С

Основной задачей при проектировании

ПП в этом случае будет уменьшение индуктивности Ь и увеличение емкости С, т.е. получение линии передачи с наименее возможным Хс. Одни из таких

способов представлен на рис. 7 [7]. Располагая проводники питания и земли параллельно друг-другу с разных сторон платы, а также выполняя их как можно более широкими мы уменьшаем Хс. Т.о.

применяя грамотную с точки зрения ЭМС трассировку проводников уже на этапе топологического проектирования ПП, мы можем решить многие проблемы ЭМС, для которых на последующих этапах потребовались бы более дорогие конструктивные, технологические, а возможно и схемотехнические методы.

В МПП такой способ реализовать еще проще, расположив слои питания и заземления вместе. Использование в качестве диэлектрика материалов с высокой удельной диэлектрическая проницаемостью дополнительно позволит уменьшить полное сопротивление цепи питания.

Использование вышеуказанного способа не всегда бывает достаточным, в таком случае в разрабатываемую конструкцию дополнительно необходимо включить развязывающие конденсаторы, расположенные между выводами питания и земли каждой ИМС. Данные конденсаторы помогают избежать перекос питающего напряжения между ИМС и устранить паразитную разность потенциалов на заземлении. Расположение такого конденсатора на ПП как обычного ЭРЭ не подходит, в связи с тем, что выводы питания и земля в большинстве ИМС расположены по диагонали, а следовательно соединительные проводники будут большой протяженностью. Разумеется, что эти проводники также будут обладать паразитной индуктивностью, которая хоть и является меньшей по сравнению с проводниками питания, но все равно должна быть уменьшена. На рис. 8 показаны оптимальные

способы расположения развязывающих

конденсаторов с использованием сетчатой заземляющей структуры и конденсатора монтируемого на поверхность, расположенного с другой стороны платы.

— г , 1

^Ипит і 1 і Земля

Ипит

Земля

Ипит

X

'= '

Земля

Рис. 7. Топологические способы уменьшения полного сопротивления цепи питания

-ш-

Рис. 8. Оптимальные способы расположения развязывающих конденсаторов

Кроме того имеются развязывающие конденсаторы, которые конструктивно

располагаются в гнезде (панели) для ИМС, а затем сверху вставляется и сама ИМС. Конструктивно такие конденсаторы выполнены в виде параллельных пластин разделенных тонким слоем диэлектрика и фактически не имеют выводов.

Поведение реального конденсатора, отличается от идеального. Физическое устройство реального конденсатора включает в себя эквивалентное последовательное сопротивление (ЕБЯ) и эквивалентную последовательную индуктивность (ЕБЬ). К тому же, реальный конденсатор обладает сопротивлением утечки. Сумма этих паразитных эффектов приводит к изменению характера

частотной зависимости полного сопротивления (рис. 9). Низшая точка импедансной зависимости известна как частота собственного резонанса. Разработчики часто пытаются подобрать конденсаторы с собственной резонансной частотой, находящейся близко от рабочей частоты системы. Однако параметры реальных конденсаторов делают этот подбор нецелесообразным при тактовой частоте, превышающей 100 МГц. Здесь следует руководствоваться правилом, что развязывающие конденсаторы допустимо использовать на частотах более низких, чем частота их собственного резонанса, до тех пор, пока их импеданс на этих частотах остается достаточно низким.

Часюїа, МГц

Рис. 9. Зависимость полного сопротивления от частоты для идеального (синяя линия) и реального (красная линия) конденсатора

Поскольку емкости при параллельном соединении суммируются, а результирующая

индуктивность уменьшается, то параллельное соединение двух небольших конденсаторов с одинаковыми значениями емкости может привести к качественному выигрышу, по сравнению с применением одного большого конденсатора. Конечным результатом будет такая же емкость развязки и меньшая паразитная эквивалентная последовательная индуктивность.

На практике обычно избегают использования конденсаторов с разными значениями емкостей для создания локальной развязки. Составные

конденсаторы с разными емкостями обладают частотной зависимостью полного сопротивления, складывающейся из частотных зависимостей полного сопротивления отдельных конденсаторов. Пример представленный на рис. 10 был рассмотрен в [8]. Конденсатор емкостью 47 нФ используется для развязки низких частот, а конденсатор емкостью 150 пФ для высоких. На первый взгляд, можно предположить, что параллельное соединение этих конденсаторов позволит улучшить импедансную характеристику (рис. 10, а). На практике такое

соединение может породить существенные проблемы на частотах, находящихся между собственными резонансными частотами конденсаторов. На рис. 10, б видно, что комбинация двух конденсаторов создает антирезонансный пик (а, следовательно, повышенное сопротивление) на суммарной частотной

характеристике.

Уменьшение области петли тока. Как

говорилось ранее, для уменьшения излучения ЭМП необходимо стремиться уменьшить петлю тока. На рис. 6 представлено несколько возможных способов, которые не увеличивают стоимость разработки, однако значительно улучшат показатели параметров ЭМС.

б)

Рис. 10. а) Ожидаемый результат объединения конденсаторов с различными емкостями -уменьшение импеданса; б) фактический результат объединения конденсаторов с различными емкостями - резонансный пик

На рис. 7 показано сокращение петли для пути обратного сигнала. Не все обратные пути могут быть легко обнаружены, однако необходимо по возможности уменьшить все петли перед запуском опытных образцов. САПР ПП имеют возможности отрисовки только определенных трасс, что может помочь в определении таких петель.

Заключение. Реализация требований ЭМС устройств начинается в первую очередь с разработки схем и выбора компонентов. Неправильные решения на ранних стадиях разработки часто могут быть скорректированы позднее лишь со значительными затратами времени и сил. Понимание принципов работы схемы крайне необходимо для выполнения требований ЭМС. Одним из основных условий этого является уменьшение эффективных площадей антенн. Например, совершенно недостаточно сделать короткими только сигнальные проводники, проводники их возвратных токов также должны быть короткими.

Umrr

4 ’ ИМС — 1 т— D ИР ЛС JfzC f" т 1

///////, / Площадь петли / //////л

m- Сигнальный проводник а) Цпит

4 ИМС 1 Л „ Э иг Земля tfC ^=С 1

• ; ✓ / Земля /

Сигнальный проводник б)

гНН] j ^игнальиъга] i гНН-j

MU U U U пооволнж U LI U U U

if / / / у|С лой земли. ////1

Слой Unит

в)

\

ПП

Рис. 11. Способы расположения ЭРЭ и формируемая область петли а) неоптимальный способ с большой петлей, б), в) оптимальные способы с меньшей площадью петли

Рис. 12. Способы размещения проводников и формируемая область петли а) неоптимальный способ с большой петлей, б), в) оптимальные способы с меньшей площадью петли

Литература

1. Судариков А.В., Ромащенко М.А., Муратов А.В.

Анализ электромагнитных воздействий

радиоэлектронных средств с помощью систем автоматизированного проектирования категории CAD/CAE // Вестник ВГТУ. - 2010. - Том 6, № 8. - С. 135-137.

2. H. W. Ott, Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, 2nd edn., Wiley-Interscience, New York, 1988.

3. R. F. German, Use of a ground grid to reduce printed circuit board radiation, Proc. 1985 Int. Symp. Technical Exhibition on Electromagnetic Compatibility, Zurich, Switzerland, March 1985.

4. T. S. Smith and C. R. Paul, Effect of grid spacing on the inductance of ground grids, Proc. 1991 IEEE Int. Symp. Electromagnetic Compatibility, Cherry Hill, NJ, Aug. 1991.

5. D. C. Smith and E. Nakauchi, ESD immunity in system designs, system field experiences and effects of PWB layout, Proc. 2000 EOS/ESD Symp.

6. H. W. Ott, Partitioning and layout of a mixed-signal PCB, Printed Circuit Board Design, 8-11 (June 2001).

7. Paul, Clayton R. Introduction to electromagnetic compatibility / Clayton R. Paul, 2nd edn., Wiley-Interscience, Hoboken, 2006.

8. C. R Paul, Effectiveness of multiple decoupling capacitors, IEEE Trans. Electromagn. Compat. EMC-34(2), 130-133 (May 1992).

Воронежский государственный технический университет

THE PRACTICAL APPLICATION OF DESIGNING AND TECHNOLOGICAL DECISIONS OF MAINTENANCE EMC AND EMS IN ELECTRONIC INSTRUMENT MAKING

M.A. Romashchenko

In article the basic questions on which are considered it is necessary to pay attention at PCB designing. Features of an arrangement of high-speed elements, possible configuration of PCB for reduction of radiation of hindrances through connecting cables are resulted. The description gridded ground and advantages of its application, and also feature Mixed-Signal PCB partitioning is resulted. The basic ways of reduction of full resistance of a feed circuit and an optimum arrangement of untying condensers are given, the effect of parallel inclusion of untying condensers, and also ways of an arrangement of components and placing of conductors for reduction of the area of a loop is considered

Key words: electromagnetic compatibility, electromagnetic stability, designing, printed circuit board