Pravidla návrhu desek plošných spojů: Elektromagnetická kompatibilita

Pravidla návrhu desek plošných spojů: Elektromagnetická kompatibilita

Když se řekne elektromagnetické rušení (EMI) a desky plošných spojů (DPS), je potřeba mít na paměti několik základních pravidel při návrhu elektroniky. Díky dodržení těchto pravidel v kombinaci s ověřením pomocí vhodného simulačního nástroje můžeme značně ušetřit náklady na prototypy, a předejít tak potenciálním problémům u měření a certifikace.

Pokud se bavíme o vysokofrekvenčních signálech, měli bychom uvažovat jednu vodivou cestu na stejné rovině. Proud tekoucí na desce musí vždy dorazit zpět ke zdroji, a uzavřít tak celou proudovou smyčku (žlutá smyčka na obrázku 1a). Proud podle zákonů fyziky půjde cestou nejmenšího odporu, respektive impedance, a vytvoří tak co nejmenší smyčku, aby se minimalizovala indukčnost této smyčky (obrázek 1b).

Obrázek 1a: Proud tekoucí po desce; Obrázek 1b: Návratová cesta proudu

Pokud nezohledníme při návrhu referenční signály, vystavujeme se potenciálnímu riziku s elektromagnetickou kompatibilitou, respektive s rušením. Podíváme se nyní, jaká pravidla je dobré dodržovat při návrhu elektroniky a jak provést jednoduché analýzy elektroniky v Ansys SIwave, respektive na EMI Scanner, který dokáže desku automaticky analyzovat.

Pravidlo 1: Návratová cesta

Vysokorychlostní signály jsou často vedeny skrz několik vrstev na desce, a to pomocí vodivých prokovů. I zde je potřeba stále pamatovat na návratovou cestu proudu. Na obrázku 2a můžeme vidět cestu proudu mezi referenční vrstvou jedna a dva skrz prokov. V tomto případě zbytečně zvyšujeme riziko výskytu nežádoucího vyzařování v oblasti prokovu, protože návratová cesta proudu není korektně uzavřena.

Obrázek 2a:Návratová cesta proudu přes prokov; Obrázek 2b:Návratová cesta proudu při použití paralelních prokovů/kondenzátorů

Pokud chceme předejít těmto problémům, je nezbytné referenční vrstvy propojit pomocí kondenzátoru a/nebo pomocí prokovů. Ty musí být umístěny co nejblíže k problematickému místu – signální stopě, čímž zkrátíme návratovou smyčku proudu, což je zobrazeno na obrázku 2b.

Pravidlo 2: Vedení blízko okraje referenční vrstvy

Pokud stopa není vedena blízko okraje referenční roviny, elektrické pole se dobře uzavírá mezi touto stopou a referenční rovinou DPS, což je zobrazeno na obrázku 3a. Na druhou stranu, pokud je stopa vedena blízko okraje referenční vrstvy, siločáry elektrického pole mohou unikat mimo hlavní referenční vrstvu a uzavírat se přes jinou DPS.

Obrázek 3a: Vazba EM pole vůči referenční vrstvě, Obrázek 3b: Vazba EM pole s další DPS přes hranu referenční vrstvy; Obrázek 3c: Vazba EM pole s vnějším kabelovým svazkem

Rovněž je potřeba kontrolovat zdroje a kabelové vedení poblíž desky, protože elektrické pole se může uzavírat nejen s DPS sousedního systému, ale také se může spojit s polem od kabelů, a tím zapříčinit problémy s vyzařováním nebo emisemi.

Pravidlo 3: Přerušené vedení na desce

V některých případech návrháři layoutu záměrně rozdělují stopy vedené na referenční vrstvě, viz. obrázek 4a což ovšem způsobí prodloužení proudové smyčky, protože proud se musí uzavírat kolem celé mezery, která rozděluje stopu. Delší návratová cesta proudu způsobuje vyšší indukčnost a nutně vede k problémům s EMI. Obecné doporučení je vyhnout se přerušení stopy, nicméně pokud není jiná možnost, je dobré využít například překlenovacího kondenzátoru (obrázek 4b), který zkrátí proudovou smyčku. Tyto kondenzátory umisťujeme co nejblíže k místu křížení stopy a přerušení DPS.

Obrázek 4a: Návratová cesta proudu při přerušení DPS; Obrázek 4b: Návratová cesta proudu při použití překlenovacího kondenzátoru

Nyní se podíváme na to, jak použít tato pravidla v EMI Scanner programu Ansys SIwave a také popíšeme vliv přerušení.

Příklad rozdělení sítě: Simulace ve vztahu k fyzickému testu

Na obrázku 5 vidíme použití EMI Scanner modulu, který identifikoval dvě křížení sítě SPI1_SCK s přerušenou referenční vrstvou na DPS a označil tato místa jako potenciální hrozbu.

Obrázek 5: Označená hrozba funkcí EMI Scanner na sítě SPI1_SCK

Pro účely další analýzy vytvoříme dva páry kondenzátorů o hodnotě 0.1 µF (dva přes každé přerušení), což je znázorněno na obrázku 6.

Obrázek 6: Kondenzátory vytvořené přes přerušení vrstvy

Provedli jsme analýzu blízkého pole pomocí nástroje Ansys SIwave před a po usazení kondenzátorů. Obrázky 7a a 7b ukazují výsledky před usazením kondenzátorů a na obrázcích 7c a 7d lze vidět výsledky po usazení kondenzátorů v místě přerušení linky SPI1_SCK. Hrozba z EMI scanneru zmizí a je vidět i značný pokles absolutních hodnot na výsledcích blízkého pole.

Obrázek 7a, 7b: Výsledky blízkého pole při přerušení DPS bez překlenovacích kondenzátorů;

Obrázek 7c, 7d: Výsledky blízkého pole při přerušení DPS s použitím překlenovacích kondenzátorů

V automobilovém průmyslu se obvykle testují komponenty na vyzařované emise podle požadavků normy CISPR 25 ve vzdálenosti 1 m. Na obrázku 8 je znázorněn výsledek porovnání dvou simulací dalekého pole DPS ve vzdálenosti jednoho metru na frekvenčním rozsahu 30 MHz–1 GHz. Povšimněte si efektu zařazení kondenzátorů, kde se úroveň emisí snížila o 5–10 dB. Když do výsledků zahrneme požadavky CISPR 25 – Class 5 TV band 1 (28 dBµV/m odpovídá 41–88 MHz); Class 5 VHF (35dBµV/m odpovídá 142–175 MHz), je patrné, že DPS testem bez vložených kondenzátorů nemusí vůbec projít.

Obrázek 8: Porovnání vyzařovaných emisí ve vzdálenosti 1 m

Prostudovali jsme tedy signální vazby na PCB, konkrétně návratovou cestu proudu, vedení blízko okraje referenční vrstvy a přerušené vedení na desce, a můžeme konstatovat, že tato pravidla značně ovlivňují výstupní chování DPS a jejich porušení může přinést problémy s vyzařováním DPS.

EMI Scanner a obecně simulace v Ansys SIwave pomůžou s predikcí případných problémů s vyzařováním DPS a umožňují návrháři rychle reagovat na požadavky a upravovat návrh DPS tak, aby problémy co nejvíce eliminoval. Díky tomu má návrhář jistotu, že jsou jeho data v pořádku a nemusí mít strach z fyzického testování při certifikačním měření.