Электромагнитная совместимость при проектировании печатных плат.
Электромагнитная совместимость (ЭМС) – это не просто этап проверки готовой печатной платы, а фундаментальный принцип, который должен быть заложен в процесс проектирования с самого начала.
Последствия игнорирования ЭМС на этапе проектирования:
1. Нестабильная работа устройства: сбои, зависания, самопроизвольные перезагрузки.
2. Помехи для другого оборудования: ваше устройство может «глушить»Wi-Fi,Bluetooth, создавать помехи другим радиоприборам.
3. Невозможность пройти сертификацию: устройство не получит разрешение на продажу (например, маркировку CE, FCC). В России сертификация ЭМС представлена техническим регламентом Таможенного союза ТР ТС 020/2011 «Электромагнитная совместимость технических средств». Документ действует в странах Таможенного союза (ЕАЭС).
4. Дорогостоящая коррекция: исправление ЭМС на готовой печатной плате – это добавление экранов, ферритовых колец, переразводка печатной платы, что ведёт к задержкам производства и росту стоимости.
Вот ключевые принципы и методы обеспечения ЭМС при проектировании печатных плат (ПП):
1. Стратегия заземления (Самое важное!).
Правильная организация земли–это 90% успеха в ЭМС.
- Сплошные земляные полигоны. Используйте сплошные (заливные) полигоны на одном или нескольких слоях печатной платы. Это обеспечивает путь с низким импедансом для возвратных токов и уменьшает излучение.
- Разделение аналоговой и цифровой земли. Разделяйте аналоговую (AGND) и цифровую (DGND) земли, но соединяйте их только в одной точке (обычно под микросхемой АЦП/ЦАП или рядом с разъемом питания). Это предотвращает протекание цифровых токов по аналоговой земле.
- Многослойные печатной платы –ваш друг. Для сложных проектов используйте минимум 4-слойные печатной платы. Выделенные слои для земли (GND) и питания (PWR) создают идеальные возвратные пути и действуют как экраны между сигнальными слоями.
Пример stack-up (послойной структуры) 4-слойной печатной платы:
Top Layer: Сигналы + компоненты
Internal Layer 1: Земля (GND Plane)
Internal Layer 2: Питание (PWR Plane)
BottomLayer: Сигналы + компоненты
2. Разводка линий питания.
- Развязывающие (блокировочные) конденсаторы. Размещайте их максимально близко к выводам питания каждой микросхемы.
- Правило: конденсатор малой емкости (0.01 – 0.1 мкФ) для ВЧ-помех + конденсатор большей емкости (1 – 10 мкФ) для НЧ-пульсаций. Конденсаторы должны иметь короткие выводы (керамические чип-конденсаторы 0402, 0603 идеальны).
- «Звезда» для питания. Чувствительные аналоговые схемы (ОУ, АЦП) питайте от отдельной линии, идущей от стабилизатора, а не от цифровой части.
3. Трассировка сигнальных линий.
- Управление импедансом. Для высокоскоростных сигналов (USB, HDMI, Ethernet, тактовые генераторы) рассчитывайте и соблюдайте требуемый волновой импеданс (например, 50 Ом или 90 Ом для дифференциальных пар). Для этого используйте калькуляторы импеданса (встроены в многие CAD-системы).
- Петли тока. Старайтесь минимизировать площадь петель, образуемых сигнальным проводником и его возвратным путем (землей). Большая петля – это эффективная антенна.
- Длина дорожек. Для критичных линий (например, тактовых) делайте дорожки короткими и прямыми. Избегайте острых углов (90°), используйте скругленные углы или углы 45°.
- Дифференциальные пары. Высокоскоростные интерфейсы (USB, LVDS) трассируйте как дифференциальные пары: одинаковой длины, параллельно друг другу и с постоянным зазором.
4. Тактовые генераторы и высокоскоростные сигналы.
- Экранирование. Тактовые генераторы – главные источники помех. Обнесите их земляным полигоном по периметру, а под ними разместите сплошной земляной слой.
- Минимизация излучения. Дорожки от генератора к микросхемам должны быть максимально короткими. Не разводите тактовые сигналы по краю печатной платы.
- Буферизация. Если нужно развести тактовый сигнал на несколько микросхем, используйте буферы-повторители, чтобы избежать перегрузки выхода генератора.
5. Размещение компонентов.
- Функциональные группы. Располагайте компоненты, относящиеся к одной функции (например, источник питания, MCU и его обвязка, аналоговая часть), компактно и отдельно от других групп.
Разделение аналоговых и цифровых зон: Четко разделяйте на печатной плате аналоговую и цифровую части. Не допускайте, чтобы цифровые линии проходили через аналоговую зону, и наоборот.
6. Фильтрация и экранирование на границах печатной платы.
Вход/выход (I/O) фильтрация: Все линии, выходящие за пределы печатной платы (провода, кабели), являются потенциальными антеннами. Используйте на них:
- Ферритовые бусины: подавляют ВЧ-помехи.
- TVS-диоды: защита от электростатического разряда, electrostatic discharge (ESD).
- RC-фильтры.
- Экранированные корпуса: Если уровень помех очень высок, предусмотрите на печатной плате место и посадочные контактные площадки для металлического экрана (shieldcan).
Краткиеправила (чек-лист) по проектированию печатной платы (DesignReview)
Перед отправкой печатной платы на производство проверьте:
1. Земля.
Есть ли сплошные земляные полигоны? Правильно ли разделены аналог и цифра?
2. Конденсаторы.
Все ли микросхемы имеют развязывающие конденсаторы, расположенные в непосредственной близости от выводов питания?
3. Тактовые сигналы.
Дорожки короткие и защищены? Петли минимальны?
4. Высокоскоростные линии.
Рассчитан и соблюден импеданс? Дифференциальные пары сбалансированы?
5. Размещение.
Логично ли расположены компоненты? Цифра не мешает аналогу?
6. Границы печатной платы.
Есть ли фильтрация на всех I/O-линиях?
Полезные инструменты
Симуляторы: AnsysSIwave, CadenceSigrity, HyperLynx (от Siemens) — позволяют анализировать целостность сигналов (SI) и ЭМС до изготовления печатной платы.
Калькуляторы: Встроенные в AltiumDesigner, KiCad, Cadence калькуляторы импеданса дорожек.
Вывод: Проектирование под ЭМС – это предотвращение проблем до того, как они вызовут сбои (proactive approach), а не решение возникающих проблем (reactive approach). Вложенные время и усилия на этапе проектирования окупаются сторицей, избавляя от сложностей на этапе отладки и сертификации.
Вам может быть интересна статья "Как избежать ошибок при подготовке файла к производству?"
Еще больше интересного контента от «ЭЛЕКТРОконнект» здесь:
Сайт ТГ ВК Дзен Youtube Rutube