Рекомендации по проектированию печатных плат для снижения ЭМИ и обеспечения ЭМС

Введение
Электромагнитные помехи (ЭМИ) могут негативно повлиять на надёжность,
производительность и безопасность электронных устройств. Проектирование печатных плат (PCB), соответствующих требованиям электромагнитной совместимости (ЭМС), играет ключевую роль в снижении ЭМИ. Данная статья содержит рекомендации по проектированию плат с учетом ЭМС, включая выбор топологии, структурирование слоёв, заземление и трассировку.

Проблемы ЭМИ и ЭМС
ЭМИ — это нежелательные радиочастотные сигналы, возникающие внутри устройства или извне, которые нарушают работу электроники. ЭМИ может быть как излучаемой (через воздух), так и проводимой (по линиям питания или сигнальным дорожкам). ЭМС означает, что устройство не должно создавать помех другим устройствам и быть устойчивым к внешним помехам.

Возможные источники помех.

Основные источники ЭМИ на плате
Наиболее часто ЭМИ возникает из-за:
• неудачной разводки сигнальных дорожек (особенно высокочастотных);
• недостаточного развязывания питания;
• неправильного разделения аналоговых и цифровых цепей;
• длинных токовых петель;
• отсутствия непрерывной земли.

Неправильная практика развязки приводит к появлению непреднамеренных синфазных (СМ) и дифференциальных (ДМ) токов.

Рекомендации по проектированию PCB для снижения ЭМИ
1. Правильная структура слоёв
Многослойная структура платы позволяет разместить сигнальные дорожки между плоскостями питания и земли, что помогает экранировать трассы и сократить длину токовых петель.

Рекомендуемые структуры:
• 4-слойная плата: сигнал — земля — питание — сигнал
• 6-слойная плата: сигнал — земля — сигнал — питание — сигнал — земля

Рекомендуемая структура слоев многослойной печатной платы (12 слоев).

2. Использование сплошной земли
Непрерывная плоскость земли минимизирует импеданс пути возврата сигнала. Ток всегда идёт по пути наименьшего импеданса, а не просто по кратчайшему пути. Разрывы в земле создают антенны и усиливают ЭМИ.

Всегда подключайте заземление устройства непосредственно к полигону земли.

3. Минимизация токовых петель
Токовые петли — ключевой источник излучаемых помех. Размещайте сигнальные дорожки как можно ближе к опорной земле. Избегайте трассировки сигнальных линий над разрывами в полигоне земли.

4. Группировка компонентов и развязка питания
Группируйте аналоговые, цифровые и силовые цепи. Используйте развязывающие
конденсаторы рядом с выводами питания ИС и подключайте их к ближайшей земле. Для
высокочастотных схем используйте конденсаторы с низким ESL и ESR.

Компоненты печатной платы должны быть сгруппированы в соответствии с сигналами, с которыми они работают.

Шум шины питания снижается за счет размещения развязывающих конденсаторов вблизи выводов питания ИС.

5. Согласование импеданса
Высокочастотные сигналы должны иметь согласованный импеданс по всей длине трассы. Используйте контролируемую ширину дорожек и согласующие резисторы для предотвращения отражений и переизлучения.

Правильная стратегия терминирования выходов помогает снизить «звон» линии передачи.

6. Дифференциальные пары
Для интерфейсов типа LVDS, USB, HDMI важно, чтобы дифференциальные пары были равной длины и трассировались рядом без отклонений друг от друга. Это уменьшает площадь излучения электромагнитных помех.

7. Экранирование и фильтрация
Для чувствительных цепей и шумных источников используйте металлические экраны. Также применяются LC-фильтры, ферритовые бусины на входах и выходах устройства.

Экранирование ЭМИ/ЭМС защищает сигнал от внешних помех.

Заключение
Правильное проектирование печатной платы с учётом ЭМС и минимизации ЭМИ обеспечивает соответствие стандартам, снижает количество ошибок при сертификации и увеличивает надёжность работы устройств. Следование приведённым рекомендациям позволяет создать устойчивую к помехам архитектуру уже на стадии проектирования.