Zmniejszanie podatności urządzeń na zaburzenia elektromagnetyczne

Rys. 1. Wykorzystanie obszaru miedzi w roli radiatora dla elementów mocy. W odpowiednio zaprojektowanym obwodzie drukowanym prąd nie przepływa przez „radiator” i emisja zaburzeń jest znacząco zmniejszona

Po wprowadzeniu oznakowania CE na terenie Unii Europejskiej szybko okazało się, że spełnienie nałożonych na sprzęt wymogów w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej jest znacznie trudniejsze, niż mogłoby się wydawać. Często inżynierowie pracujący nad urządzeniami elektronicznymi uświadamiają sobie to dopiero w momencie, gdy sami są zmuszeni zapewnić zgodność produktu z wymogami dyrektywy EMC. Trudno wtedy przekonać zespół projektantów, że opracowany układ jest złej jakości i konieczne są poprawki.

Pierwszym krokiem w takiej sytuacji jest poszukiwanie tzw. złotego środka, który rozwiąże wszystkie problemy zgodności z dyrektywą przy minimalnym nakładzie wysiłków i kosztów. Niestety, taki złoty środek nie istnieje. Najlepszym rozwiązaniem jest podjęcie problemu już na wstępnym etapie pracy nad projektem. Pierwszym krokiem jest wyszczególnienie źródeł zaburzeń elektromagnetycznych mających wpływ na pracę urządzenia.

Przykładem może być sieć energetyczna (50...60Hz), konwertery impulsowe stosowane do zasilania lamp fluorescencyjnych (40 kHz), uliczna sygnalizacja świetlna zawierająca obwody pracujące z częstotliwością 50...100 kHz, a także źródła w.cz., takie jak nadajniki radiowo-telewizyjne czy radary. Nie wszystkie źródła zaburzeń stanowią problem. Na przykład rezonator kwarcowy w zegarku pracuje z niską częstotliwością i promieniuje bardzo małą ilość energii.

Czynnikiem decydującym o poziomie emitowanych zaburzeń jest moc doprowadzona do elementu stanowiącego potencjalną antenę (przewód, długa ścieżka na płytce PCB, większe obszary miedzi itp.). Ilość wypromieniowanej energii jest uzależniona od iloczynu prądu i napięcia, dlatego ograniczając jeden z tych czynników, można zmniejszyć poziom interferencji. Przykładowo, synchroniczne przetwornice DC-DC wykorzystują tranzystory FET jako elementy przełączające.

Rys. 2. Ramka w systemie NADC

Niekiedy wymagają one układu chłodzenia, którym może być odpowiednio duży obszar miedzi na płytce drukowanej. Oprócz funkcji radiatora, pełni on niestety także funkcję anteny połączonej z nieizolowaną obudową tranzystora, na której obecne jest napięcie o częstotliwości kilkudziesięciu kHz (rys. 1). Tak zaprojektowany układ będzie wytwarzał znaczące ilości zaburzeń elektromagnetycznych. Warto zauważyć, że generacja fali jest możliwa dopiero wtedy, gdy przez antenę przepływa prąd.

W prawidłowo zaprojektowanym obwodzie całkowity prąd będzie przepływał jedynie przez wyprowadzenie tranzystora z pominięciem obszaru miedzi stanowiącego radiator. Pozwala to zarówno zmniejszyć emisję zaburzeń elektromagnetycznych, jak i zapewnić niezbędne chłodzenie. Niekiedy znacznie prostszym wyjściem jest wyeliminowanie źródła stanowiącego przyczynę zaburzeń. Przekonali się o tym ponad dekadę temu inżynierowie pracujący w przemyśle motoryzacyjnym, kiedy po raz pierwszy instalowali radio w samochodzie.

Szybko okazało się, że nie ma prostej recepty na usunięcie zakłóceń z odbiornika i dopiero dołączenie kondensatora do alternatora skutecznie zapobiegło ich powstawaniu. Metoda ta jest jeszcze skuteczniejsza w połączeniu z odpowiednio szczelnymi elementami ekranującymi. Nie zawsze istnieje możliwość ograniczenia ilości zaburzeń emitowanych przez pobliskie źródło, którym może być np. stacja bazowa lub pracujący w pobliżu telefon komórkowy wytwarzający fale radiowe o dużej częstotliwości i mocy.

Rys. 3. EMIRR (EMI Rejection Ratio), parametr określający zdolność układu do tłumienia zaburzeń wejściowych. Przykładowe charakterystyki LMV851

Istniej wiele dróg przedostawania się zaburzeń do urządzenia elektronicznego, choćby poprzez przewody, ścieżki na płytce drukowanej czy nawet układy scalone. Zrozumienie mechanizmu powstawania w torze audio zakłóceń powodowanych pracą telefonów komórkowych wymaga znajomości stosowanego w nich protokołu transmisji danych. W systemach bazujących na wielodostępie TDMA (timedivision/multiple-access), w którym dane cyfrowe są przesyłane w szczelinach czasowych, sekwencja złożona z sześciu szczelin tworzy ramkę trwającą 40ms.

W przypadku kanałów kodowanych z pełną prędkością użytkownik przesyła dane dwukrotnie w obrębie jednej ramki, np. w pierwszej i czwartej szczelinie czasowej. W efekcie transmitowany sygnał stanowi odpowiednik fali prostokątnej o okresie wynoszącym 20ms, co widać na rysunku 2. Warto zauważyć, że protokół komunikacyjny systemu GSM dopuszcza transmisję radiową z odstępem czasu wynoszącym 4,6ms o dopuszczalnej mocy 33 dBm. Przyczynia się to do powstawania znacznie silniejszych zaburzeń niż w przypadku systemu bazującego na wielodostępie TDMA.

Zakłócenia słyszalne w głośnikach sprzętu audio są efektem demodulacji sygnału zaburzającego wskutek nieliniowości układów scalonych, a nawet przewodów. Na skutek nieliniowości następuje mieszanie sygnałów i w układzie pojawiają się harmoniczne, włączając w to częstotliwości w paśmie akustycznym. Zjawiska takie powstają również w układach nieliniowych zawierających sprzężenie zwrotne odpowiedzialne za redukcję zniekształceń. Przy wyższych częstotliwościach sprzężenie zwrotne traci swoje właściwości i urządzenie nie tłumi dobrze zaburzeń elektromagnetycznych.

Rys. 4. Masa zaprojektowana w postaci „grzebienia” wydłuża drogę prądu powrotnego

Obecność m.in. diod zabezpieczających wejścia układów analogowych sprawia, że sygnał radiowy indukowany w ścieżkach obwodu drukowanego oraz płaszczyznach zasilających (power planes) jest poddawany demodulacji i przenika do pasma akustycznego. Dla częstotliwości 1 GHz struktura wewnętrzna układu scalonego nie stanowi dobrej anteny, gdyż wewnętrzne połączenia i związane z nimi pojemności są podatne dopiero na częstotliwości rzędu dziesiątek GHz, czyli znacznie wykraczających poza zakres użytkowany przez telefonię komórkową.

Układy scalone pochodzące od różnych producentów reagują jednakże różnie na zaburzenia, co jest uzależnione od rozrzutu ich parametrów, głównie pojemności wejść i indukcyjności wyprowadzeń. Są jednak wciąż podatne na interferencje. W celu przezwyciężenia tego problemu firma National Semiconductor opracowała wzmacniacz LMV851 o podwyższonej odporności na zaburzenia. Producent wprowadził nowy parametr określający zdolność układu do tłumienia zaburzeń pojawiających się na wejściach: EMI RR (EMI Rejection Ratio).

Przykładowy wykres tego współczynnika został przedstawiony na rysunku 3. Wzmacniacze operacyjne bazujące na strukturach FET oraz CMOS są mniej podatne na efekty demodulacji niż ich bipolarne odpowiedniki. Niemniej elementy wykonane w technologii CMOS są wrażliwe na działanie pola elektromagnetycznego o częstotliwościach radiowych. Tranzystor może przejść w stan przewodzenia pod wpływem promieniowania radiowego o odpowiednim natężeniu.

Rys. 5. Masa zaprojektowana w postaci siatki

Każdy wzmacniacz operacyjny może ponadto przekształcać sygnał zaburzający na składową stałą. Jest to jeden z objawów EMI, którego skutków wielu użytkowników sobie nie uświadamia. Zmiana wartości składowej stałej może prowadzić do powstawania oscylacji w układzie, zmiany częstotliwości sygnału czy też wprowadzać zniekształcenia harmoniczne. Najgorszym z objawów jest jednak niewłaściwe funkcjonowanie urządzenia. W niektórych układach scalonych odsprzęganie sygnału w.cz. jest zrealizowane w oparciu o rezystancję wejściową i pasożytnicze pojemności.

Nawet małe pojemności wnoszone przez zabezpieczenia antystatyczne mogą dawać dobre rezultaty, powodując efektywne zwieranie do masy sygnałów radiowych. Firma Maxim poszła o krok dalej, opracowując wzmacniacz LMX324. Zawiera on obwody wejściowe tak zaprojektowane, że gwarantują one ochronę antystatyczną i jednocześnie cechują się zwiększoną odpornością na interferencje radiowe. Niestety, układ ten wykazuje również wady w postaci zawężonego pasma oraz mniejszego zapasu fazy (phase margin).

Reguły projektowe

Czasami najlepszym wyjściem wydaje się zastosowanie metalowej obudowy ekranującej całe urządzenie. Ma to zapobiegać przedostawaniu się fal elektromagnetycznych do wnętrza oraz uniemożliwić wypromieniowanie na zewnątrz zaburzeń pochodzących od pracujących elementów. Niestety, jest to najczęściej rozwiązanie drogie i niepraktyczne, a w wielu przypadkach niemożliwe do zastosowania. Jedynym wyjściem pozostaje najczęściej staranne zaprojektowanie płytki drukowanej.

Rys. 6. Zbyt duże „wcięcie” w płaszczyźnie masy może sprawić, że nie zapewni ona odpowiednio krótkiej drogi dla prądu powrotnego

Pierwszą rzeczą, o której warto pamiętać, jest unikanie obwodów charakteryzujących się wysoką impedancją. Nietrudno zauważyć, że niepodłączona nigdzie ścieżka jest znacznie lepszą anteną, niż byłaby po podciągnięciu do masy przez rezystor. Podobnie, pogorszenie jakości „anteny” można osiągnąć, skracając jej długość do niezbędnego minimum. Nawet antena o długości 1/8 fali może wprowadzić do układu niepożądaną ilość zaburzeń. Z tego względu ważne jest, aby trasowane połączenia były możliwie krótkie.

Dobre rezultaty zapewnia też prowadzenie ścieżek sygnałowych parami, blisko siebie. Pozwala to wyeliminować z układu duże pętle charakteryzujące się większą wrażliwością na fale radiowe. Istnieje szereg zasad stanowiących dobrą praktykę w projektowaniu obwodów drukowanych i pozwalających ograniczyć podatność na zaburzenia elektromagnetyczne. Niektóre z nich wyszczególniono poniżej:

• wszystkie przewody powinny być podciągnięte do masy lub płaszczyzny zasilającej (power plane),
• miejsce dołączenia masy czujnika powinno być zlokalizowane w pobliżu miejsca, gdzie doprowadzane są sygnały pomiarowe,
• warto prowadzić ścieżki sygnałowe parami (blisko siebie) lub w pobliżu ścieżek zasilania, gdyż zaburzenia w takiej sytuacji są jednakowe w obu liniach i mogą być łatwiej usunięte,
• impedancja wszystkich obwodów powinna być możliwie niska,
• obwód powinien być projektowany „ciasno”, tzn. zajmować możliwie małą powierzchnię na płytce drukowanej,
• płaszczyzna masy powinna być jednorodna i zaprojektowana w sposób uniemożliwiający przenikanie zaburzeń z obwodów cyfrowych do analogowych,
• wysokoprądowe obwody zasilające powinny być umieszczane na górnej warstwie miedzi i zwierane do płaszczyzny masy przez kondensator,
• kondensatory odsprzęgające powinny być umieszczane przy każdym wejściu zasilającym układy scalone,
• obwody wyjściowe, do których przyłączone są długie przewody, powinny mieć niską impedancję,
• linie sygnałowe warto wykonywać jako linie mikropaskowe umieszczone pomiędzy płaszczyznami zasilającymi,
• jeśli tylko jest to możliwe, warto przesyłać sygnały w postaci różnicowej.

Rys. 7. Zapewnienie dodatkowej drogi dla prądu powrotnego

Kondensatory przeznaczone do odprzęgania zaburzeń o częstotliwości radiowej powinny mieć pojemność około 100pF i charakteryzować się niską impedancją dla zakresu częstotliwości, który mają filtrować. Na płytce drukowanej można przewidzieć miejsce przeznaczone na kondensatory o małej pojemności, włączane pomiędzy wejścia wzmacniaczy operacyjnych oraz między inne, wrażliwe punkty. Warto zwrócić uwagę na to, aby poziom sygnałów przesyłanych po ścieżkach lub przewodach był możliwe największy, ale musi być akceptowany przez pozostałe elementy znajdujące się w urządzeniu.

Problem masy

Sposób rozmieszczenia ścieżek rozprowadzających masę na płytce drukowanej ma ogromne znaczenie dla końcowej odporności urządzenia na zaburzenia elektromagnetyczne. Często odpowiednie zaprojektowanie połączeń zostaje powierzone oprogramowaniu, jednak konwencjonalne narzędzia projektowe rozwiązują ten problem na zasadzie prowadzenia sygnału z jednego punktu do drugiego. Nie ma to większego znaczenia, gdy w urządzeniu występuje jedna płaszczyzna masy, ale w innym przypadku może być źródłem problemów.

Sytuacja jest jeszcze trudniejsza dla płytek jedno- i dwuwarstwowych, gdyż często konieczne jest nanoszenie ręcznych poprawek i optymalne rozmieszczanie ścieżek dla krytycznych połączeń (np. sygnałów zegarowych wysokiej częstotliwości). Ścieżki takie powinny być prowadzone w pobliżu linii masy, w której będzie płynął prąd stowarzyszony z prądem ścieżki krytycznej. Jednym z aspektów właściwego prowadzenia masy jest minimalizacja impedancji ścieżek, która w głównej mierze jest uzależniona od ich indukcyjności. Impedancja ta może być zmniejszona na dwa sposoby:

• poprzez skrócenie połączenia lub zwiększenie szerokości ścieżki,
• poprzez prowadzenie ścieżki, w których przepływa prąd zwrotny, możliwe blisko ścieżki właściwej (sygnałowej) oraz równolegle do niej.

Rys. 8. Układy scalone mogą przyczynić się do wydłużenia ścieżki, po jakiej płynie prąd powrotny i pogorszenia własności EMC urządzenia

Indukcyjność połączeń na PCB jest funkcją przede wszystkim długości, a dopiero w drugim rzędzie szerokości, co pokazuje poniższy wzór: L[μH] = 0,0051 ∙ l ∙ [ln(4l / d) – 0,75]. Na rysunku 4 przedstawiono przykład błędnie rozwiązanego problemu masy, w którym ma ona postać „grzebieniową”. Ścieżka sygnałowa jest co prawda krótka, ale prąd powrotny płynie bardzo długim połączeniem, tworząc znaczącą pętlę. Znaczenie lepsze rezultaty osiąga się, projektując masę w formie siatki tak, jak pokazano na rysunku 5.

Warto również wstawiać „mostki” przewodzące prąd powrotny dla danego sygnału. Zmniejsza to znacznie impedancję i przyczynia się do ograniczenia emisji zaburzeń elektromagnetycznych. Bardzo duża liczba równoległych ścieżek masy zamienia się w pewnym momencie w powierzchnię – płaszczyznę masy. Często jest to najlepsze rozwiązanie również w przypadku prostych i tanich układów zaprojektowanych na jednostronnej płytce. Bez większego trudu można dodać górną warstwę miedzi i otrzymać układ z płaszczyzną bez wprowadzania zmian w opracowanej już spodniej warstwie.

Masa w tym przypadku zostanie dołączona w jednym punkcie za pomocą przelotki wykonanej z drutu. Nie jest to jednak pełne rozwiązanie, gdyż górna warstwa miedzi nie jest płaszczyzną masy, a jedynie płaszczyzną uziemioną (grounded copper layer). Zaletą takiego podejścia jest rezygnacja z metalizacji otworów, co pozwala ograniczyć koszty. Uzyskuje się w ten sposób częściowe ekranowanie, które redukuje efekt sprzężenia pojemnościowego do ścieżek.

Rys. 9. Skrócenie drogi prądu powrotnego poprzez dodanie ścieżki pomiędzy wyprowadzeniami układu

Rozwiązanie to jest najbardziej efektywne dla obwodów o wysokiej impedancji, w których sprzężenia pojemnościowe stanowią główny problem. Jeszcze lepsze efekty osiąga się, kiedy punkt łączący górną warstwę miedzi z masą znajduje się w sąsiedztwie najbardziej wrażliwej części obwodu i jest zlokalizowany możliwie daleko od brzegu płytki drukowanej.

W sytuacji, gdy wzrost kosztów jest dopuszczalny i metalizacja otworów wchodzi w grę, górna warstwa miedzi może zostać przekształcona w typową płaszczyznę masy poprzez przeniesienie na nią ścieżek masy (wszystkie ścieżki masy są wtedy usuwane z warstwy dolnej). Pozwala to na zmniejszenie rozmiaru druku i gęstsze upakowanie elementów, co dodatkowo przyczynia się do polepszenia własności EMC urządzenia (krótkie połączenia emitują mniej zaburzeń).

Oprócz redukcji efektu sprzężenia pojemnościowego, dodatkowo redukowane jest sprzężenie magnetyczne. W tym przypadku obowiązuje zasada, że najbardziej wrażliwe obwody urządzenia powinny być zlokalizowane na środku płytki drukowanej, gdzie podatność na zaburzenia elektromagnetyczne jest najmniejsza. Nie jest wymagane, aby płaszczyzna masy pokrywała całą płytkę drukowaną, jednak konieczne jest, aby była ona zlokalizowana ponad wrażliwymi blokami funkcjonalnymi urządzenia.

Rys. 10. Wzmacniacz operacyjny z dodatkowymi elementami poprawiającymi własności EMC

Osobny problem stanowią wszelkie przerwy w płaszczyźnie masy. Może to spowodować, że przestanie ona pełnić swoją funkcję i nie będzie zapewniać najkrótszej drogi dla prądów powrotnych, co pokazuje rysunek 6. Prąd powrotny pokonuje tu bardzo długą drogę, co powoduje, że ścieżka, po jakiej przepływa, ma znacznie większą impedancję, niż powinna. Przyczynia się to do zwiększenia emisji zaburzeń w układzie.

Jeżeli takie „wcięcia” są konieczne, należy utworzyć na druku dodatkową ścieżkę, aby skrócić połączenie dla prądu powrotnego (rys. 7). Podobny problem można napotkać, gdy na warstwie zawierającej płaszczyznę masy umieszczone są duże elementy, takie jak układy scalone (rys. 8). W tej sytuacji prąd powrotny płynie wokół układu scalonego, a jego droga jest dłuższa i mniej efektywna.

Najprostszym rozwiązaniem jest dodanie cienkich połączeń pomiędzy wyprowadzeniami układu scalonego, które w zasadzie nie zwiększają kosztów produkcji płytki PCB, ale pozwalają znacząco skrócić drogę pokonywaną przez prąd powrotny (rys. 9). Pewien problem stanowić może testowanie urządzenia, które jest wykonane na wielowarstwowej płytce drukowanej i ma ścieżki sygnałowe rozprowadzone po wewnętrznych warstwach miedzi.

Rys. 11. Dodatkowy kondensator i dławik (lub rezystor) zwiększają odporność na zaburzenia elektromagnetyczne

W takiej sytuacji wielu projektantów testuje opracowane urządzenie na płytce mającej warstwy sygnałowe na zewnętrznej stronie PCB. Po sprawdzeniu urządzenia i spełnieniu przez nie fundamentalnych wymagań można przystąpić do wykonania prototypowej płytki, która na zewnątrz zawiera płaszczyzny zasilające. W takiej sytuacji ścieżki mogące emitować promieniowanie elektromagnetyczne są umieszczane pomiędzy płaszczyznami zasilania.

Ograniczanie pasma

Zawężenie przenoszonego przez urządzenie pasma umożliwia dalsze zmniejszenie ilości zaburzeń generowanych przez układ. Cel ten można osiągnąć, dodając do układu (rys. 10):

• wejściowe filtry LC lub RC (1),
• sprzężenie zwrotne zrealizowane w oparciu o elementy RC (2),
• kondensatory o pojemności 10...33pF (3).
• rezystory szeregowe włączane między wejścia wzmacniacza i wejścia układu (4).

Należy jednak mieć na uwadze, że filtry RC mogą pogorszyć tłumienie sygnału sumacyjnego (obniżenie współczynnika CMR – Common Mode Rejection) oraz wpłynąć na obniżenie stabilności układu. Z tego względu kondensator musi mieć małą pojemność. Przykładowo, dodanie kondensatora o pojemności 27pF w pętli sprzężenia zwrotnego w zwykłym wzmacniaczu operacyjnym pracującym w konfiguracji odwracającej, może zwiększyć odporność na zaburzenia elektromagnetyczne o 10...35dB (w zakresie częstotliwości od 0,15 do 150 MHz).

Warto wspomnieć, że współczynnik CMR przy wysokich częstotliwości jest zależny od stopnia niezrównoważenia pojemności wejściowych wzmacniacza, dlatego kondensatory o tolerancji 10% są praktycznie nieakceptowalne. Szeregowe rezystory podłączone bezpośrednio do wejść są korzystne zarówno w układach zawierających wzmacniacze operacyjne, jak i komparatory. Ze względu na bardzo dużą rezystancję wejściową tych układów, można stosować rezystory o wartości kilkuset omów na każde wejście.

Rezystory wraz z pojemnościami wejściowymi tworzą filtry tłumiące sygnały radiowe indukowane w obwodach wejściowych. Możliwe jest również zastosowanie dławików zamiast rezystorów, jeżeli z jakichś powodów nie można zwiększać rezystancji wejściowej układu. Popularnym rozwiązaniem zwiększającym odporność na zaburzenia elektromagnetyczne układów zawierających tranzystor na wejściu jest ponownie szeregowy rezystor o małej wartości bądź dławik. Dodatkowo, warto dołączyć bezpośrednio do bazy i emitera kondensator o pojemności 10...33pF (rys. 11). Zmniejsza to zaburzenia powstające na złączu o ile kondensator znajduje się możliwe blisko wyprowadzeń tranzystora.

Podsumowanie

Zapewnienie kompatybilności EMC urządzeń elektronicznych stanowi znaczący problem. Wynika to z coraz ostrzejszych regulacji prawnych określających wymaganą jakość końcowego produktu oraz z rosnących oczekiwań konsumentów. Rozwiązanie tego problemu rzadko jest trywialne i wymaga świadomego działania już na etapie wstępnego projektu. Istnieje jednak szereg reguł, które umożliwiają zwiększenie szansy na szybkie i zadowalające zakończenie prac nad urządzeniem. Ze względu na rosnącą liczbę aplikacji bezprzewodowych oraz zwiększającą się liczbę przetwornic impulsowych pracujących w urządzeniach powszechnego użytku można oczekiwać, że z czasem problem będzie nabierał znaczenia.

Jakub Borzdyński