Źródła interferencji
Rys. 1. Siatka masowa (1a), niezalecany i zalecany sposób uziemienia (1b), zastosowanie klatki Faradaya (1c)
Wszystkie możliwe drogi propagacji sygnału są potencjalnymi źródłami pola elektromagnetycznego. Każda z nich, od układu scalonego, ścieżki na płytce po kabel koncentryczny, inaczej wypromieniowuje pole elektromagnetyczne. Ograniczanie poziomu interferencji zaczyna się zatem już na etapie doboru komponentów, a kończy na konstrukcji obudowy.
Pole elektromagnetyczne generowane w urządzeniach elektronicznych jest wynikiem impulsów prądowych propagowanych wzdłuż długich ścieżek lub pętli. Każdy impuls rozchodzący się wzdłuż linii wytwarza pole magnetyczne prostopadłe do kierunku propagacji prądu. Spadek napięcia wynikający z przepływu prądu jest z kolei źródłem pola elektrycznego.
Oddziaływanie tych pól z innymi sygnałami nazywamy interferencjami elektromagnetycznymi. Na poziom interferencji oprócz właściwości linii prądowych (np. długości, ekranowania) wpływ mają również parametry propagowanego sygnału, takie jak częstotliwość, współczynnik wypełnienia, szybkość narastania zboczy oraz amplituda. Rolę odgrywaną przez te parametry najlepiej widzimy rozpatrując transmitowany sygnał w dziedzinie częstotliwości.
Metody zmniejszania poziomu interferencji
Generalnie metody redukcji interferencji elektromagnetycznych można podzielić na pasywne i aktywne. Do pasywnych należy filtrowanie oraz ekranowanie, które na etapie projektowania płytki drukowanej polega na stosowaniu pewnych reguł i zaleceń. Przy filtrowaniu należy rozpatrywać każdą ścieżkę lub bufor wyjściowy.
Ekranowanie z kolei jest metodą bardziej mechaniczną niż elektryczną. Minusem ekranowania jest większa masa i koszt materiałów końcowego produktu. Liczba iteracji przy projektowaniu płytki zależy od stopnia skomplikowania projektu i doświadczenia projektanta.
Projektowanie można w pewnym zakresie ułatwić dzięki zastosowaniu specjalistycznego oprogramowania, np. trójwymiarowych symulatorów elektromagnetycznych wspomagających projektowanie obwodów drukowanych oraz obudów. W metodach aktywnych stosuje się techniki skierowane na przyczyny powstawania interferencji, a nie na redukcję ich skutków.
Spowalnia się szybkości narastania zboczy, eliminuje ostre przejścia w przebiegach czasowych sygnałów oraz stosuje inne techniki wygładzające. Dzięki wydłużeniu czasu narastania zboczy ogranicza się energię częstotliwości podstawowej kosztem energii wyższych harmonicznych. Kolejną metodą, w której również chodzi o zmianę właściwości widmowych sygnału, jest rozpraszanie widma sygnału zegarowego (spread spectrum clocking).
Projekt płytki drukowanej
Rys. 2. Podstawowe ekranowanie obudowy oraz przewody ekranowane i filtrowane
Opracowanie projektu płytki drukowanej dla urządzenia optymalnego pod względem EMC, zwłaszcza takiego, w obrębie którego wykorzystywane będą układy analogowe i cyfrowe, może okazać się niełatwym zadaniem. Najważniejszą kwestią, wymagającą głębszej analizy, jest sposób realizacji płaszczyzny masy.
Jeżeli na tym etapie projektant PCB popełni błąd, musi liczyć się z dalszymi komplikacjami m.in. w kwestii prowadzenia ścieżek sygnałowych, jak również nierzadko z pogorszeniem parametrów całego urządzenia. Kluczem do minimalizacji problemów z EMC jest uziemienie (masa) o niskiej indukcyjności. Duża płaszczyzna masowa ma małą indukcyjność i tym samym emisję elektromagnetyczną oraz zapewnia niskie przesłuchy sygnału.
Mogą one wystąpić między dowolnymi dwoma drogami na płytce, zależą od indukcyjności i pojemności wzajemnej proporcjonalnie do odległości między ścieżkami, impedancji ścieżek czy nachylenia zbocza sygnałów cyfrowych. W układach cyfrowych przesłuchy spowodowane indukcyjnością wzajemną są z reguły większe niż wynikające z pojemności pasożytniczych.
W celu redukcji indukcyjności wzajemnej należy zwiększyć przerwy między ścieżkami lub zmniejszyć odległość od płaszczyzny masowej. Odprowadzanie sygnału z elementów do masy i dalej do uziemienia jest możliwe za pomocą różnych metod. Płytkę drukowaną o losowo uziemionych komponentach cechuje wysoka indukcyjność płaszczyzny masy oraz nieuniknione problemy z EMC.
W celu minimalizacji impedancji drogi ziemnopowrotnej zaleca się więc stosowanie pełnej płaszczyzny masy pod wszystkimi elementami, co upraszcza proces łączenia podzespołów z masą i zapewnia najkrótszą drogę elektryczną. Jednak wymaga ona dodatkowej pełnej warstwy miedzi na płytce, co może być niewykonalne w przypadku płytek dwuwarstwowych.
W takiej sytuacji zaleca się używanie siatek masowych (rys. 1a), w których indukcyjność masy zależy od odległości między elementami siatki. Ważny jest również sposób łączenia z masą sygnałów. Jeśli umasienie realizowane jest dłuższą drogą, to tworzy się pętla, która działa jak antena i wypromieniowuje energię. Dlatego każda droga ziemnopowrotna powinna być jak najkrótsza i musi prowadzić bezpośrednio do płaszczyzny masowej.
Nie zaleca się łączenia poszczególnych uziemień, a następnie prowadzenia ich do płaszczyzny masowej, gdyż zwiększa to obszar pętli oraz prawdopodobieństwo wystąpienia spadku napięcia na masie. Na rysunku 1b przedstawiono zalecaną metodę łączenia komponentów do płaszczyzny masowej. Nie należy też bez potrzeby dzielić płaszczyzny masy na wydzielone obszary "analogowe" i "cyfrowe" (patrz ramka).
Inną dobrą metodą ograniczenia problemów z kompatybilnością jest otoczenie płytki miedzią na podobieństwo klatki Faradaya i niewyprowadzanie żadnego sygnału na zewnętrz (rys. 1c). Ogranicza to emisję do obszaru ograniczonego klatką i zapobiega interferencjom sygnałów zewnętrznych z sygnałami na płytce. Z punktu widzenia EMC kluczowe jest także prawidłowe ułożenie warstw.
W przypadku użycia więcej niż dwóch należy jedną pełną warstwę wykorzystać jako płaszczyznę masową. W płytkach czterowarstwowych należy płaszczyznę zasilającą umieścić pod płaszczyzną masową, nad która powinny przebiegać drogi sygnałów w.cz.
Jeśli zastosowanie pełnej warstwy masowej w przypadku płytki dwuwarstwowej nie jest możliwe, to należy stosować siatki masowe. Przy braku oddzielnej płaszczyzny zasilającej, drogi masy powinny być prowadzone równolegle do dróg zasilających.
Rozkład elementów
Rys. 3. Nieekranowana obudowa z ekranowanymi komponentami oraz ekranowanymi i filtrowanymi przewodami
Aby uniknąć problemów z EMC, elementy na płytce powinny być grupowane według funkcjonalności (elementy analogowe, cyfrowe, zasilające, obwody o małej prędkości działania, dalej dużej prędkości itd.). Drogi sygnałowe danej grupy nie powinny wychodzić poza swój obszar, a na granicy podukładów należy stosować filtry.
W przypadku obwodów cyfrowych trzeba zwrócić szczególną uwagę na szybkie sygnały, w tym zegarowe, a drogi je łączące muszą być jak najkrótsze i powinny sąsiadować z płaszczyzną masową, aby ograniczyć emisję i przenikanie sygnału do sąsiednich połączeń. W takich przypadkach należy unikać stosowania przelotek na brzegach płytek lub w pobliżu złączy.
Sygnały muszą przebiegać daleko od płaszczyzny zasilającej, ponieważ mogą się w nich indukować zaburzenia od płaszczyzny masy. Drogi sygnałów różnicowych powinny znajdować się blisko siebie w celu jak najlepszego wzajemnego znoszenia pól magnetycznych.Drogi prowadzące sygnały zegarowe ze źródła do urządzenia muszą być zakończone dopasowaną impedancją, gdyż w przeciwnym przypadku nastąpi odbicie części sygnału.
Brak panowania nad odbiciami będzie skutkował wypromieniowaniem znacznej energii w.cz. Dopasowanie impedancji (terminacja) dotyczy obu końców linii. Żadna droga oprócz masy nie powinna przebiegać poniżej rezonatorów kwarcowych i ceramicznych oraz mikrofalowych wykonanych jako obszar miedzi na laminacie.
Zabronione jest też prowadzenie ścieżek równolegle do jego dróg, a sam rezonator powinien znajdować się jak najbliżej odpowiednich dla niego układów półprzewodnikowych. Ponieważ prąd powrotny zawsze płynie trasą o najmniejszej reaktancji, drogi masy powinny znajdować się blisko odpowiednich dróg sygnałowych, aby skrócić pętle prądowe.
Drogi sygnałów analogowych powinny znajdować się z dala od sygnałów szybkich i przełączających i muszą być zawsze chronione sygnałem masy. Należy stosować filtr dolnoprzepustowy w celu pozbycia się zakłóceń w.cz. pochodzących z pobliskich ścieżek analogowych, a podukłady analogowe i cyfrowe nie mogą współdzielić jednej płaszczyzny masowej (p. ramka).
Dzielenie płaszczyzny masy na części
Rys. 4. Należy unikać prowadzenia ścieżek sygnałowych nad szczeliną dzielącą płaszczyznę masy na dwie części W najlepszym razie może skutkować skomplikowaniem projektu, zwłaszcza w przypadku płytek o dużej liczbie komponentów i gęstej sieci ścieżek je łączących. W najgorszym wypadku, stosując podział mas, można doprowadzić do znaczącego pogorszenia jakości sygnałów w obrębie PCB oraz do zwiększenia poziomu zaburzeń emitowanych przez urządzenie. Problemy te wynikają stąd, że dzieląc płaszczyznę masy, łamie się dwie podstawowe zasady z zakresu kompatybilności elektromagnetycznej obwodów drukowanych. Pierwsza z nich dotyczy zapewnienia możliwie najkrótszej drogi przepływu prądu powrotnego. Jeżeli nie jest to spełnione, a obszar pętli utworzonej przez prąd powrotny jest odpowiednio duży, powstaje antena ramowa. Druga zasada dotyczy płaszczyzny odniesienia - najlepiej, gdy dla całego urządzenia (systemu) jest ona tylko jedna. W przeciwnym wypadku łatwo można skonstruować antenę dipolową o mocy promieniowania proporcjonalnej do długości przewodu, natężenia prądu oraz częstotliwości. 
Rys. 5. Płaszczyzny masy analogowej i cyfrowej są ze sobą połączone dopiero w masie źródła zasilania W efekcie prądy dużej częstotliwości spowodują wzrost poziomu promieniowania, z kolei prądy analogowe staną się podatniejsze na zaburzenia z zewnątrz. Na rysunku 5 przedstawiono przykład szczególnie niekorzystnej konfiguracji, w której płaszczyzny masy analogowej i cyfrowej są ze sobą połączone dopiero przy źródle zasilania. W ten sposób wymusza się przepływ prądu powrotnego aż do masy źródła zasilania, tworząc bardzo dużą pętlę. Dodatkowo w ten sposób niezamierzenie tworzy się antenę dipolową złożoną z obu tych płaszczyzn. Problem nadmiernie wydłużonej powrotnej drogi prądu można oczywiście obejść, jednak nierzadko komplikuje to cały projekt. Zatem skoro podział płaszczyzny masy może powodować takie utrudnienia, czy w ogóle warto go stosować? |
Rozważania pozapłytkowe
Każde zaburzenia pojawiające się na liniach zasilania wpływają na funkcjonowanie urządzenia. Na ogół mają one charakter w.cz., dlatego należy filtrować je kondensatorami odsprzegającymi. Prąd doziemny tworzy pętlę, która powinna być jak najkrótsza, dlatego należy umieścić kondensator bocznikowy jak najbliżej układu scalonego.
Duża pętla masy zwiększa emisję i może być przyczyną problemów z kompatybilnością. Wyprowadzenia oraz sama obudowa układu scalonego również dodają indukcyjność do obwodu, stąd należy stosować wiele kondensatorów o małej zastępczej indukcyjności szeregowej w celu poprawy efektu odsprzęgającego.
Często przyczyną problemów związanych z EMC są przewody sygnałów cyfrowych działające jak antena. W idealnym przypadku sygnał wchodzi z jednej strony przewodu i wychodzi z drugiej, jednak w rzeczywistości pasożytnicze pojemności i indukcyjności emitują zaburzenia.
Zastosowanie skrętki pomaga w minimalizacji sprzężeń poprzez wzajemne znoszenie indukowanych pól magnetycznych. W przypadku użycia kabla taśmowego należy zapewnić wiele dróg doziemnych, natomiast w przypadku sygnałów w.cz. stosować kabel ekranowany, a ekran łączyć do masy na początku i końcu kabla.
Ekranowanie układu
Ekranowanie nie jest rozwiązaniem elektrycznym, ale mechanicznym sposobem redukcji problemów z EMC. Aby zapobiec wydostawaniu się zaburzeń elektromagnetycznych z układu, stosuje się obudowy metalowe. Ekran może służyć do ochrony całego układu lub jego części i występuje w formie przewodzącej osłony połączonej z masą, która skutecznie zmniejsza rozmiar pętli antenowych poprzez pochłanianie i odbijanie części promieniowania (rys. 2).
Tym sposobem stanowi również barierę oddzielającą dwa obszary, tłumiąc energię elektromagnetyczną wypromieniowywaną z jednego obszaru do drugiego. Należy jednak pamiętać, że wyposażenie musi być odporne również na interferencje wewnętrzne. Ponadto ekrany zmniejszają zakłócenia elektromagnetyczne przez tłumienie składowych pól elektrycznych i magnetycznych wypromieniowywanej fali.
Ekranowanie może być wykonane z dowolnego przewodzącego materiału. Jego grubość nie ma większego znaczenia, gdyż powłoki przewodzące zapewniają wystarczającą skuteczność ekranującą dla w.cz. W zdecydowanej większości przypadków ograniczeniami są szczeliny, zatem kluczowe jest ich zamykanie. Wyjątkiem jest ekranowanie pól magnetycznych n.cz., szczególnie 50-60 Hz, dla których wymagane są materiały grube i przepuszczalne.
W zależności od aplikacji przewody przechodzące przez ekran muszą być ekranowane (linie w.cz.) lub filtrowane (linie m.cz. i zasilające). Przewody mające kontakt z pacjentem są zasadniczo niemożliwe do pełnego ekranowania, ponieważ od strony pacjenta muszą być odsłonięte. Ekran elementów powinien być szczelny, tak by niechciana energia nie wydostała się na zewnątrz, a energia zewnętrzna nie przenikała do środka.
W skrajnym przypadku na emisję zewnętrzną może być podatny jeden układ, zatem tylko on powinien być ekranowany. Natomiast jeśli potencjalnym problemem będzie cała płytka drukowana, to rozwiązaniem może być ekranowanie jej w całości. Gdy w urządzeniu jest kilka płytek PCB, to ekranowana może być cała kaseta.
Projektanci nie są ograniczeni do stosowania tylko jednego ekranu, jeśli będą postępować w zgodzie z zasadami ekranowania, a przewody przechodzące przez ekran będą również ekranowane lub filtrowane (rys. 3).
Podział układu na części
Wewnętrzne komponenty elektryczne lub elektroniczne są najczęściej podzespołami, jak np. zasilacz, mikrokontroler, połączenia z pacjentem, silniki, urządzenia wykonawcze, wyświetlacz czy przyciski sterujące.
Czasami możliwa jest integracja dwóch komponentów w jednym, np. wyświetlacza i panelu dotykowego. Rozplanowanie układu elementów na płytce jest tylko częścią procesu projektowania i zależy prawdopodobnie od czynników innych niż EMI.
Jednak wszędzie tam, gdzie istnieje zagrożenie emisją wewnętrzną, kwestia EMI musi być wzięta pod uwagę. Na przykład, jednym z najlepszych rozwiązań jest fizyczne odseparowanie źródeł zaburzeń (w tym kabli) od czułych odbiorników na jak największą odległość.
Testy przedwstępne w laboratorium
Przeprowadzanie testów na zgodność EMC w laboratorium w ostatniej chwili gwarantuje opóźnienia i wzrost kosztów. Testy przedwstępne należy wykonać jak najwcześniej, co umożliwi szybkie wprowadzenie ewentualnych poprawek.
Układ nie musi być ukończony, aby można było uzyskać przydatne informacje, a przeprowadzane testy nie muszą być kompleksowe i dokładnie opracowane. Z pewnością uzyskanie kompatybilności elektromagnetycznej wymaga planowania, które pozwoli na uniknięcie zarówno poważnych, jak i mniejszych problemów.
Grzegorz Michałowski
