Sposoby ograniczania problemów z kompatybilnością elektromagnetyczną

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 Powszechnie panuje przekonanie, że kluczem do dobrego projektu płytki drukowanej z układami mieszanymi jest podzielenie płaszczyzny masy na dwie części w celu odizolowania mas układów cyfrowych i komponentów analogowych. Chociaż takie rozwiązanie w niektórych wypadkach rzeczywiście się sprawdza, niestety znacznie częściej staje się źródłem dodatkowych problemów. 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 Do złamania pierwszej zasady najczęściej dochodzi na etapie prowadzenia ścieżek sygnałowych, gdy zostają one wytyczone w taki sposób, że przebiegają nad szczeliną oddzielającą cyfrową i analogową płaszczyznę masy. Przykład takiej sytuacji przedstawiono na rysunku 4. Zakładając, że obie te płaszczyzny są gdzieś w obrębie systemu połączone, zauważyć można, że powierzchnia pętli, w której płynąć będzie prąd powrotny, jest dość duża. 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