Projektowanie PCB pod kątem EMC - minimalizacja pętli prądowych w obwodach drukowanych

Mechanizmy powstawania zakłóceń

Rys. 1.

Każdy przewód, w którym płynie prąd zmienny, jest potencjalnym źródłem zakłóceń. Jest nim również ścieżka obwodu drukowanego. Promieniowanie ścieżki obwodu można wyznaczyć, stosując metodę superpozycji i sumując pola promieniowane przez krótkie odcinki ścieżki traktowane jako dipole Hertza o różnych amplitudach i fazach.

Całkowite pola pochodzące ze ścieżek podobne są do pól pochodzących od dipola Hertza z tym, że promieniowanie jest proporcjonalne do kwadratu odległości. Przy dużych częstotliwościach są one poważnym problemem.

Promieniowanie przez pętle z prądem

Układ ścieżek, szczególnie tych zasilających, tworzy pętle w prądem przeciwbieżnym. Prądy przeciwbieżne tworzą pętle promieniujące, gdzie natężenia pól promieniowanych przez te pętle są wprost proporcjonalne do ich powierzchni (A) oraz do kwadratu częstotliwości prądu (I) - rysunek 1.

Rys. 2a.

Rys. 2b.

Z zależności na promieniowanie pętli z prądem wynika, że najbardziej efektywną metodą zmniejszania tego typu zakłóceń jest zmniejszanie powierzchni pętli. Dodatkowo ważna jest częstotliwość sygnałów. Używanie układów cyfrowych zbyt szybkich do danych zastosowań może być przyczyną przekroczenia dopuszczalnych poziomów emitowanych zakłóceń. Pętle prądów mogą powstawać w obrębie jednej warstwy, jak i między warstwami (rys. 2).

Minimalizacja pętli w obwodach zasilania

W obwodach zasilania mamy zazwyczaj do czynienia z większym natężeniem prądów w stosunku do częstotliwości. Mogłoby się wydawać, że w obwodach zasilania mamy do czynienia tylko i wyłącznie z prądem stałym. Nic bardziej mylnego. W zależności od zmienności obciążenia poszczególnych podzespołów zmienia się też prąd w obwodzie. Cykliczne zmiany prądu, na przykład towarzyszące częstemu i regularnemu uruchamianiu różnych przetworników lub realizacji procedur oprogramowania, determinują powstawanie zakłóceń w pętli zasilania.

Rys. 3.

Rys. 4.

Na rysunku 3 przedstawiono przykładowe rozwiązanie zasilania. Jak widać, ścieżki VCC i GND wyznaczają pętlę (zakreskowany obszar). Taką pętlę można zminimalizować, stosując odpowiedni układ komponentów na płytce (rys. 4). Jak można zauważyć, w tym rozwiązaniu pętla została drastycznie zmniejszona poprzez zmianę topologii ułożenia komponentów. Lepszą metodą jest zastosowanie druku dwustronnego, gdzie pętlę można "zamknąć" między warstwami (rys. 5).

Z pętlami prądowymi mamy do czynienia nie tylko w obwodach zasilania, ale też w obwodach sygnałowych. O ile w obwodach zasilania mamy do czynienia z większym prądem i mniejszą częstotliwością, o tyle w obwodach sygnałowych z reguły dominuje wyższa częstotliwość przebiegów i mniejsza wartość prądu. Należy jednak pamiętać, że emitowane promieniowanie rośnie wraz z kwadratem częstotliwości sygnałów.

Rys. 5.

Rys. 6.

Na rysunku 6 pokazano przykładową "dużą" pętlę w obwodzie sygnału. Niestety często topologia płytki determinuje takie prowadzenie ścieżek, ale z takimi problemami można sobie poradzić. Taką pętlę można zminimalizować poprzez równoległe poprowadzenie ścieżki GND do ścieżki sygnału (rys. 7). Jeszcze lepszą metodą jest zastosowanie druku wielowarstwowego, gdzie pętlę "zamykamy" w obszarze warstw układu (rys. 8).

Pętle prądów powstają również w dużych systemach, na przykład w magistralach komunikacyjnych. Szczególnie groźne są długie magistrale i linie sygnałowe. Przykład długiej magistrali dwuprzewodowej pokazano na rysunku 9. Taka magistrala wyznacza pętlę emitującą zakłócenia. Powstałą w ten sposób pętlę można zminimalizować poprzez odpowiednie ułożenie elementów lub przez zastosowanie druku wielowarstwowego (rys. 10).

Rys. 7.

Rys. 8.

Promieniowanie przez otwory i szczeliny

Szczelina półfalowa umieszczona prostopadle do linii prądu jest anteną dualną w stosunku do drutowej anteny półfalowej. Emitowane promieniowanie jest wprost proporcjonalne do pola elektrycznego w szczelinie i do jej powierzchni, jednakże pole to szybko zanika wraz ze zmniejszaniem częstotliwości. Na rysunku 11 przedstawiono mechanizm powstawania anten promieniujących przez otwory.

Rys. 9.

Rys. 10.

W obszarach otworów i szczelin powstają pętle prądów przeciwbieżnych, które emitują zakłócenia. Szczególnie groźne są długie wąskie szczeliny ustawione prostopadle do linii prądu. Wynika z tego, że należy unikać takich szczelin lub je minimalizować, otwory montażowe powinny być jak najmniejsze lub umieszczone poza ścieżką.

W płytkach wielowarstwowych właściwe jest stosowanie siatki wspólnej masy. Polega to na realizacji wielu połączeń między warstwami i użyciu jednej z warstw do umieszczenia tam siatki połączeń. Jeśli odległości między oczkami siatki będą bliskie zeru, taka siatka przekształci się w jedną płaszczyznę.

Rys. 11.

Rys. 12.

Droga prądu powrotnego w siatce z natury rzeczy będzie odpowiadać drodze prądu nad siatką lub obok siatki. Dzięki temu automatycznie następuje redukcja rozmiarów pętli. Droga prądu powrotnego odpowiadająca drodze prądu nad siatką zilustrowana została na rysunku 12, a na rysunku 13 pokazano drogę prądu powrotnego obok siatki.

Zaburzenia emitowane to nie tylko problem wpływający na urządzenia zewnętrzne. Często przy projektowanych dużych systemach zaburzenia mogą wpływać na pracę poszczególnych komponentów w obrębie systemu (obwodu drukowanego).

Rys. 13.

Rys. 14.

Należy pamiętać, że emitowane zaburzenia maleją z kwadratem odległości, dlatego obszary emitujące najwięcej zakłóceń (np. Hi-speed) należy umieszczać jak najdalej od krawędzi płytki i od komponentów wrażliwych (rys. 14). Szczególnie należy zwrócić uwagę na wszystkie złącza, do których dołączane są przewody. Powinny być one w miarę możliwości odsunięte maksymalnie daleko od źródeł zakłóceń.

Wojciech Mućka
projektant Kompania Elektroniczna Sp. z o.o.
Kompania Elektroniczna Sp. z o.o.
www.komele.eu