EMC w projektowaniu PCB - jak nie dać się zwariować?

Jednym z nich jest korzystanie z narzędzi do symulacji i pomiarów. Jeżeli chodzi o pierwsze, asortyment jest szeroki, jednak programy te, poza tym, że są kosztowne i często, by uzyskać prawidłowe wyniki, wymagana jest specjalistyczna wiedza z zakresu ich obsługi, mogą nie uwzględniać pewnych niestandardowych konfiguracji w obrębie płytki drukowanej. To z kolei sprawia, że rezultaty symulacji mogą znacząco odbiegać od wyników pomiarów, które swoją drogą zawsze są obarczone błędem. Zasadniczo jednak, godząc się z tym, że oprogramowanie do symulacji kompatybilności elektromagnetycznej opiera się na niekompletnych modelach PCB, a pomiary nie są idealnie dokładne, można zgrubnie ocenić projekt płytki drukowanej. Symulacja i pomiary są więc pomocne w detekcji newralgicznych elementów konstrukcji, przez które nie jest ona odporna na zaburzenia elektromagnetyczne ze źródeł zewnętrznych, jak i zwiększających jej własną emisyjność.

Zasady projektowe

Podstawowym sposobem na zapewnienie kompatybilności elektromagnetycznej i integralności sygnałowej powinno być jednak, po pierwsze, zrozumienie istoty zjawisk, które są przyczyną problemów, a po drugie, przestrzeganie ogólnie przyjętych zasad, wypracowanych przez lata, w oparciu o wiedzę i doświadczenia innych konstruktorów.

Jeżeli chodzi o te pierwsze, pamiętać należy, że przewodniki na płytce drukowanej ograniczają przestrzeń, w której rozchodzi się pole elektromagnetyczne. Obszarami tymi można zarządzać, planując rozkład warstw w obrębie PCB. Jeśli to możliwe, należy zapewnić ciągłą płaszczyznę masy między każdą parą warstw sygnałowej/zasilania. To pozwoli na łączenie dwóch warstw przewodnika tylko przez przelotki sygnałowe.

Na temat ogólnie przyjętych zasad w zakresie projektowania PCB pod kątem kompatybilności elektromagnetycznej i integralności sygnałowej napisano wiele artykułów. W większości z nich powtarza się kilka zasad, co tylko potwierdza ich sprawdzoną skuteczność. Warto je z pewnością znać i stosować, z tym, że w tym drugim najlepiej zachować rozsądek. Nie są to bowiem wytyczne, których należy przestrzegać ślepo, nie analizując wymagań konkretnego projektu. Inaczej mogą się stać przyczyną problemów, a nie ich rozwiązaniem.

Ostrożnie z grupowaniem!

Jedną z takich zasad, do których stosowanie się trzeba dobrze przemyśleć, jest ta, która dotyczy grupowania komponentów na płytce drukowanej w zależności od ich funkcjonalności. Są one przykładowo klasyfikowane jako: analogowe, cyfrowe, zasilania, złącza oraz obwody niskiej częstotliwości. Tak pogrupowane powinny być też umieszczane w odpowiednich miejscach na PCB – obwody zasilania należy rozmieszczać w sąsiedztwie złączy, natomiast szybkie obwody cyfrowe możliwie najdalej od nich.

Można zaryzykować stwierdzenie, że ta wytyczna częściej niż inne jest powodem najbardziej wymyślnych układów komponentów na PCB – ścisłe i bezrefl eksyjne przestrzeganie nakazu grupowania prowadzić może do absurdalnych decyzji projektowych. Przykładem takiej jest prowadzenie szybkiej magistrali cyfrowej przez całą płytkę tylko po to, żeby odseparować podzespoły cyfrowe od złączy. Takie podejście nie jest oczywiście zalecane i jest skutkiem nieuwzględniania faktu, że różne PCB mają różne przeznaczenie.

Dlatego, jeśli chodzi o tę akurat zasadę, zawsze warto uwzględnić funkcjonalność komponentów i ich specyfikę, głównie szybkość przełączania, planując ich rozmieszczenie. Jednocześnie unikać należy stosowania się do ogólnych zasad ich grupowania i rozmieszczania bez odniesienia ich do konkretnych wymagań płytki.

Dzielić, nie dzielić?

Druga zasada, równie często nadużywana, dotyczy konieczności rozdzielania płaszczyzn masy dla podzespołów analogowych i cyfrowych. W niektórych przypadkach rzeczywiście jest to najlepszym wyjściem. Jest to, przeważnie bardzo rzadko, dobrym pomysłem, jeżeli występuje konieczność, aby odseparować prądy niskiej częstotliwości, typowo poniżej kilkuset kiloherców, których źródłem są obwody emitujące silne zaburzenia, od dzielenia tej samej ścieżki powrotnej co prądy w obwodach, które są na takie zakłócenia wrażliwe.

Niestety poza takim przypadkiem znacznie częściej wykonanie przerwy w ciągłej płaszczyźnie masy może powodować problemy, zaburzając przepływ prądów o wysokiej częstotliwości i generując napięcia, które ostatecznie powodują problemy z emisją promieniowaną. Częściej zatem lepszym rozwiązaniem jest pozostawienie płaszczyzny masy w całości i umożliwienie obu typom obwodów jej współdzielenia.

W sytuacjach, w których wymagane jest z kolei izolowanie od zaburzeń niskoczęstotliwościowych, prawie zawsze lepiej jest zapewnić odseparowane drogi powrotne dla sygnałów z tych obwodów. Zwykle wykonuje się to, prowadząc ścieżkę lub płaszczyznę na innej warstwie PCB.

Problem z masą

Kolejna problematyczna zasada to wymóg, aby płaszczyzna masy pod wejściami/wyjściami (złączami) była oddzielona od płaszczyzny masy cyfrowej sekcji PCB, z jednym punktem połączenia pomiędzy nimi. Ta wytyczna była słuszna dawniej, kiedy większość płytek drukowanych miała dwie warstwy, a gęstość upakowania ich podzespołami oraz ich częstotliwości przełączania były nieporównywalnie mniejsze. Obecnie jednak można powiedzieć, że jest to jeden z gorszych pomysłów.

Zasadniczo bowiem celem powinno być połączenie niskoimpedacyjne między obudową a masą sekcji cyfrowej w zakresie częstotliwości powyżej 300 MHz (emisja promieniowana) i kontrola przepływu prądu niskiej częstotliwości (poniżej 100 kHz) przez izolowanie obudowy oraz masy sekcji cyfrowej przy niskich częstotliwościach. Tymczasem proponowane rozwiązanie daje efekt dokładnie odwrotny. W efekcie, w przypadku jego zrealizowania, wymagane są liczne dodatkowe kondensatory, których skuteczność jest jednak dyskusyjna.

Uziemienia jedno- i wielopunktowe

Zgodnie z kolejną zasadą uziemienia jednopunktowe powinno się stosować w obwodach niskiej częstotliwości, natomiast uziemienia wielopunktowe w obwodach wysokiej częstotliwości. Choć założenia leżące u podstaw tej wytycznej niekoniecznie są niepoprawne, projektanci PCB, którzy nie rozumieją różnicy między masą a drogą powrotu prądu, często wykorzystują ją, by uzasadnić nieprawidłowe rozwiązania. Przy niskich częstotliwościach niepożądane jest bowiem, żeby wszystkie prądy powrotne płynęły przez jeden punkt, jak to się dzieje, gdy ślepo próbuje się stosować to podejście. Ogólnie mówiąc bowiem, chcemy kontrolować prądy niskich częstotliwości, ograniczając im drogi przepływu, natomiast w przypadku prądów wysokich częstotliwości kontrolujemy je, zapewniając im tylko jedną drogę przepływu. W praktyce zatem koncepcja uziemienia jedno- oraz wielopunktowego rzadko jest pomocna, a częściej jest źródłem złych decyzji projektowych.

Gdzie podłączyć masę?

Podłączenie masy sekcji cyfrowej do obudową przy zegarze/oscylatorze to też częściej zły, niż dobry pomysł. Jeśli celem jest odseparowanie prądów obudowy od masy sekcji cyfrowej przez zastosowanie połączenia jednopunktowego, wtedy to połączenie powinno się znajdować wzdłuż krawędzi, gdzie umieszczone są złącza. Tymczasem przeważnie zegary i oscylatory są montowane jak najdalej od nich. Dlatego wykonanie połączenia w pobliżu tych komponentów zniweczyłoby jednopunktowy charakter uziemienia. Nawet jednak jeżeli nie są podejmowane żadne wysiłki w kierunku kontrolowania przepływu prądów niskoczęstotliwościowych, nie ma w zasadzie żadnego dobrego powodu, aby zrealizować połączenie masy sekcji cyfrowej z masą obudowy w pobliżu tego typu newralgicznych podzespołów PCB.

Dopasowywać czy nie dopasowywać? Wszystkie ścieżki, dłuższe niż jedna czwarta długości fali dla najwyższej możliwej częstotliwości, powinny być zakończone dopasowaną impedancją. Wydaje się to nieszkodliwą zasadą, ale bywa źródłem złych decyzji projektowych. Ogólnie rzecz biorąc, lepiej jest jednak powiązać opóźnienie propagacji w ścieżce z czasem narastania sygnału. Jeśli opóźnienie propagacji jest większe niż czas narastania, być może warto jest rozważyć dopasowanie. Tutaj też warto dodać, że najwyższa możliwa częstotliwość nie jest specjalnie dookreślonym parametrem, inaczej niż opóźnienie propagacji i czas narastania sygnału. Generalnie zatem nie należy się w pierwszej kolejności decydować na dopasowywanie ścieżki – lepszym rozwiązaniem jest spowolnienie czasu narastania. Dopasowanie ścieżek bowiem w praktyce zwiększa czas narastania i skutkuje większym poborem prądu ze źródła. O ile nie projektujemy zatem PCB z bardzo szybkimi układami cyfrowymi albo bardzo dużych płytek drukowanych, o tyle niewiele (jeśli w ogóle jakieś) ścieżek wymaga dopasowania.

Ścieżki i płaszczyzny

Ścieżki nie powinny być prowadzone w taki sposób, żeby zmieniały kierunek pod kątem prostym. Niektórzy twierdzą, że uzasadnieniem tej wytycznej są kwestie łatwości wykonania, inni, że wpływa to na kompatybilność elektromagnetyczną. Praktycznie jednak chociaż ścięcie narożnika ścieżki w przypadku szerokiej linii transmisyjnej o kontrolowanej impedancji może się okazać dobrym rozwiązaniem przy prędkościach transmisji rzędu Gb/s, generalnie poprowadzenie dwóch zwrotów ścieżki pod kątem 45° niż jednego pod kątem 90° korzyści nie przynosi.

Na koniec analizujemy zasadę, zgodnie z którą zarys płaszczyzny zasilania nie powinien pokrywać się z obszarem płaszczyzny masy. Zaleca się, aby między ich krawędziami zachowana była odległość równa dwudziestokrotności odstępu między tymi płaszczyznami w pionie. Chociaż można wyobrazić sobie sytuacje, w których wykonanie płaszczyzny zasilania nieco mniejszej niż płaszczyzna masy może być dobrym pomysłem (przykładem jest chęć zapobiegania sprzężeniu zaburzeń od szyny zasilającej z kablami ułożonymi na krawędzi płyty), rzadko jest to konieczne. Wynika to stąd, że zapewnienie takiej różnicy w ich rozmiarach nie zmniejsza ich promieniowania, o ile płaszczyzna zasilania nie jest umieszczona między dwoma płaszczyznami masy – w takim przypadku nie są one źródłem promieniowania, nawet jeżeli wszystkie są takiego samego rozmiaru. Jeżeli już jednak istnieje konieczność ograniczenia emisji promieniowania na krawędziach PCB, wystarczy różnica w powierzchni między tymi płaszczyznami rzędu dwukrotności lub trzykrotności ich odległości w pionie.

Monika Jaworowska