Redukcja interferencji elektromagnetycznych

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 (patrz ramka). 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. Jednak w każdym przypadku stosowanie metod pasywnych, choć prowadzi do zamierzonego celu, jest czasochłonne i drogie.

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. Niestety, wadą tej metody jest zmniejszenie stosunku sygnału do szumu systemu poprzez rozciągnięcie w czasie momentu próbkowania.

W niektórych zastosowaniach można temu zapobiec, stosując układy sprzężenia zwrotnego. Kolejną wadą jest znaczące zmniejszenie sprawności urządzenia wynikające ze zwiększenia poboru prądu. Jak wiadomo, układy cyfrowe CMOS pobierają największy prąd w czasie przełączania, a czas ten jest w omawianej metodzie z definicji wydłużany.

Rys.3. Redukcja interferencji elektromagnetycznych poprzez rozpraszanie widma

Kolejną metodą, w której również chodzi o zmianę właściwości widmowych sygnału, jest rozpraszanie widma sygnału zegarowego (SSC, spread spectrum clocking). W tej metodzie szpilki interferencji elektromagnetycznych redukuje się poprzez rozproszenie energii sygnału zegarowego w szerszym paśmie. SSC można stosować, nie używając żadnego dodatkowego komponentu, a jej zaletą jest to, że rozproszenie energii utrzymuje się też wtedy, gdy sygnały zegarowe są rozprowadzone do odbiorników. Metoda rozpraszania widma sygnału zegarowego jest od wielu lat z powodzeniem stosowana w komputerach PC.

Rozproszenie widma uzyskuje się poprzez modulację częstotliwościową sygnału zegarowego. Parametrami modulacji mającymi wpływ na rozproszenie są: kształt funkcji modulującej, dewiacja częstotliwości oraz częstotliwość modulacji. Całkowita energia widma po rozproszeniu jest taka sama jak widma przed rozproszeniem, ale jest rozłożona w szerszym paśmie, a nie skoncentrowana wokół jednej częstotliwości (rysunek 3).

Wraz z rozszerzaniem pasma częstotliwości maksymalna wartość energii zmniejsza się. Dzięki tej technice można obniżyć maksymalny poziom energii w paśmie o 5...18dB. Kształt funkcji modulującej w oczywisty sposób wpływa na kształt widma sygnału, a więc na efektywność redukcji maksymalnego poziomu energii w paśmie.

Najprostszym rozwiązaniem dającym dobre rezultaty jest stosowanie przebiegu trójkątnego. Lepsze rezultaty w odniesieniu do bardziej płaskiego rozłożenia energii w paśmie i redukcji szpilek osiąga się, stosując przebieg opatentowany przez firmę Lexmark, pokazany na rysunku 4. Większość urządzeń SSC ma zaimplementowany jeden lub drugi kształt funkcji modulującej, choć można też spotkać urządzenia oferujące możliwość wyboru przebiegu lub nawet jego zaprogramowanie.

Rys.4. Przebieg sygnału modulującego. Częstotliwość w funkcji czasu. Przykład pokazuje rozpraszanie w dół (f_nom – częstotliwość nominalna, f_m – częstotliwość modulująca, δ – dewiacja częstotliwości)

Drugim parametrem modulacji widocznym na rysunku 4 jest maksymalna odchyłka (dewiacja) częstotliwości Δf. Jest to różnica pomiędzy dolną i górną częstotliwością modulowanego sygnału. Jest ona często określana procentowo w stosunku do częstotliwości podstawowej przebiegu i wskazuje równocześnie na stopień rozproszenia widma. Typowo stosowane wartości zawierają się w przedziale 0,25...4% i są dobierane eksperymentalnie w końcowej fazie powstawania produktu.

Ostatnią zmienną w sygnale modulującym jest częstotliwość. Standardowo jest to 30 kHz. Generalnie, pożądana jest niska częstotliwość, jednak może ona być powodem występowania zaburzeń akustycznych. Sporadycznie stosowane są częstotliwości modulacji do 100 kHz lub więcej, ale są wtedy dopasowane do specyfiki aplikacji, w której są użyte. Większość urządzeń SSC pracuje ze stałą, ustaloną częstotliwością modulacji.

Stopień redukcji EMI zależy nie tylko od stopnia rozproszenia widma, ale również od częstotliwości zegarowej. Przykładowo, rozproszenie o 1% częstotliwości zegarowej równej 100 MHz oznacza międzyszczytową dewiację częstotliwości o 1 MHz. Rozproszenie o 1% częstotliwości zegarowej 20 MHz oznacza zaledwie 200 kHz. Chociaż procentowo rozproszenie widma jest identyczne, różna jest redukcja szpilek EMI. Sygnały zegarowe o niższej częstotliwości przy tym samym stopniu redukcji EMI wymagają większego procentowego rozproszenia widma.

To samo zjawisko dotyczy harmonicznych. Podobnie, jak są one całkowitą wielokrotnością częstotliwości podstawowej, szerokość rozproszenia ich widma harmonicznych jest również odpowiednio rozszerzona. Wracając do przykładu z zegarem 100 MHz i rozproszeniem 1%, trzecia harmoniczna ma częstotliwość 300 MHz i jest rozproszona na pasmo 3 MHz - trzy razy szersze niż częstotliwość podstawowa. Dzięki temu redukcja EMI na sygnałach harmonicznych jest odpowiednio większa niż na częstotliwości podstawowej. Zależność pomiędzy skutecznością ograniczenia szpilek EMI a stopniem rozproszenia widma nie jest liniowa. Najlepsze rezultaty osiąga się przy małym procentowym rozproszeniu widma. Zwiększanie rozproszenia z reguły prowadzi do pogorszenia rezultatów. Z tego powodu rzadko zdarza się większe rozproszenie niż 5%.