Назад в библиотеку

---

ЭMC при проектировании

Авторы: Tim Williams, Elma Services
Перевод: О.С. Паркис
Источник: http://www.elmac.co.uk/pdfs/desfremc.pdf

Введение

Основными проблемами ЭМС для электронных изделий является выделение внутренне произведенных высоких частот, которые могут вмешаться в бортовой или соседний радио-прием и восприимчивость к переходному процессу или радиочастотным помехам от внешней среды, которая может ухудшить качество аналоговых сигналов или испортить цифровые процессы.

Если они будут рассматриваться как неотъемлемая часть дизайна, эти требования не трудно учесть. Слишком часто их не рассматривают, потому что они не затрагивают видимое исполнение продукта, пока дизайн не совсем полон, и производство только собираются начать. Внедрение принципов ЭMC является дорогостоящим и трудоемким. Только 15% продуктов, при разработке которых не были учтены требования ЭMC, скорее всего, пройдут тестирование ЭMC в первый раз; в среднем необходимо от одного до двух модернизаций (снова тесты), прежде чем такие изделия будут засвидетельствованы.

Кабельная связь

Главную часть пути помеха проходит от изделия до окружающей среды и наоборот через соединительные кабели. Они формируют эффективные преобразователи с внешним миром, через проводимость в низких частотах и через радиацию, особенно вокруг их резонансных частот (при которой длина кабеля кратна четверти длины волны). Хотя кабели могут преднамеренно нести высокочастотные сигналы, такие как данные или видео, более мощный источник помех находится на границе кабеля и течёт во всех его проводниках и в экране (рисунок 1). Эти синфазные помехи не могут быть напрямую связаны с предполагаемым сигналом. Для цифровых каналов, это может быть из-за шума, появившегося в 0 V или в сети железных дорог или из-за работы других схем, например, частоты микропроцессоров могли появиться на последовательном порту данных. Часы Ethernet на гармониках 25 МГц могут появиться на разъеме питания.

Главная часть дизайна ЭMC связана с интерфейсом между блоком и его кабелем, который обычно является фильтром. Но если шум будет присутствовать на 0 V, то фильтрование будет неэффективно. Таким образом, мы должны управлять шумом самой схемы, которая ведет к проектированию схем и печатных плат. Если у Вас нет кабельных интерфейсов, Вы уже на полпути там – но только на полпути.

Непосредственная связь

Остальная часть пути включает в себя управление взаимодействием внутренних цепей изделия непосредственно с внешней средой. Это означает, что все внутренние структуры – в частности, печатные платы и провода, а также проводящие металлические детали, такие как радиаторы и части шасси – должны быть разработаны так, чтобы минимизировать их эффективность в качестве случайных антенн. Расположение PCB – тема отдельного случая, но общий принцип такой, что проводящие части должны быть соединены вместе, чтобы остановить потенциалы, возникающие между ними.

Но этот принцип должен применяться с определенной целью. Возьмем, к примеру радиатор. Радиаторы могут быть конкретной причиной не выполнения требований ЭМС на печатных платах. Речь идет о том влиянии радиатора паразитной емкости на выбросы либо от цифровых устройств несущих напряжения, таких как микропроцессоры и специализированные интегральные схемы, или из-за переключений силовых элементов, таких как транзисторы или симисторы.

Упрощенная эквивалентная схема платы с 0 V с процессором, радиатором показана на рисунке 2. Процессор является источником шума: напряжение VN на кремнии при тактовых частотах появляются по отношению к 0 V и емкостно связаны непосредственно с металлом радиатора. Радиатор должен иметь хороший тепловой контакт с чипом, а побочным продуктом этого является высокая емкость C1 связи. В свою очередь, радиатор большой кусок металла, и он имеет высокую емкость C2 в его окрестностях, в частности, в пределах корпуса.

Это заряжает весь корпус циркулирующими токами на тактовой частоте и гармониками. Любая слабость в корпусе позволит этим частотам излучаться. Для управления этим, самой эффективной мерой является обеспечение препятствия тому, чтобы радиатор нёс высокие уровни шума.

Чтобы избежать высокой частоты резонанса с емкостью радиатора, индуктивности связи должны быть значительно ниже 1 Гн, чтобы быть эффективными, и это означает, что должны быть обеспечены многократные контакты 0 V вокруг и за пределами радиатора. Самые эффективные проекты используют непрерывную проводящую прокладку по периметру радиатора (который должен быть проводящим) к измельченной полосе на поверхности печатной платы.

Эта эквивалентная схема показывает, что одним местом не для подключения радиатора, является корпус. Если осуществить такое подключение, то емкость С2 будет пропущена и весь шум будет связан через C1 с корпусом, который обязан ухудшить эмиссию. Единственное решение в данном случае было бы уменьшить C1 или подключить экран между устройством и его радиатором, каждый из которых создаёт трудности. Этот пример демонстрирует необходимость рассмотрения механических проводящих структур – радиатор и корпус – как электрических компонентов.

Заземление и печатные платы

Классическое определение заземления эквипотенциальной точки или поверхности, которая служит ориентиром для цепи или системы. К сожалению, это определение не имеет смысла при наличии индуцированного тока. Даже там, где потоки сигналов незначительны, индуцированные токи земли в связи с магнитными или электрическим полями вызывают сдвиги потенциалов земли. Альтернативное определение заземления является низкий путь сопротивления с помощью которого ток может вернуться к своему источнику. Это подчеркивает ток и вытекающую из этого необходимость низкого сопротивления, и больше подходит, когда участвуют высокие частоты. Важно помнить, что две физически отдельные заземлённые точки не являются потенциалом, если ток не течет между ними.

Тщательное размещение заземлений проходит долгий путь к снижению шумовых напряжений, которые разрабатываются по земле сопротивления. Но в любой нетривиальной схеме нецелесообразно устранять циркулирующие блуждающие токи полностью.

В сопротивлении заземления преобладает индуктивность на частотах выше нескольких КГц, и индуктивность дорожки печатной платы или провода в основном зависит от его длины. Например, 10 см длиной и 0,5 см сечение имеет 60 Гн в то время как 2 см длиной 12 Гн. Предельный случай сетки земли, когда предоставляется бесконечное число параллельных путей и заземления являются непрерывными. Это легко понять на уровне печатных плат на многослойных платах. Обратите внимание, что цель заземления поверхности не обеспечить защиту, но дать низкое высокочастотное сопротивление заземления.

Первое важное правило заключается в том, что не должно быть никаких разрывов в заземлении поверхности (эмиссионные или восприимчивые узлы), которые будут запрещать возврат тока и, следовательно, увеличивать эффективную площадь петли (рисунок 3).

Вторым важным правилом является то, что любой такой критический путь должен быть направлен как можно ближе к уровню заземляемой плоскости, т.е. на следующий соседний слой в многослойных печатных платах. Чем тоньше слой, тем более эффективным является заземление.

Эффект уменьшения индуктивности заземления в цепи, состоит в том, чтобы минимизировать самопроизведенный фоновый шум в цифровых в цифровых схемах (рисунок 1), а также свести к минимуму дифференциальное напряжение возникшее из-за входящих помех. Но они не могут быть полностью устранены, и поэтому интерфейс должен быть расположен так, чтобы воздействующие токи утечки не наносили вреда схеме (входящий) и кабелям (исходящие).

Интерфейс заземлённой поверхности всегда должен быть неотъемлемой частью проекта, хотя это не является обязательным на функциональной схеме. Он не должен иметь цепь соединения или подключение внешнего заземления с целью выполнения ЭMC, хотя это может требоваться из соображений безопасности.

Фильтрация

Неэкранированная линий ввода/вывода должны быть развязаны, когда они входят или выходят из корпуса (рисунок 4). Цель этого заключается в том, чтобы обойти помехи, так чтобы они не поступали в цепь или кабель. Для этого необходимы ВЧ-фильтры, конденсаторы и дроссели для. Конденсаторы должны быть установлены с короткими выводами и близко к земле, с которой они связаны, чтобы минимизировать их паразитные индуктивности и дроссели должны быть намотаны и крепится к минимуму емкости через обмотку. Борьба с ферритовыми чипами является полезной для снижения кабельных потоков общего режима на высоких частотах.

Очень важно убедиться, что фильтр имеет хорошую высокую производительность и частота его установлена правильно. Заземление подключения фильтра должно сделать хороший низкоомный контакт с опорным уровнем и даже короткий отрезок провода может оказывать влияние на производительность фильтра. Уверенный контакт от металла к металлу очень желателен.

Если вы знаете, что оборудование будет использоваться в среде с высокой энергией волны, то варисторы как ограничители скачков будут необходимы на порту сети (если параметры компонентов напряжения электропитания не будут в большой степени переоценены).

Есть два способа обойти проблему синфазных токов в кабелях: экран или фильтр (рисунок 5). Если использование показало на экран кабеля, определите, какое полное сопротивление передачи необходимо для экрана кабеля, и удостоверьтесь, что Вы определяете кабели соответствующей производительности. Кардинально, кабельная производительность не важна, если связь низкого качества с заземлением.

Контроль полосы аналогового сигнала

Фильтрация на уровне схемы: многие аналоговые схемы не испытывают затруднений с эмиссией при условии, что их операционная пропускная способность правильно контролируется. Оба модулированные РФ и электрические переходные процессы могут создать катастрофические последствия для необработанной аналоговой схемы, если схема, фильтрация и методы эффективны лишь частично. Схемные технологии включают в себя (рисунок 6)

• покрой сетей обратной связи для минимальной необходимой полосы пропускания, удостоверясь, что это не затрагивает стабильность;
• действующие RC-фильтры нижних частот, особенно во входах;
• добавление ферритовых колец или резисторов последовательно с входными контактами цепей высокого усиления таких как операционные усилители и компараторы, также добавив конденсаторы низкой стоимости (например, 47 пФ) непосредственно через такие входы, если это может быть сделано, не ставя под угрозу стабильность.

Использование проводящего корпуса

Или, устройство в экранированной коробке. Для очень шумных или очень восприимчивых схем это может быть неотъемлемой частью общей стратегии. Просмотр и вентиляция отверстий и других разрывов, где нет гарантированного электрического контакта между частями, такими как швы, а также формирование нарушения должно быть исключено, если экран не ухудшится, но только для умеренных низких частот. (например, 20 дБ).

На этих уровнях отбор материала для корпуса не имеет большого значения, и проводящим слоем покрытый пластмасс может дать вполне адекватную производительность.

Защитная эффективность во многом определяется отношением длины волны самой высокой частоты, представляющей интерес для измерения отверстий или швов в щите, так что эти размеры должны быть сведены к минимуму. Разумно стремиться к тому, что никакое отверстие или щель не должны превысить одну десятую длины волны (3 см в 1 ГГц) в ее самом длинном направлении. Для улучшения отбора производительности, соединяя швы между панелями должна быть оснащена проводящей прокладкой. Жалюзи являются приемлемыми при условии, что они построены из нескольких небольших отверстий или прорезей, а не одного большого.