Привет, Хабр! В прошлой статье обещал (а обещанного
Введение
Мне нередко приходилось слышать от разработчиков, что многие рекомендации избыточны и «будет и так работать». Действительно, очень много типовых печатных плат будут выполнять свои функции на лабораторном столе и без согласованных импедансов, и без оптимизированной подсистемы питания. Однако это не гарантирует работоспособности серийного изделия в условиях внешних помех. Не случайно первая часть из цикла публикаций Армстронга на тему ЭМС печатных плат называется “Saving time and cost overall”. Многолетний опыт разработки показывает, что стоимость решения проблем с ЭМС растёт на порядок на каждом следующем этапе жизненного цикла изделия.
Это верно и в случае, когда в техническом задании нет требований к ЭМС и обязательной сертификации. Просто проблема может проявиться не на этапе тестирования, а на этапе эксплуатации в виде рекламаций. По мере развития технологий окружающие ЭМ помехи становятся всё более агрессивными. И уже не только кабельные соединения и металлические части изделия, но и несогласованные проводники на печатной плате становятся прекрасными приёмниками (и, соответственно, излучателями) этих помех со всеми вытекающими рисками нарушения функционирования.
На рисунке 1 (источник) приводится спектральная плотность электромагнитного излучения, включающая как «полезные» радиосигналы, так и импульсные шумы электронных приборов (зелёная линия, вертикальная шкала справа). Отдельно приведена спектральная плотность шумов, связанных с искровыми и дуговыми разрядами (синяя линия, вертикальная шкала справа). Красные линии на графике – это длины несогласованных проводников (вертикальная шкала слева), для которых на данной частоте антенные эффекты пренебрежимо малы, могут не учитываться, либо являются значительными (длина λ/4, жирная линия справа). Видно, что не только соединительные кабели и элементы конструкции, но и внутриплатные проводники (10 см и менее) попадают в жёлтую и красную области и могут быть причиной проблем с помехозащищённостью и излучением. Особенностью проектирования с точки зрения ЭМС является необходимость рассмотрения всех проводящих элементов изделия, даже если они не являются частью электрической цепи. То есть даже если печатная плата разработана с учётом всех рекомендаций по обеспечению целостности сигналов и подсистемы питания, неудачный выбор радиатора и способа его закрепления может сделать его эффективным излучателем одной из гармоник тактовой частоты микроконтроллера – и тест на ЭМИ будет провален.
Безусловно, знание математического аппарата и физических основ уравнений Максвелла создаёт прочный фундамент для изучения ЭМС. Но для многих практических задач достаточно качественного понимания основных законов электромагнетизма и их визуального представления. Сформулировать их можно в виде следующих упрощённых базовых принципов.
1. Постоянная & переменная составляющие
Любой электрический сигнал может быть представлен в виде суммы постоянной и бесконечного ряда переменных составляющих (преобразование Фурье). В реальных устройствах даже цепи «постоянного тока» содержат переменные составляющие из-за наличия внутренних шумов и наведённых помех.
2. Постоянная составляющая = дрейф электронов
Постоянной составляющей соответствует медленный дрейф свободных электронов в толще проводников (со стационарными ЭП и МП вокруг и внутри проводника), обеспечивающий передачу электрической энергии с тепловыми потерями.
3. Переменная составляющая = ЭМ волна
Каждой переменной составляющей сигнала соответствует ЭМ волна (с переменными ЭП и МП той же частоты), распространяющаяся с околосветовой скоростью в пространстве вокруг проводников, обеспечивая передачу электромагнитной энергии. Проводники формируют и направляют ЭМ-волну, но не участвуют в передаче энергии (до −50 дБ от максимальной плотности, синяя область на рисунке 2, источник).
Наоборот, энергия расходуется на тепловые потери. Кроме этого, возникают тепловые потери в диэлектрике, а также потери в виде отражений, перекрёстной связи и ЭМ излучения.
4. Ближнее & дальнее поле
ЭМ поле распространяется на
5. Ближнее поле = емкостная & индуктивная связи
В ближнем поле могут возникать потери по причине емкостной и индуктивной связей. На рисунке 2 пунктиром обозначены соседние проводники на расстоянии s = 1…2•w, которые могли оказаться в зоне действия ЭМ поля моделируемой линии. Ввиду обратимости S-параметров энергия одинаково эффективно перетекала бы как в соседние проводники, так и от них. Также важно обратить внимание, что в конечном изделии в зону относительно высокой плотности энергии (−30…−20 дБ от максимальной, зелёная область на рисунке) могут попасть проводящие элементы над сигнальной дорожкой. Согласно закону Мёрфи эти элементы окажутся идеальными антеннами для излучения одной из гармоник исходного сигнала, что станет причиной провала тестирования на ЭМС. Ситуация может оказаться ещё хуже, если в топологии сигнальной линии есть неоднородности (прежде всего в опорном слое). Это может приводить к неочевидным путям утечки энергии от сигнальной линии (рис. 3, источник).
6. Дальнее поле = излучение
Уровень излучения в дальнем поле – это один из критериев прохождения тестирования на ЭМС. Даже для одиночного проводника он зависит от многих факторов, в том числе от силы тока, соотношения линейных размеров и частоты сигнала, от согласования на концах линии. И даже одиночные микрополосковые линии могут превышать ограничения стандартов (для 100 МГц FCC Class B требует не более 43 дБмкВ/м на расстоянии 3 метра). Если учесть влияние неоднородностей топологии на увеличение излучения (рис. 4, источник), то становится понятной сложность задачи обеспечения ЭМС.
Таким образом, с точки зрения ЭМС необходимо все проводящие структуры рассматривать как потенциальные антенны с одинаковой эффективностью и на передачу, и на приём (принцип обратимости). Это касается и кабельных соединений, которые могут оказываться за пределами внимания разработчика печатной платы. Даже незначительные синфазные токи в несколько микроампер в длинных кабелях или их экранах могут приводить к превышению допустимых порогов излучения.
Задача разработчика – обеспечить низкое КПД этих «антенн» во всём целевом частотном диапазоне, особенно на частотах, где в спектре системы наибольшее количество энергии (на всех значимых гармониках агрессивных «генераторов»).На всех этих частотах в системе не должно оказаться высокодобротных резонансных структур, хотя бы один из линейных размеров кратен λ⁄4 (рис. 1).
7. EMC > SI | PI
Целостность сигналов и питания печатной платы неразрывно связана с уровнем её ЭМ излучения и помехозащищённостью. Частоты, на которых возникают паразитные осцилляции в линиях, с большой вероятностью будут создавать проблемы при тестировании на ЭМС. При этом с точки зрения функционирования устройства уровень пульсаций может быть приемлемым. Поэтому при проектировании с учётом требований ЭМС используются на порядок более строгие ограничения на амплитуду пульсаций.
8. Экранирование != панацея
Для экранирования внешнего ЭМП теоретическая эффективность даже тонкого проводящего экрана легко обеспечивает более 100 дБ. Однако на практике невозможно обеспечить сплошное экранирование, особенно это касается внешнего корпуса изделия (необходимость наличия конструкционных швов, функциональных вырезов и отверстий). Вырезы нарушают оптимальное для нейтрализации внешнего поля распределение «экранирующих» токов, что приводит к деградации эффективности экрана.
Это же утверждение верно и для экранирования внутреннего ЭМП устройства (снижения уровня его излучения). Отличие заключается в том, что экран находится в ближнем поле излучателя, где ЭП и МП имеют сложное пространственное распределение. Даже для теоретической оценки эффективности экранирования в ближнем поле не существует хорошей аналитической аппроксимации, поэтому при необходимости точной оценки требуется 3D-моделирование ЭМП с помощью специализированных САПР.
Чем ближе экран находится к источнику, тем больше он влияет на распределения ЭМ поля вокруг него. С этой точки зрения экранирование в ближнем поле можно рассматривать как способ отклонения и направления линий ЭП и МП. Для ЭП при этом важно обеспечение низкоомного подключения к опорному слою печатной платы. Для МП примерами такого направления являются магнитопровод трансформатора, магнитный экран катушек индуктивности.
Таким образом, разработка эффективной системы экранирования – технически сложная задача, а само экранирование не должно рассматриваться как гарантированный способ решить проблемы с ЭМС в случае их возникновения. Более того, экранирование усложняет сборку и повышает стоимость конечного устройства, при этом может ухудшить ЭМС устройства в случае неправильного конструирования.
Заключение
В качестве заключения стоит подчеркнуть, что что чем ниже находится уровень, на котором обеспечивается ЭМС (начиная с выбора элементной базы), тем ниже стоимость этого решения. В данной статье в сокращённом виде приведено одноимённое приложение к обновлённой версии SPG (см. также раздел ЭМС калькуляторов на SPL, который планирую развивать). Оно дополняет основной материал руководства и во многих случаях поможет избежать проблем с ЭМС на уровне разработки топологии. Для устройств с повышенными требованиями к уровню излучения и помехозащищённости рекомендуется применять экранирование на уровне печатной платы (подробнее, например, в разделе 4.4 здесь). Оно позволяет значительно снизить требования к общему экранированию устройства, либо вообще устранить такую необходимость.
