Электромагнитная совместимость при проектировании печатных плат

Электромагнитная совместимость (ЭМС) – это не просто этап проверки готовой печатной платы, а фундаментальный принцип,

который должен быть заложен в процесс проектирования с самого начала.

Последствия игнорирования ЭМС на этапе проектирования:

1. Нестабильная работа устройства: сбои, зависания, самопроизвольные перезагрузки.

2. Помехи для другого оборудования: ваше устройство может «глушить» Wi-Fi, Bluetooth, создавать помехи другим радиоприборам.

3. Невозможность пройти сертификацию: устройство не получит разрешение на продажу (например, маркировку CE, FCC).

В России сертификация ЭМС представлена техническим регламентом Таможенного союза ТР ТС 020/2011 «Электромагнитная совместимость

технических средств». Документ действует в странах Таможенного союза (ЕАЭС).

4. Дорогостоящие коррекция: исправление ЭМС на готовой печатной плате – это добавление экранов, ферритовых колец, переразводка

печатной платы, что ведёт к задержкам производства и росту стоимости.

Ключевые принципы и методы обеспечения ЭМС при проектировании печатных плат (ПП):

1. Стратегия заземления - наиболее важный метод обеспечения ЭМС.

Правильная организация земли – это 90% успеха в ЭМС.

- Сплошные земляные полигоны. Нужно использовать сплошные (заливные) полигоны на одном или нескольких слоях печатной платы.

Это обеспечивает путь с низким импедансом для возвратных токов и уменьшает излучение.

- Разделение аналоговой и цифровой земли. Важно разделять аналоговую (AGND) и цифровую (DGND) земли, но соединять их только в

одной точке (обычно под микросхемой АЦП/ЦАП или рядом с разъемом питания). Это предотвращает протекание цифровых токов по аналоговой земле.

- Многослойные печатной платы – это хорошее решение для обеспечения ЭМС. При использовании минимум четырехслойных печатных плат для

сложных проектов, выделенные слои для земли (GND) и питания (PWR) создают идеальные возвратные пути и действуют как экраны между сигнальными слоями.

Пример stack-up (послойной структуры) 4-слойной печатной платы:

Top Layer: Сигналы + компоненты

Internal Layer 1: Земля (GND Plane)

Internal Layer 2: Питание (PWR Plane)

BottomLayer: Сигналы + компоненты

2. Разводка линий питания.

- Размещение развязывающие (блокировочные) конденсаторов максимально близко к выводам питания каждой микросхемы.

- Правило: конденсатор малой емкости (0.01 – 0.1 мкФ) для ВЧ-помех + конденсатор большей емкости (1 – 10 мкФ) для

НЧ-пульсаций. Конденсаторы должны иметь короткие выводы (керамические чип-конденсаторы 0402, 0603 идеальны).

- «Звезда» для питания ( когда все земли сходятся в одном месте). Обеспечение питания чувствительных аналоговых схем

(ОУ, АЦП) от отдельной линии, идущей от стабилизатора, а не от цифровой части.

3. Трассировка сигнальных линий.

- Управление импедансом. Для высокоскоростных сигналов (USB, HDMI, Ethernet, тактовые генераторы) важно рассчитать и соблюсти

требуемый волновой импеданс (например, 50 Ом или 90 Ом для дифференциальных пар). Это возможно с помощью калькулятора импеданса,

который встроен во многие CAD-системы.

- Петли тока. Важно минимизировать площадь петель, образуемых сигнальным проводником и его возвратным путем (землей).

Большая петля – это эффективная антенна.

- Длина дорожек. Использование коротких и прямых дорожек для критичных линий (например, тактовых).

Лучше использовать скругленные углы или углы 45° и избегать острых углов ( менее 90°), Рис 1, 2

Рис 1

Рис 2

- Дифференциальные пары. Трассировка высокоскоростных интерфейсов (USB, LVDS) как дифференциальные пары: одинаковой длины, параллельно друг другу и с постоянным зазором.

4. Тактовые генераторы и высокоскоростные сигналы.

- Экранирование. Тактовые генераторы – главные источники помех. Для обеспечения ЭМС их нужно обнести земляным полигоном по периметру,

а под ними разместить сплошной земляной слой.

- Минимизация излучения. Дорожки от генератора к микросхемам должны быть максимально короткими. Тактовые сигналы по краю печатной платы не размещаются.

- Буферизация. Буферы-повторители помогают развести тактовый сигнал на несколько микросхем, чтобы избежать перегрузки выхода генератора.

5. Размещение компонентов.

- Функциональные группы. Компоненты, относящиеся к одной функции (например, источник питания, MCU и его обвязка, аналоговая часть),

располагаются компактно и отдельно от других групп.

Разделение аналоговых и цифровых зон. Прохождение цифровых линий через аналоговую зону и наоборот - недопустимо.

6. Фильтрация и экранирование на границах печатной платы.

Вход/выход (I/O) фильтрация: Все линии, выходящие за пределы печатной платы (провода, кабели), являются потенциальными антеннами:

- Ферритовые бусины: подавляют ВЧ-помехи.

- TVS-диоды: защита от электростатического разряда, electrostaticdischarge (ESD).

- RC-фильтры.

- Экранированные корпуса: Если уровень помех очень высок, предусмотрите на печатной плате место и посадочные контактные

площадки для металлического экрана (shieldcan).

Их можно использовать для обеспечения ЭМС

Краткие правила (чек-лист) по проектированию печатной платы (DesignReview)

Перед отправкой печатной платы на производство важно проверить:

1. Земля.

Есть ли сплошные земляные полигоны? Правильно ли разделены аналог и цифра?

2. Конденсаторы.

Все ли микросхемы имеют развязывающие конденсаторы, расположенные в непосредственной близости от выводов питания?

3. Тактовые сигналы.

Дорожки короткие и защищены? Петли минимальны?

4. Высокоскоростные линии.

Рассчитан и соблюден импеданс? Дифференциальные пары сбалансированы?

5. Размещение.

Логично ли расположены компоненты? Цифра не мешает аналогу?

6. Границы печатной платы.

Есть ли фильтрация на всех I/O-линиях?

Полезные инструменты

Симуляторы: AnsysSIwave, CadenceSigrity, HyperLynx (от Siemens) — позволяют анализировать целостность сигналов (SI) и ЭМС до изготовления печатной платы.

Калькуляторы: Встроенные в AltiumDesigner, KiCad, Cadence калькуляторы импеданса дорожек.

Вывод:

Проектирование под ЭМС – это предотвращение проблем до того, как они вызовут сбои (proactiveapproach), а не решение

возникающих проблем (reactiveapproach). Вложенные время и усилия на этапе проектирования окупаются сторицей, экономя ваши время и силы на этапе сертификации.