EMC-considerations в проектировании печатных плат для стандартных схем 

1. Размещение компонентов
В процессе проектирования печатных плат с точки зрения ЭМС необходимо учитывать три основных фактора: количество входных/выходных выводов, плотность компонентов и энергопотребление. Практическое правило заключается в том, что площадь, занимаемая микросхемами, должна составлять 20% от площади платы, а рассеиваемая мощность на квадратный дюйм не должна превышать 2 Вт.
В аспекте размещения компонентов, в принципе, следует максимально приближать взаимосвязанные устройства, размещать цифровые, аналоговые и силовые цепи отдельно, а также разделять высокочастотные и низкочастотные цепи. Устройства, создающие шум, малотоковые и высокотоковые цепи должны располагаться как можно дальше от логических схем. Ключевые источники помех и излучения, такие как тактовые цепи и высокочастотные цепи, следует размещать отдельно, подальше от чувствительных схем. Входные и выходные чипы должны находиться вблизи I/O-выходов мультичипового корпуса.
Высокочастотные компоненты следует максимально сократить соединительные линии, чтобы уменьшить распределенные параметры и взаимные электромагнитные помехи. Слабочувствительные к помехам компоненты не должны располагаться слишком близко друг к другу, а входы и выходы следует максимально удалить. Генераторы должны располагаться как можно ближе к месту использования тактовых микросхем, а также находиться подальше от интерфейсов сигналов и микросхем с низким уровнем сигнала. Компоненты должны быть параллельны или перпендикулярны краю подложки, желательно располагать их параллельно, что не только уменьшает распределенные параметры между компонентами, но и соответствует технологии изготовления гибридных схем, облегчая производство.
На подложке гибридной схемы выводные контактные площадки для питания и заземления должны быть симметрично расположены, предпочтительно равномерно распределены множество входных/выходных соединений питания и заземления. Область монтажа бардачного чипа подключается к самому отрицательному потенциалу плоскости.
При выборе многослойных гибридных схем расстановка слоев печатной платы изменяется в зависимости от конкретной схемы, но обычно имеет следующие характеристики.
(1) Распределение питания и заземления на внутренних слоях можно рассматривать как экранирующий слой, который эффективно подавляет собственные синфазные радиочастотные помехи на печатной плате и снижает распределённое сопротивление высокочастотного питания.
(2) Плоскости питания и заземления на плате следует располагать как можно ближе друг к другу, обычно заземляющая плоскость находится над плоскостью питания. Это позволяет использовать межслойную емкость в качестве сглаживающей емкости питания, а также обеспечивает экранирование радиационных токов, распределенных на плоскости питания, с помощью заземляющей плоскости.
(3) Трассировочные слои следует располагать как можно ближе к слоям питания или заземления для создания эффекта компенсации магнитного потока.
II. Монтажные дорожки печатной платы

В проектировании схем часто уделяют внимание только повышению плотности разводки или равномерному распределению компонентов, игнорируя влияние макета на предотвращение помех. Это приводит к значительному излучению сигналов в пространство, создавая помехи и потенциально вызывая больше проблем электромагнитной совместимости. Таким образом, качественная разводка является ключевым фактором успеха проекта.

1. Расположение заземляющего провода

Заземляющий провод не только служит потенциальной точкой отсчета для работы схемы, но и может выступать в качестве низкоимпедансного контура для сигналов. Наиболее распространенным помехой на заземляющем проводе является помеха из-за петлевого тока. Решение этой проблемы равносильно решению большинства вопросов электромагнитной совместимости. Шумы на заземляющем проводе в основном влияют на уровень земли цифровых схем, а при низком уровне сигнала цифровых схем чувствительность к шумам на заземляющем проводе возрастает. Помехи на заземляющем проводе могут не только вызывать ложные срабатывания схемы, но и приводить к проводимым и излучаемым помехам. Поэтому ключевым моментом для снижения этих помех является максимальное уменьшение импеданса заземляющего провода (для цифровых схем особенно важно уменьшение индуктивности заземляющего провода).

При разводке заземляющих проводов необходимо учитывать следующие моменты:

В зависимости от различных напряжений питания, заземление цифровых и аналоговых схем устанавливается отдельно.

(2) Общие заземляющие проводники следует утолщать по возможности. При использовании многослойной толстоплёночной технологии можно специально выделить заземляющую плоскость, что способствует уменьшению площади контура, а также снижает эффективность приемной антенны. Кроме того, она может служить экранирующим элементом для сигнальных проводников.

(3) Следует избегать зубчатых заземляющих шин, так как такая конструкция создает большой контур возврата сигнала, что увеличивает излучение и чувствительность, а также может вызвать ошибочную работу схемы из-за общего импеданса между микросхемами.

(4) При установке нескольких микросхем на плате на заземляющем проводе возникает значительный разность потенциалов, поэтому заземляющий провод следует спроектировать в виде замкнутого контура для повышения помехоустойчивости схемы.

(5) Контактная плата, обладающая как аналоговыми, так и цифровыми функциями, обычно имеет разделенные аналоговое и цифровое заземление, соединенные только в месте подачи питания.

2. Расположение кабелей питания

Как правило, помимо помех, вызванных непосредственно электромагнитным излучением, наиболее распространенными являются электромагнитные помехи, передаваемые через силовые кабели. Поэтому важно правильно прокладывать силовые кабели, обычно следует соблюдать следующие правила.

(1) Питание должно быть как можно ближе к заземляющему проводу, чтобы уменьшить площадь петли питания, что снижает дифференциальные излучения и помогает уменьшить перекрестные помехи в схеме. Питание разных источников не должно перекрываться.

(2) При использовании многослойной технологии аналоговые и цифровые источники питания должны быть разделены, чтобы избежать взаимных помех. Не допускайте совмещения цифрового и аналогового источников питания, так как это приведет к возникновению емкостной связи и ухудшению степени разделения.

(3) Плоскость питания и заземляющая плоскость могут быть полностью изолированы диэлектриком. При высокой частоте и скорости следует использовать диэлектрический пасты с низкой диэлектрической проницаемостью. Плоскость питания должна располагаться близко к заземляющей плоскости и под ней, что обеспечивает экранирование излучающих токов, распределенных по плоскости питания.

(4) Следует провести развязку между силовыми и наземными выводами чипа. В развязывающей емкости используется дисковая емкость 0,01uF, которая должна быть установлена вблизи чипа, чтобы площадь контура развязывающей емкости была как можно меньше.

(5) При выборе чипа типа пластыря, насколько это возможно, выберите чип, который ближе к штырю питания и штырю земли, может еще больше уменьшить площадь контура питания с развязывающей емкостью, что способствует реализации электромагнитной совместимости.

3 Расположение сигнальных линий

При использовании однослойной тонкопленочной технологии простой и применимый метод заключается в том, чтобы сначала проложить заземление, а затем разместить ключевые сигналы, такие как высокоскоростные часовые сигналы или чувствительные цепи, рядом с их наземными контурами и, наконец, провести проводку по другим цепям. Расположение сигнальных линий лучше всего организовать в соответствии с порядком направления сигнала, чтобы сигнал на монтажной плате был плавным.

Если вы хотите свести EMI к минимуму, сигнальная линия должна быть как можно ближе к линии обратного тока, состоящей из нее, чтобы площадь контура была как можно меньше, чтобы избежать радиационных помех. Низкий уровень сигнального канала не может быть близко к высокоуровневому сигнальному каналу и безфильтрованной линии питания, чувствительная к шуму проводка не должна быть параллельна большому току, высокоскоростной линии переключения. Если возможно, все ключевые маршруты расположены в полосе. Несовместимые сигнальные линии (цифровые и аналоговые, высокоскоростные и низкоскоростные, большие и малые токи, высокое и низкое напряжение и т. Д.) должны быть удалены друг от друга и не должны идти параллельно. Последовательные помехи между сигналами чрезвычайно чувствительны к длине и расстоянию между соседними параллельными линиями, поэтому, насколько это возможно, расстояние между высокоскоростными линиями сигнала и другими параллельными линиями сигнала увеличивается, а параллельная длина уменьшается.

Чувствительность полосы прямо пропорциональна логарифму ее длины и длины и обратно пропорциональна логарифму ее ширины. Таким образом, лента должна быть как можно короче, каждая адресная линия или линия данных одного и того же элемента должна быть как можно более последовательной длиной, провод, который используется в качестве ввода – вывода схемы, должен стараться избегать соседних параллелей, лучше всего добавлять заземленные линии между ними, чтобы эффективно подавлять последовательные помехи. Плотность проводки низкоскоростного сигнала может быть относительно большой, а плотность проводки высокоскоростного сигнала должна быть минимальной.

В многослойных толстопленочных процессах, помимо соблюдения правил однослойной проводки, следует обратить внимание на:

Постарайтесь спроектировать отдельную поверхность земной линии, а устройство сигнального слоя примыкает к пласту. Когда это невозможно, необходимо установить заземление вблизи высокочастотной или чувствительной цепи. Направления сигнальных линий, распределенных по различным слоям, должны быть перпендикулярными друг другу, что уменьшает помехи связи между электрическим полем и магнитным полем между линиями; Сигнальные линии на одном и том же уровне поддерживают определенное расстояние, лучше всего изолировать соответствующим контуром заземления, чтобы уменьшить помехи между линиями сигнала. Каждая высокоскоростная линия связи должна быть ограничена одним и тем же уровнем. Сигнальные линии не должны быть слишком близки к краю базовой пластины, иначе это вызовет изменение характеристического сопротивления и будет легко генерировать пограничное поле, увеличивая излучение наружу.

Расположение четырёхчасовых линий.

Часовые схемы занимают важное место в цифровых схемах и в то же время являются основным источником электромагнитного излучения. Частотный спектр, излучающий энергию часового сигнала с восходящей линией 2ns, может достигать 160 МГц. Поэтому проектирование тактовой схемы является ключом к обеспечению электромагнитной совместимости всей схемы. Что касается расположения тактовых цепей, есть следующие меры предосторожности:

(1) Вместо передачи часовых сигналов с помощью цепной структуры хризантемы следует использовать звездную структуру, т.е. все часовые нагрузки непосредственно связаны с приводом мощности часов.

(2) Все провода, соединяющие входные / выходные концы кристаллических колебаний, как можно короче, чтобы уменьшить шумовые помехи и влияние распределенных конденсаторов на кристаллические колебания.

(3) Земельные линии с кристаллической конденсаторной емкостью должны быть соединены с устройством с помощью как можно более широкой и короткой проводной полосы; Цифровой вывод, ближайший к кристаллическим колебаниям, должен свести к минимуму перфорацию.