Разводка печатных плат с учетом электромагнитной совместимости. Целостность сигналов на печатной плате и волновое сопротивление проводников. Развязка питания ИС

Как было отмечено чуть выше, цепи бывают разными: цифровая часть; аналоговая часть; силовая часть; интерфейсная часть. Все эти части цепи необходимо, по возможности, пространственно . В противном случае могут происходить «чудеса». Так, например, если в вашем устройстве есть сенсорная панель (ёмкость рисуется медной подложкой на плате), и рядом с ним вы разместите импульсный преобразователь источника питания, то наводки будут приводить к ложным срабатываниям. Другой пример: размещение силовой части, например, реле, возле цифровой или аналоговой части может в худшем случае повредить внутренности микроконтроллера, создав на ножке потенциал выше 5 вольт, и давать ложные срабатывания (в цифровой части) или неверные показания (в аналоговой части), однако если разрешение АЦП не превышает 10 бит, то земли можно не разделять, так как влияние, как правило, оказывается минимальным).

Делая земли «разными», вы уменьшаете воздействие оных друг на друга. Чем же руководствоваться при разведении земли?

При максимизации площади земли на печатной плате минимизируется её индуктивность, что в свою очередь ведет к уменьшению излучения. Плюс ко всему, увеличивая площадь повышается помехозащищённость печатной платы. Нарастить площадь можно двумя способами: полностью залить плату или сделать её в виде сетки.

Полная заливка позволяет получить наименьший импеданс - это «идеальная» земляная система (сетка чуть хуже).

Однако на платах большой площади сплошная заливка земляным полигоном может . Полигон необходимо размещать с обеих сторон платы равномерно, насколько это возможно. Используя сетку, необходимо проконтролировать её шаг: .

Полигоны на многослойных платах необходимо соединять в нескольких местах, ниже приведена «клетка Фарадея» в исполнении печатной платы. Такой прием используется на гигагерцовых частотах.

Если земля разводится как простая дорожка, то линию питания рекомендуется разводить на противоположной стороне платы. В случае многослойной платы линию земли и питания также располагают на разных слоях.

Сопротивление проводников зависит еще и от частоты (см. ). Чем выше частота, тем выше сопротивление дорожки/земли. Так, например, если при 100 Гц сопротивление земли составляет 574 мкОм, а сигнальной дорожки (ширина 1 мм, длина 10 мм, толщина 35 мкм) 5,74 мОм, то при частоте в 1 Гц они примут значения 11,6 мОм и 43,7 Ом. Как видно, разница колоссальная. Кроме того, сама плата начинает излучать, особенно в местах, где провода подсоединяются к плате.

Мы рассмотрели «землю» с общей точки зрения, однако уходя в конкретику, нужно обговорить так называемую «сигнальную» землю, где :

А) одноточечное соединение (single-point) - нежелательная топология с точки зрения шумов. Из-за последовательного соединения увеличивается импеданс земли, что приводит к проблемам на высоких частотах. Допустимый диапазон для такой топологии - от 1 Гц до 10 МГц, при условии, что самая длинная дорожка земли не превышает 1/20 длины волны.

Б) многоточечное соединение обладает значительно меньшим импедансом - рекомендуется в цифровых цепях и при высоких частотах. Соединения должны быть как можно короче для минимизации сопротивления. В цепях с низкими частотами данная топология не лучший выбор. Если на плате имеются НЧ и ВЧ часть, то ВЧ следует размещать ближе к земле, а НЧ - ближе к линии питания.

В) гибридное соединение - рекомендуется использовать, если на одной печатной плате имеются разные составляющие: цифровая часть, аналоговая или силовая. Они работают на разных частотах и не должны перемешиваться для большей точности и устойчивости работы устройства.

Пример разделения земель:

В нашем случае (грубо говоря) имеется всего одна часть - цифровая. На плате будут располагаться коннекторы, однако проходящие через них токи незначительны (программатор, UART-вывод для Wi-Fi модуля) и не должны повлиять на работу устройства. Несмотря на то, что тактовая частота микроконтроллера - 24 МГц, вся периферия, с которой он связан, будет работать на частотах значительно меньше 10 МГц (за исключением Wi-Fi модуля, частота которого 2,4 ГГц). Другими словами, в нашем устройстве можно использовать и одноточечное соединение, однако и многоточечная система подойдет. Полигон также рекомендуется помещать под всеми неизлучающими высокочастотными схемами (как наш микроконтроллер, но о нём мы поговорим позже).

Используя полную заливку для полигона земли, стоит убрать медь под Wi-Fi модулем - это позволит избежать экранирования его излучения.

Все изолированные медные участки (англ. dead copper) должны быть удалены, т. к. при ВЧ они начинают излучать и создавать помехи для сигнальных линий. Потенциал на таких участках отличен от земли и нежелателен.

Кроме земли/полигона на плате присутствуют и другие дорожки - сигнальные. По ним может идти тактовый сигнал (например, линия SCK микросхемы MAX7219) или передаваться данные (UART-дорожки RX и TX от Wi-Fi модуля). Их разводка не менее ответственное занятие - нужно знать несколько правил. Во-первых, для минимизации наводок от одного проводника на другой следует выдерживать расстояние между ними.

Для тактовых сигналов, а также аудио- и видеолиний и линии сброса рекомендуется оставлять по сторонам не менее двух ширин дорожки. В особо критических случаях стараются избегать пересечения с дорожками на противоположной стороне платы.

Наверняка вы уже видели печатные платы различных устройств - и подметили, что преимущественно на них отсутствуют прямые углы.

На высоких частотах они будут работать как антенны, поэтому при повороте прибегают к углам в 45 градусов.

Раньше печатные платы рисовали от руки, а значит углы были произвольные (не строго 45 градусов). С точки зрения ЭМС такая разводка лучше, но не позволяет привести плату в более понятный вид. На данный момент все современные САПР преимущественно поддерживают .

Помимо прочего, при повороте в 90 градусов , а значит, в мощных цепях с большими токами это может привести к перегреву и выгоранию участка. В низкочастотных цепях использование Т-образных соединений не возбраняется, на высоких же это будет приводить к проблемам.

С другой стороны, следует избегать острых углов - это плохо с технологической точки зрения. В таких местах образуется «застой» химических реактивов, и при травлении часть проводника просто вытравится.

Кроме всего прочего, ширина проводника должна быть константой, т. к. при ее изменении дорожка начинает вести себя как антенна. Переходные отверстия не рекомендуется располагать на контактной площадке или в непосредственной близости от элемента (без разделения их паяльной маской), т. к. это может привести к перетеканию припоя и, как следствие, вызовет дефекты при сборке. Лучше всего переходные отверстия закрыть паяльной маской.

Элементы, которые соединяются с полигоном, необходимо отделять термобарьером, который позволяет предотвратить неравномерный прогрев площадки при пайке.

Микроконтроллер

Мы рассмотрели основные вопросы по разводке печатной платы, пора перейти к конкретным вещам, в частности, рассмотреть лучшие практики по разводке линий питания и земли микроконтроллера.

Блокировочные конденсаторы необходимо размещать как можно ближе к выводам микроконтроллера таким образом, чтобы они располагались по «ходу» тока. Иначе в них попросту нет смысла.

Для односторонней печати шаблон выглядит следующим образом:

В случае двухсторонней платы конденсаторы удобно располагать под микроконтроллером, однако при большой партии и автоматическом монтаже это вызовет технические сложности. Обычно компоненты стараются располагать на одной стороне.

Кварцевый резонатор, источник тактирования, также следует располагать как можно ближе к ножкам. Односторонняя плата:

Все перемычки между ножками SMD-микросхем должны находиться вне места пайки:

И напоследок, несколько полезных советов.

Определения :

Электромагнитная совместимость, ЭМС (Electromagnetic compatibility, EMC) : способность в процессе функционирования не вносить чрезмерно большой вклад в окружающую обстановку электромагнитным излучением. Когда это условие выполняется, все электронные составляющие совместно работают корректно.

Электромагнитные помехи, ЭМП (Electromagnetic interference, EMI) : электромагнитная энергия, излучаемая одним устройством, которая может приводить к нарушению качественных характеристик другого устройства.

Электромагнитная помехоустойчивость, ЭМПУ (Electromagnetic immunity, или susceptibility, EMS) : толерантность (устойчивость) к воздействию электромагнитной энергии.

Проектирование с учетом ЭМС: 4 главных правила

Проблема правил: чем больше Вы их имеете, тем сложнее выполнить их все. Расстановки приоритетов их выполнения различны.

Предположим, при создании многослойной печатной платы Вам нужно развести трассу высокочастотного сигнала от аналогового компонента к цифровому. Естественно, что при этом Вы хотите минимизировать вероятность возникновения проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС). Занявшись поиском в интернете, Вы находите три рекомендации, которые, кажется, имеют отношение к Вашей ситуации:

1. Минимизировать длины шин высокочастотных сигналов
2. Разделить шины питания и земли между аналоговой и цифровой частями схемы
3. Не разрывать полигоны земли высокочастотными проводниками

Ваше видение трех возможных вариантов разводки показано на рис.1.

В первом случае трассы разводятся непосредственно между двумя компонентами, и полигон земли остается сплошным. Во втором случае формируется разрыв в полигоне, и трассы проходят поперек этого разрыва. В третьем случае трассы прокладываются вдоль разрыва в полигоне.

В каждомиз этих трех случаев происходит нарушение одного из вышеперечисленных правил. Являются ли эти альтернативные случаи одинаково хорошими, поскольку они удовлетворяют двум из трех правил? Все ли они плохи, поскольку каждый из них нарушает хотя бы одно правило?

Эти вопросы стоят перед разводчиками печатных плат каждый день. Правильность или неправильность выбора стратегии разводки может привести к результатам, при которых плата либо будет удовлетворять всем требованиям по ЭМС, либо будет иметь проблемы с восприимчивостью к внешним сигналам. В этом случае выбор должен быть четким, но мы вернемся к этому позже

Проблемы уменьшаются после расположения рекомендаций по приоритетам. Рекомендации к конструктивному исполнению полезны в том случае, если они хороши поняты и если они составляют часть полной стратегии. После того, как дизайнеры научатся распологать рекомендации по приоритетам и понимать, как эти рекомендации должны использоваться, они могут квалифицировано проектировать хорошие печатные платы.

Далее приведены четыре главных правила по ЭМС, основаные на общих особенностях изделий электроники. Во многих случаях, дизайнеры печатных плат преднамеренно нарушают одно из этих правил в попытках выполнить более важные.

Правило 1. Минимизируйте путь сигнального тока

Это простое правило присутствует в почти каждом списке рекомендаций ЭМС, но часто оно либо игнорируется, либо значение его приуменьшается в пользу других рекомендаций.

Часто дизайнер печатных плат даже не задумывается о том, где протекают сигнальные токи и предпочитает думать о сигналах в величинах напряжения, а должен бы думать в величинах тока.

Есть две аксиомы, которые должен знать каждый дизайнер печатных плат:

- сигнальные токи всегда возвращаются к своему источнику, т.е. путь тока представляет собой петлю
- сигнальные токи всегда используют путь с минимальным импедансом

На частотах несколько мегагерц и выше путь сигнального тока относительно просто определить потому, что путь с минимальным импедансом есть, в общем случае, путь с минимальной индуктивностью. На рис. 2 показаны два компонента на печатной плате. Сигнал частотой 50 МГц распространяется по проводнику над полигоном от компонента А к компоненту Б.



Мы знаем, что такой же по величине сигнал должен распространяться обратно от компонента Б к компоненту А. Предположим, что этот ток (назовем его возвратным) протекает от вывода компонента Б, обозначенного GND, к выводу компонента А, обозначенного также GND.

Поскольку обеспечена целостность (неразрывность) полигона, и выводы, обозначенные как GND, обоих компонентов расположены близко друг от друга то, это склоняет к заключению, что ток выберет самый короткий путь между ними (путь 1). Однако, это не правильно. Высокочастотные токи выбирают путь наименьшей индуктивности (или путь с минимальной областью петли, путь наименьшего витка). Большая часть сигнального возвратного тока течет по полигону по узкому пути прямо под трассой сигнала (путь 2).

Если полигон был сделан по какой-либо причине с вырезом, как показано на рисунке 3, то вырез 1 будет иметь небольшое влияние на целостность сигнала и на излучение. Другой же вырез 2, может приводить к значительным проблемам; он вступает в противоречие с рекомендацией 2. Область петли увеличивается значительно; обратные токи настолько интенсивны, что текут вдоль границы разрыва.



На низких частотах (в общем случае, кГц и ниже), путь наименьшего импеданса стремится быть путем с наименьшей частотой сигнала. Для печатной платы со сплошными полигонами возвратных токов, сопротивление полигонов стремится рассеять ток так, чтобы протекающий между двумя отдаленными точками ток мог распространяться по большей площади платы, как показано на рисунке 4.



На плате со смешанными сигналами, с низкочастотными аналоговыми и цифровыми компонентами, это может создавать проблему. Рисунок 5 иллюстрирует, как хорошо расположенный разрыв в земляном полигоне может исправить ситуацию, зафиксировав низкочастотные возвратные токи, текущие по полигону, в специально отведенной для этого области.



Правило 2. Не расчленяйте полигон возвратного сигнала

Это правильно. Мы только продемонстрировали Вам превосходный пример в ситуации, где формирование разрыва в полигоне возвратного сигнального тока было правильным решением. Однако, как типичные ЭМС-инженеры, мы советуем Вам никогда не делать этого. Почему? Потому что много разработок хорошо понимающих людей, с которыми мы столкнулись, были результатом непреднамеренно нарушенного Правила 1 и создания разрывов в полигонах возвратных сигналов. Более того, часто разрыв был неэффективным и ненужным.

По одному из мнений, аналоговый возвратный сигнальный ток должен всегда изолироваться от цифрового возвратного сигнального тока. Эта идея возникла, когда аналоговые и цифровые схемы работали на килогерцовых частотах. Например, в платах, которые использовались для цифровой звукозаписи, часто возникали шумовые проблемы из-за влияния низкочастотных цифровых сигнальных токов, распространяющихся под областью платы, где были расположены чувствительные аналоговые усилители. Некоторое время назад, аудиодизайнеры пытались избежать этой проблемы разделением полигонов возвратных токов для управления путями возврата и удалением цепей аналоговых токов от цифровых.

Нашим студентам предлагается решить конструкторскую задачу, требующую защитить чувствительные аналоговые компоненты (обычно усилители звуковой частоты или генераторы с фазовой синхронизацией) от цифровой части схемы посредством разделения полигона возвратного сигнального тока таким способом, при котором токи НЧ были бы изолированы, а токи ВЧ не формировали бы помех. Обычно бывает не очевидно, как это может быть выполнено, и достаточно часто разрывы в полигонах создают проблемы большие, чем решают.

Подобная ситуация возникает при разводке шин автомобильного или авиационного радиоэлектронного оборудования. В таком оборудовании возвратные токи цифровой схемы часто изолируются от общего корпуса для того, чтобы защитить цифровые схемы от повреждения большими токами НЧ, которые могут течь по металлической конструкции транспортного средства. Фильтрация электромагнитных помех и защита от переходных процессов обычно требуют соединений на корпус, в то время как сигнал должен передаваться относительно цифровой шины возвратного сигнала.

Когда цепь корпуса и полигоны цифровых возвратных токов совместно используют одну и ту же шину, они выглядят как единый полигон с разрывом. Это иногда создает замешательство относительно того, к какой земле должен быть подсоединен какой-нибудь отдельный компонент. В этой ситуации обычно хорошей идеей является проводка шины корпуса и цифрового возвратного сигнала отдельными шинами. Полигон цифрового возвратного сигнала должен быть цельным и занимать область под всеми цифровыми компонентами, трассами и разъемами. Соединение с корпусом должно быть ограничено областью платы около разъемов.

Несомненно, существуют такие ситуации, когда хорошо расположенный разрыв в полигоне возвратного тока требуется. Однако, самый надежный метод – один сплошной полигон для всех возвратных сигнальных токов. В случаях, когда отдельный низкочастотный сигнал восприимчив к наводкам (способен смешиваться с другими сигналами платы), используется трассировка на отдельном слое для возврата этого тока к источнику. Вообще, никогда не используйте разбиение или вырезку в полигоне возвратного сигнального тока. Если же Вы все-таки убеждены, что вырез в полигоне необходим для решения проблемы низкочастотной развязки, посоветуйтесь с экспертом. Не полагайтесь на рекомендации к конструктивному исполнению или на приложения и не пробуйте реализовать схему, которая работала у кого-то в другой подобной конструкции.

Теперь, когда мы знакомы с двумя главными правилами ЭМС, мы готовы повторно обратиться к проблеме на рис. 1. Который из альтернативных вариантов лучший? Первый – единственный, который не противоречит правилам. Если по каким-то причинам (вне дизайнерского желания), разрыв в земляном полигоне потребовался, то третий вариант разводки более приемлем. Трассировка вдоль разрыва минимизирует область сигнальной токовой петли.

Правило 3. Не располагайте высокоскоростные схемы между разъемами

Это – одна из наиболее общих проблем среди конструкций плат, которые мы пересмотрели и оценили в нашей лаборатории. В простых платах, которые не должны были иметь никаких сбоев при всех требованиях ЭМС безо всяких дополнительных затрат и усилий, хорошая экранировка и фильтрование сводились на нет, потому что было нарушено это простое правило.

Почему размещение разъемов так важно? При частоте ниже нескольких сотен мегагерц, длина волны – порядка метра или более. Проводники на плате – возможные антенны – имеют относительно малую электрическую длину и поэтому работают неэффективно. Однако, кабели или другие устройства, соединенные с платой, могут быть достаточно эффективными антеннами.

Сигнальные токи, текущие по проводникам и возвращающиеся через сплошные полигоны создают малые падения напряжений между любыми двумя точками полигона. Эти напряжения пропорциональны протекающему по полигону току. Когда все разъемы размещены с одного края платы, падение напряжения незначительно.

Однако, высокоскоростные элементы схем, размещенные между разъемами, могут легко создавать разность потенциалов между разъемами до нескольких милливольт и более. Эти напряжения могут наводить токи возбуждения на подключенные кабели, увеличивая их излучение.

Плата, у которой выполняются все технические требования, когда разъемы расположены у одного края, может стать кошмаром для инженера по ЭМС, если хотя бы один разъем с подключенным кабелем расположен у противоположной стороны платы. Изделия, которые обнаруживают этот тип проблемы (кабели передающие напряжения, индуцированные через целостный полигон), особенно трудно привести в нормальное состояние. Часто при этом требуется достаточно хорошая экранировка. Во многих случаях, эта экранировка была бы совсем не нужна, если бы разъемы распологались у одной стороны или в углу платы.

Правило 4. Переходное время управляющего сигнала

Плата, работающая на тактовой частоте 100 МГц, никогда не должна соответствовать требованиям при работе на частоте 2 ГГц. Хорошо сформированный цифровой сигнал будет иметь большую мощность на низших гармониках и не так много мощности на высших. Управляя переходным временем сигнала, можно управлять мощностью сигнала на высших гармониках, что предпочтительно для ЭМС. Чрезмерно большое переходное время может приводить к нарушению целостности сигнала и к тепловым проблемам. В процессе разработки и дизайна должен быть достигнут компромисс между этими конкурирующими необходимыми условиями. Переходное время, равняющееся приблизительно 20% от периода сигнала, приводит к приемлемой форме сигнала, уменьшая проблемы, возникающие из-за перекрестных помех и излучения. В зависимости от применения, переходное время может быть более или менее, чем 20% от периода сигнала; однако, это время не должно быть неконтроллируемым.

Имеется три основных способа изменения фронтов цифровых сигналов:
- использование цифровых микросхем серии, быстродействие которой совпадает с требуемым быстродействием,
- размещение резистора или индуктивности на феррите последовательно с выходным сигналом, и
- размещение конденсатора параллельно с выходным сигналом

Первый способ является часто самым простым и наиболее действенным. Использование резистора или феррита предоставляет дизайнеру большую возможность управления переходным процессом и меньше воздействует на изменения, которые происходят в логических семействах спустя некоторое время. Преимущество использования конденсатора для управления это то, что он может быть легко удален, если в нем нет необходимости. Однако, необходимо помнить, что конденсаторы увеличивают ток источника ВЧ сигнала.

Обратите внимание на то, что пробовать фильтровать однопроводный сигнал в пути возвратного тока – это всегда плохая идея. Например, никогда не разводите низкочастотную трассу через разрыв в полигоне возвратного сигнала, пытаясь отфильтровать высокочастотный шум. После рассмотрения первых двух правил, это должно быть очевидно. Однако, платы, использующие эту неверную стратегию, иногда выявляются в нашей лаборатории.

Вообще говоря, в процессе дизайна конструкции и разводки платы необходимо расставить приоритеты для выполнения правил ЭМС. Эти правила не должны быть предметом компромисса в попытках следования другим рекомендациям ЭМС. Однако, имеется несколько дополнительных, заслуживающих внимания рекомендаций. Например, важно обеспечить адекватное разделение шины питания, делать проводники ввода-вывода короткими и предусматривать фильтрацию выходных сигналов.

Хорошей идеей также является тщательный выбор активных устройств. Не все совместимые по выводам полупроводниковые компоненты эквивалентны с точки зрения шума. Два устройства с одинаковыми техническими параметрами, но сделанные различными фирмами-изготовителями, могут значительно отличаться по шуму, который они создают на входных и выходных выводах, а также на выводах питания. Это особенно справедливо для микросхем с высокой степенью интеграции, таких как микропроцессоры и большие специализированные интегральные схемы (ASIC). Хорошей идеей является оценка компонентов от различных продавцов всякий раз, когда это возможно.

И, наконец, пересмотрите еще раз ваш дизайн. Даже если вы – опытный разводчик печатных плат и эксперт по ЭМС, хорошо иметь кого-то, кто хорошо осведомлен относительно анализа ЭМС и знаком с конструированием печатных плат. Пусть он критически рассмотрит Ваш дизайн.

Чьим же советам Вы можете верить? Доверяйте любому, чьи рекомендации четко помогают Вам выполнить четыре главные правила. Немного дополнительного внимания во время дизайна поможет сохранить много времени, денег и усилий, которые были бы потрачены впустую в попытках заставить правильно работать неуступчивое изделие.

Перевод статьи:
Dr. Todd Hubing, Dr. Tom Van Doren
Designing for EMC: The TOP 4 GUIDELINES
Printed Circuit Design & Manufacture, June 2003

Др. Тодд Хьюбинг , заслуженный профессор электротехники и вычислительной техники, дважды награжденный призом “Лучшие Публикации Симпозиума” Международного Симпозиума Института инженеров по электротехнике и электронике.

Др. Том Ван Дорен , профессор электротехники и компьютерной инженерии Лаборатории Электромагнитной Совместимости Университета Миссури-Ролла.

1 Общие положения

Для предотвращения проблем с электростатикой и шумами необходимо соблюдать определённые правила при разводке печатной платы. Наиболее критичной точкой является вывод С, т.к. он соединён с встроенным 3,3-вольтовым источником питания ядра МК. Поэтому фильтрующий конденсатор следует располагать как можно ближе к выводу.

Также следует внимательно отнестись к разводке цепей питания и земли. Питание разводится «звездой». Мы рекомендуем располагать слой земли со стороны монтажа прямо под корпусом МК. Линии Vcc и Vss должны иметь только одну точку соединения с остальной схемой во избежание помех на МК и со стороны МК. Фильтрующие конденсаторы (DeCaps) должны быть расположены как можно ближе к соответствующим выводам. При слишком большом удалении они перестают выполнять свою функцию.

При использовании кварцевых резонаторов их следует располагать на минимальном расстоянии от выводов Xn(A).

По возможности фильтрующие конденсаторы желательно располагать со стороны монтажа МК.

2 Разводка цепей питания

Шины Vcc и Vss нужно разводить не последовательной цепочкой, а «звездой». Для Vss рекомендуется земляной полигон под корпусом МК соединённый в одной точке с остальной схемой.

Ниже приведены два примера для плохой и хорошей разводки цепей питания.

3 Фильтрация вывода C

4 Фильтрация цепей питания

Фильтрующие конденсаторы (DeCaps) для цепей питания должны располагаться на пути силовых токов, в противном случае их применение не имеет смысла. Следующий рисунок поясняет данное утверждение:

5 Расположение кварцевого резонатора и разводка сигнальных цепей

Кварц должен располагаться как можно ближе к МК. Таким образом, конденсаторы генератора будут расположены «сзади» кварца.

6 Дополнительная документация

Дополнительная более подробная информация содержится в Application Note 16bit-EMC-Guideline.

7 Перечень выводов МК

В таблице приведены выводы МК, критичные к электромагнитным взаимодействиям и краткая информация об их подключении.

* - может не присутствовать в конкретном МК

В данном разделе мы рассматриваем, как избежать искажений цифрового сигнала, связанных с его передачей по проводнику на печатной плате. Несмотря на то, что это в первую очередь задача для инженера-схемотехника, разработчик печатной платы тоже зачастую повинен в проблемах с передачей сигналов по плате, а также в возникающих на плате наводка и перекрестных искажениях.

Почему сигнал искажается при передаче?
Прежде всего, искажения свойственны высокочастотным сигналам, с частотой 1 ГГц и более. Это связано с эффектами резонансов и отражений на отдельных сегментах проводников, переходных отверстий, разветвлений на плате, а также на входах приемников. Однако проблема состоит в том, что и сигналы частотой до 500 МГц, типовые для стандартных цифровых схем, как мы увидим далее, зачастую могут быть существенно искажены, а значит, их тоже можно отнести к высокочастотным.

В чем идея передачи без искажений?
Принцип передачи сигналов без искажений состоит в том, что проводник выполняется как линия передачи (или "длинная линия" ) с заданным характеристическим (волновым) сопротивлением, т.е. импедансом Z 0 , одинаковым на всем протяжении от источника к приемнику сигнала, чем обеспечивается однородность линии. Вторым требованием является согласованность линии с источником и приемником сигнала. В отличие от обычного проводника такая линия передачи не приводит к резонансу, искажениям и отражениям при передаче сигнала, какой бы длинной она ни была. Линии передачи могут быть легко реализованы на печатной плате путем применения материалов с известными параметрами и обеспечения требуемых размеров элементов печатного рисунка. Различают последовательное и параллельное согласование линии, при этом необходимо использовать определенные согласующие резисторы на выходе источника и/или входе приемника сигнала. Линии передачи, сформированные на плате, разумеется, могут быть продолжены за пределами платы с помощью соединителей и кабелей с контролируемым волновым сопротивлением Z 0 .

Для каких сигналов искажения становятся существенными?
Сопоставляя длину проводника на плате с длиной волны, которую имеет самая высокочастотная составляющая передаваемого сигнала (при распространении, например, в материале FR4), можно определить так называемую электрическую длину проводника. Электрическая длина может быть выражена в долях от минимальной длины волны или же в долях от обратной ей величины — длительности фронта. Если проводник имеет слишком большую электрическую длину, то для предотвращения чрезмерных искажений сигнала надо выполнять этот проводник как линию передачи. Заметим, что при передаче высокочастотных сигналов следует использовать линии передачи не только для уменьшения искажений, но и для снижения уровня электромагнитных излучений (ЭМИ).

Правило «половины длительности фронта»
Грубое правило состоит в том, что проводник является «электрически длинным» (то, что в электротехнике называется "длинная линия " ), если время прохождения фронта сигнала от источника к самому дальнему приемнику превышает половину длительности фронта сигнала. Именно в этом случае отражения в линии могут существенно исказить фронт сигнала. Предположим, что в устройстве предусмотрены микросхемы с длительностью фронта 2 нс (например, по документации для серии FastTTL). Диэлектрическая постоянная материала печатной платы (FR4) на высоких частотах близка к 4,0, что дает скорость движения фронта около 50% скорости света, или 1,5.10 8 м/с. Это соответствует времени распространения фронта 6,7 пс/мм. Имея такую скорость, за 2 нс фронт пройдет около 300 мм. Отсюда мы можем заключить, что для подобных сигналов следует использовать «линии передачи», только если длина проводника превышает половину данного расстояния — то есть 150 мм.

К сожалению, это неверный ответ. Правило «половины длительности фронта» слишком упрощенное и может привести к проблемам, если не учитывать его недостатки.

Проблемы упрощенного подхода
Данные по длительности фронта, приведенные в документации на микросхемы, отражают максимальное значение, и зачастую реальное время переключения существенно меньше (скажем, оно может быть в 3-4 раза меньше, чем «максимальное», и вряд ли можно гарантировать, что оно не будет меняться от партии к партии микросхем). Более того, неизбежная емкостная составляющая нагрузки (от подключенных к линии входов микросхем) уменьшает скорость распространения сигнала по сравнению с расчетной скоростью, достижимой на пустой печатной плате. Следовательно, для достижения адекватной целостности передаваемого сигнала, линии передачи следует использовать для гораздо более коротких проводников, чем предлагает описанное ранее правило. Можно показать, что для сигналов с длительностью фронта (по документации) 2 нс целесообразно использовать линии передачи уже для проводников, длина которых превышает всего лишь 30 мм (а иногда и меньше)! Особенно это относится к сигналам, несущим функцию синхронизации или стробирования. Именно для таких сигналов характерны проблемы, связанные с «ложным срабатыванием», «пересчетом», «фиксацией неверных данных» и другие.

Как проектировать линии передачи?
Существует множество публикаций, посвященных тому, какие могут быть виды линий передачи, как их проектировать на печатной плате, как проверять их параметры. В частности, стандарт IEC 1188-1-2: 1988 дает детальные рекомендации на этот счет. Имеется также множество программных продуктов, позволяющих подобрать конструкцию линии передачи и структуру печатной платы. Большинство современных систем проектирования печатных плат поставляются со встроенными программами, позволяющими конструктору проектировать линии передачи с заданными параметрами. В качестве примера можно назвать такие программы, как AppCAD, CITS25, TXLine. Наиболее полные возможности обеспечивают программные продукты фирмы Polar Instruments.

Примеры линий передачи
В качестве примеров рассмотрим наиболее простые виды линий передачи.

Как сконструировать линию передачи наилучшим образом?
Наиболее высокоскоростные (или наиболее критические) сигналы должны находиться в слоях, соседних с планом «земли» (GND), причем желательно с тем, который является парным с планом питания для развязки. Менее критичные сигналы могут быть проведены относительно планов питания, если в этих планах адекватно выполнена развязка и они не очень зашумлены. Каждый такой план питания должен быть ассоциирован с микросхемой, с которой или на которую поступает данный сигнал. Наилучшую помехозащищенность и ЭМС обеспечивают полосковые линии, проведенные между двумя планами GND, каждый из которых является парным со своим планом питания для развязки.
Линия передачи не должна иметь отверстий, разрывов или расщеплений в любом из опорных планов, относительно которых она проведена, так как это приводит к существенным изменениям Z 0 . Более того, полосковая линия должна находиться как можно дальше от любых разрывов в плане или от края опорного плана, и данное расстояние не должно быть меньше десятикратной ширины проводника. Соседние линии передачи должны быть разнесены не менее чем на три ширины проводника, для устранения перекрестных помех. Очень критичные или «агрессивные» сигналы (например, связь с радиоантенной) могут выиграть в ЭМС от использования симметричной линии с двумя рядами близко расположенных переходных отверстий, как бы загораживающих ее от других проводников и создающих коаксиальную структуру в печатной плате. Однако для таких структур вычисление Z 0 производится по другим формулам.

Как можно удешевить проект?
Описанные выше виды линий передачи почти всегда требуют использования многослойной платы, поэтому могут быть не применимы для создания массовых продуктов низшей ценовой категории (хотя при больших объемах 4-слойные печатные платы всего на 20-30% дороже, чем двусторонние). Однако для низкостоимостных проектов используются и такие виды линий, как сбалансированная (однородная), или копланарная, которые могут быть сконструированы на однослойной плате. Следует иметь в виду, что однослойные виды линий передачи занимают в несколько раз большую площадь на плате, чем микрополосковая и полосковая линии. Кроме того, экономя на стоимости печатной платы, вы будете вынуждены платить больше за дополнительное экранирование устройства и фильтрацию шумов. Есть общее правило, гласящее, что решение проблем ЭМС на уровне корпусирования изделия стоит в 10-100 раз дороже, чем решение той же проблемы на уровне печатной платы.
Поэтому, сокращая бюджет разработки путем урезания количества слоев печатной платы, будьте готовы к тому, что придется потратить дополнительное время и деньги на несколько итераций заказа образцов плат, чтобы обеспечить требуемый уровень целостности сигналов и ЭМС.

Как ослабить негативный эффект от смены слоев?
По типовым правилам разводки, около каждой микросхемы имеется как минимум один развязывающий конденсатор, так что мы можем менять слой вблизи микросхемы. Однако следует учитывать общую длину сегментов, которые не расположены в «полосковом» слое. Грубое правило таково: общая электрическая длина этих сегментов не должна превышать одной восьмой длительности фронта. Если на каком-то из этих сегментов может произойти слишком большое изменение Z 0 (например, при использовании ZIF-розеток или других видов панелек под микросхемы), лучше стремиться минимизировать эту длину до одной десятой времени фронта. Используйте указанное правило для определения максимально допустимой общей длины ненормированных сегментов и старайтесь минимизировать ее в этих пределах, насколько возможно.
Исходя из этого, для сигналов с временем фронта (по документации) 2 нс мы должны менять слой не далее чем 10 мм от центра микросхемы или от центра согласующего резистора. Это правило выработано с учетом 4-кратного запаса на то, что реальное время переключения может быть существенно меньше, чем максимальное по документации. Примерно на таком же расстоянии (не более) от места смены слоев должен находиться как минимум один развязывающий конденсатор, соединяющий соответствующие планы «земли» и питания. Такие маленькие расстояния сложно обеспечить при использовании микросхем большого размера, поэтому в разводке современных высокоскоростных схем не обойтись без компромиссов. Однако это правило обосновывает то, что в скоростных схемах предпочтительны микросхемы малого размера, и объясняет факт бурного развития технологий BGA и flip-chip, которые минимизируют путь сигнала от проводника на плате до кристалла микросхемы.

Моделирование и тестирование прототипов
Из-за наличия множества вариантов микросхем и еще большего количества вариантов их применения некоторые инженеры могут найти эти практические правила недостаточно точными, а кто-то сочтет их преувеличенными, однако такова роль «практических правил» - это всего лишь грубое приближение, позволяющее интуитивно конструировать корректно работающие устройства.
Сейчас все более доступными и продвинутыми становятся средства компьютерного моделирования. Они позволяют вычислять параметры целостности сигналов, ЭМС, в зависимости от реальной структуры слоев и разводки сигналов. Конечно, их применение даст более точные результаты, чем применение наших грубых приближений, поэтому мы рекомендуем как можно более полно использовать компьютерное моделирование. Однако не стоит забывать, что реальное время переключения микросхем может быть существенно короче, чем указанное в документации, и это может привести к получению неверных результатов, так что позаботьтесь о том, чтобы модель выходных и входных каскадов соответствовала реальности.
Следующий шаг — проверка прохождения критического сигнала на первом «прототипном» образце печатной платы, с использованием высокочастотного осциллографа. Следует убедиться в том, что форма сигнала не искажается при прохождении по печатной плате по всей длине проводника, и только следование приведенным выше правилам вряд ли даст превосходный результат с первого раза, хотя он может быть достаточно неплохим. Использование анализатора электромагнитных ВЧ полей, или анализатора спектра излучений, может быть еще одним способом изучения проблем целостности сигналов и ЭМС на уровне «прототипа» печатной платы. Методики такого анализа не являются темой данной статьи.
Даже если вы используете комплексное моделирование схемы, не пренебрегайте проверкой целостности сигналов и ЭМС на самых первых прототипах ПП.

Обеспечение волновых сопротивлений на этапе изготовления ПП
Типовой материал FR4, предназначенный для изготовления печатных плат, имеет значение диэлектрической постоянной (E r) около 3,8...4,2 на 1 ГГц. Реальные значения E r могут колебаться в пределах ±25%. Существуют материалы типа FR4, у которых значение E r нормируется и гарантируется поставщиком, и они ненамного дороже обычных, но производители печатных плат не обязаны использовать «нормированные» виды FR4, если это специально не указано в заказе на печатную плату.
Производители печатных плат работают с диэлектриками стандартных толщин («препрегами» и «ламинатами»), и их толщина в каждом слое должна быть определена перед запуском платы в производство, с учетом допусков на толщину (около ±10%). Чтобы обеспечить заданное Z 0 , для определенной толщины диэлектрика можно подобрать соответствующую ширину проводника. Для одних производителей надо указывать фактическую требуемую ширину проводника, для других — с запасом на подтрав, который может достигать 25-50 мкм относительно номинальной ширины. Оптимальным вариантом является указание производителю, какая ширина проводника в каких слоях спроектирована с учетом обеспечения заданного Z 0 . В этом случае производитель может скорректировать ширину проводника и структуру слоев для обеспечения заданных параметров в соответствии со своей технологией производства. Кроме того, производитель проводит измерение фактического волнового сопротивления на каждой заводской заготовке и сам отбраковывает платы, на которых Z 0 не попадает в допуск ±10% или точнее.
Для сигналов частотой выше 1 ГГц может оказаться необходимым применение более высокочастотных материалов, с лучшей стабильностью и другими диэлектрическими параметрами (такими как Duroid фирмы Rogers и т. д.).

Литература
1. Design Techniques for EMC & Signal Integrity, Eur Ing Keith Armstrong.
2. IEC 61188-1-2 : 1998 Printed Boards and Printed Board Assemblies — Design and use. Part 1-2: Generic Requirements — Controlled Impedance, www.iec.ch.
3. Проектирование многослойных печатных плат высокой сложности. Семинар PCB technology, 2006.
4. http://library.espec.ws/books/chooseant/CHAPTER6/6-1.htm
5. Проектирование аппаратной части. Уолт Кестер.

При разработке печатных плат с оптимизацией цены возникает ряд ключевых вопросов. В то время как исходной целью может быть разработка как можно меньшей по размерам печатной платы, для все системы это может оказаться не самым дешевым решением. Снижение размера печатной платы возможно путем увеличения числа слоев печатной платы, что в свою очередь приводит к возникновению вопросов электромагнитной совместимости, которые могут вылится в огромные затраты по ходу проекта.

Электромагнитные помехи, ЭМП или электромагнитная совместимость, ЭМС являются ключевым фактором в разработке печатных плат. Обеспечение электромагнитной совместимости устройства в целом может оказаться чрезвычайно затратным процессом, если при разработке и изготовлении печатных плат разработчик "срезал углы", поэтому некоторые подходы по снижению себестоимости необходимо отмести еще в самом начале. Если компоненты будут взаимодействовать с ЭМП или излучать ЭМП, это потребует высоких затрат для того, чтобы удовлетворить требованиям ЭМС на этапе испытаний.

В то время как четырехслойная плата считается оптимальным балансом защиты от ЭМП и трассировки платы, часто возможно разработать двухслойную плату с теми же характеристиками, используя бесплатными средствами трассировки печатных плат такие как DesignSpark PCB. Это обеспечивает значительное снижение стоимости изготовления печатной платы без влияния на ход испытаний в дальнейшем.

Пути возврата сигнала являются наиболее сложной проблемой при трассировке печатных плат. Было бы достаточно трудно выполнить трассировку возвратного заземления под каждой дорожкой, связанной с сигнальным выводом микроконтроллера, но именно это обеспечивает четырехслойная плата с заземленным слоем. Не имеет значения, где проходят дорожки, под ними всегда проходит путь возвратного сигнала на землю.

Наиболее близким к заземленному слою по характеристикам на двухслойной плате является решетка заземления, снижающая излучение электромагнитных помех с сигнальных дорожек. Уменьшение площади петли выполняя трассировку возвратного пути под дорожкой сигнала является наиболее эффективным способом решения этой проблемы, и создание решетки заземления является самым важным этапом (после планирования размещения) в трассировке печатной платы

Генерирование решетки создает поверхность

Генерирование решетки является ключевой методикой для обеспечения ЭМС в двухслойных платах. Очень похоже на силовую сеть, это сеть прямоугольных соединений между заземленными проводниками. В действительности таким образом создается заземленная поверхность, которая обеспечивает такое же снижение электромагнитного шума, как и четырехслойная плата и фактически эмитирует заземленную поверхность, используемую в четырехслойной плате для обеспечения улучшения ЭМС, создавая возвратный путь на заземление под каждой сигнальной дорожкой и снижая импеданс между микроконтроллером и регулятором напряжения.

Генерирование решетки выполняется расширением дорожек заземления и созданием заземленных проводящих плоских фигур для того, чтобы создать сеть соединений с землей по всей поверхности печатной платы. Например, если печатная плата имеет преимущественно дорожки верхнего слоя идущие вертикально и дорожки нижнего слоя проходящие преимущественно горизонтально, это уже ухудшает условия для трассировки возвратных путей на землю под сигнальными проводниками, которая обычно выполняется в два этапа:

• сначала все проводники заземления расширяются с тем, чтобы занять наибольшее пространство на печатной плате;
• затем все оставшееся свободное место заполняется заземленной поверхностью.

Цель такого подхода заключается в генерации как можно большей решетки на двухслойной печатной плате. Небольшие изменения в разводке печатной платы могут позволить дополнительные соединения для увеличения площади решетки заземления.

Зонирование печатной платы

Зонирование печатной платы - это другая технология, которая может быть использована для снижения шума и ЭМП печатной платы и таким образом снизить необходимость в дополнительных слоях печатной платы. Эта технология имеет тот же основной смысл как и планирование размещения компонент, являющееся процессом определения местоположения компонент на чистой плате перед тем как трассировать проводники. Зонирование печатной платы немного более сложный процесс размещения похожего функционала в одной зоне печатной платы, вместо того, чтобы смешивать функционально разные компоненты вместе. Высокоскоростная логика, включая микроконтроллеры, размещается как можно ближе к цепям питания, медленные компоненты размещаются дальше, а аналоговые компоненты еще дальше. Этот подход существенно влияет на ЭМС печатной платы.

При таком расположении, восокоскоростная логика меньше влияет на проводники других сигналов. Особенно важно, чтобы петля кварцевого резонатора была размещена вдали от аналоговых цепей, низкоскоростных сигналов и соединителей. Это правило применяется и к печатным платам, и к размещению компонент внутри устройства. Необходимо избегать компоновок, при которых пучки кабелей будут размещаться вокруг резонатора или микроконтроллера, поскольку эти кабели будут собирать шум и разносить его повсюду. Таким образом при зонировании определяется в том числе и размещение разъемов на печатной плате.

Средства разработки печатных плат

Существует множество средств разработки, обеспечивающих проектирование с учетом оптимизации ЭМС. Одно из таких средств DesignSpark PCB последних версия, которые поддерживают проверку правил проектирования (DRC, design rules checking) при трассировке, а не при выполнении проверки после завершения трассировки. Это особенно полезно при оптимизации печатной платы по стоимости, так как любые конфликты или ошибки немедленно сигнализируются и могут быть разрешены. Конечно эти проверки зависят от полноты информации, заданной проектировщиком, но такой подход позволяет ускорить процесс трассировки и таким образом освободить время для других важных вопросов.

В версии 5 DesignSpark PCB онлайн проверка правил проектирования проверяет любые компоненты, которые добавлялись и переносились в результате интерактивных операций редактирования. Например, проверяются все проводники, присоединенные к перемещенному компоненту и все проводники, добавленные при ручной трассировке.

В версии 5 так же добавлена поддержка шин так, что проводники можно легко сгруппировать и трассировать вместе. Вместо вычерчивания всех соединений в проекте и подключения их к каждому выводу, проектировщик может создать менее загроможденный проект при помощи шин, добавляя соединения вывода компонента к шине, через которую передается сигнал.

Рисунок 1: Добавление шин в DesignSpark PCB версии 5

Шины могут быть открытыми и закрытыми. Закрытая шина является совокупностью имен проводников, предопределенных для данной шины, и только эти проводники могут подключаться к данной шине, в то время как открытая шина может включать в себя любой проводник.

При том, что такие возможности имеют смысл при трассировке шин, их можно использовать для разводки других проводников по печатной плате. Эта возможность использования шин в схемах может помочь сделать проект проще и понятнее при помощи группировки нескольких проводников с повышенным излучением ЭМП вместе с окружающими их заземляющими возвратными проводниками и таим образом снизить ЭМП на разрабатываемой плате. Хорошим правилом является правило никогда не проводить излучающие ЭМП проводники на внешней стороне платы, что может быть сложным для маленьких двухслойных плат. Уводя цепи, не излучающие ЭМП из мест, таких как разъемы, цепи резонаторов, реле, драйверы реле, где в этих цепях могу наводиться электромагнитные помехи так же помогает улучшить электромагнитную совместимость.

Заключение

Разработка печатной платы с простой, требуемой для снижения стоимости возможно более тяжелая задача, чем использование богатства многослойной платы.

Некоторые проблемы ЭМС можно решить применением разделительных конденсаторов и ферритовых шайб для подавления любых сигналов, которые могут излучаться, но это добавляет сложности проекту и увеличивает стоимость производства. Если проблемы электромагнитных помех и электромагнитной совместимости можно минимизировать при помощи правильных правил проектирования используя зонирование и учете взаимных наводок, генерирование решеток силовых цепей и заземления может обеспечить тот же уровень экранирования в двухслойной плате, который возможен в четырех или шестислойной конструкции. Это не только снижает стоимость изготовления платы, но и улучшает надежность и производительность, включая электромагнитную совместимость, таким образом снижая стоимость жизненного цикла оборудования.