От возврата сигнала к фильтрующим конденсаторам: золотые правила проектирования печатных плат с защитой от помех! Дифференциальный и синфазный ток

От возврата сигнала к фильтрующим конденсаторам: золотые правила проектирования печатных плат с защитой от помех! Дифференциальный и синфазный ток

Генерация излучения: ток, а не напряжение, вызывает излучение. Статический заряд создаёт электростатическое поле; постоянный ток создаёт магнитное поле; переменный ток создаёт как электрическое, так и магнитное поля. В любой цепи существуют синфазные и дифференциальные токи. Дифференциальные сигналы переносят данные или полезные сигналы; синфазные сигналы являются отрицательными эффектами работы в дифференциальном режиме.

Дифференциальный ток: одинаковая величина, противоположное направление (фаза). Из-за распределенной емкости и индуктивности проводников, неоднородностей импеданса проводников и непредвиденных путей возврата сигнала дифференциальный ток может преобразоваться в синфазный.

Синфазный ток: Амплитуда может быть разной; направление (фаза) одинаковое.

Большинство внешних помех от устройств имеют синфазный характер. Дифференциальные помехи также существуют, но синфазные помехи часто на несколько порядков сильнее. Внешние помехи также в основном синфазные. Синфазные помехи сами по себе, как правило, не причиняют вреда оборудованию, но если синфазные помехи преобразуются в дифференциальные, они становятся серьёзными, поскольку все полезные сигналы являются дифференциальными.

Магнитное поле дифференциального тока сосредоточено преимущественно в области контура, образованного дифференциальным током, а вне области контура линии магнитного потока компенсируют друг друга. Магнитное поле синфазного тока возникает вне области контура, и направления магнитного поля, создаваемого синфазными токами, совпадают. Многие конструкции печатных плат с ЭМС следуют этим принципам.

Способы подавления помех на печатной плате включают в себя:

• Уменьшение площади контура дифференциального сигнала

• Уменьшение высокочастотного возврата шума (фильтрация, изоляция и согласование)

• Уменьшение синфазного напряжения (проектирование заземления)

Краткое изложение принципов проектирования печатных плат

Принцип 1: Если тактовая частота печатной платы превышает 5 МГц или время нарастания сигнала составляет менее 5 нс, обычно требуется многослойная конструкция платы.

Причина: Многослойная конструкция обеспечивает хороший контроль площади сигнального контура.

Принцип 2: Для многослойных плат ключевые слои маршрутизации (линии синхронизации, шины, интерфейсные сигналы, линии РЧ, линии сброса, линии выбора кристалла и другие управляющие сигналы) должны располагаться рядом с сплошной заземляющей плоскостью, предпочтительно между двумя заземляющими плоскостями.

Причина: основные сигнальные линии являются мощными источниками излучения или чрезвычайно чувствительны; прокладка вблизи заземляющей плоскости уменьшает площадь контура, снижая излучение или улучшая помехоустойчивость.

Принцип 3: Для однослойных плат ключевые сигнальные дорожки должны иметь экранирование заземлением с обеих сторон.

Причина: Заземление с обеих сторон уменьшает площадь контура и предотвращает перекрестные помехи между сигнальными линиями.

Принцип 4: Для двухслойных плат обеспечьте заполнение большой площади заземлением в плоскости проекции ключевых сигнальных дорожек или используйте экранирование заземления и переходные отверстия, аналогичные однослойным платам.

Причина: Тот же эффект, что и у ключевых сигналов, расположенных близко к заземляющей плоскости на многослойных платах.

Принцип 5: В многослойных платах плоскость питания должна быть сжата внутрь на 5H–20H относительно соседней плоскости заземления (H — расстояние между плоскостями питания и заземления).

Причина: Уменьшение размеров силовой плоскости снижает проблемы с излучением по краям.

Принцип 6: Проекция слоя маршрутизации должна оставаться в области плоскости его обратного пути.

Причина: Если слой маршрутизации выходит за пределы проекции плоскости возврата, краевое излучение увеличивается, а площадь сигнального контура увеличивается, что приводит к увеличению дифференциального излучения.

Принцип 7: В многослойных платах избегайте сигналов >50 МГц на ВЕРХНИХ или НИЖНИХ слоях.

Причина: Высокочастотные сигналы предпочтительно должны проходить между двумя плоскими слоями, чтобы подавить излучение.

Принцип 8: Для плат, работающих на частоте более 50 МГц, если второй и предпоследний слои являются слоями маршрутизации, ВЕРХНИЙ и НИЖНИЙ слои должны быть покрыты заземляющей медью.

Причина: Высокочастотные сигналы должны быть направлены между двумя плоскими слоями для подавления космического излучения.

Принцип 9: Основная рабочая плоскость питания платы должна располагаться рядом с ее плоскостью заземления.

Причина: близкое расположение силовых и заземляющих плоскостей уменьшает площадь контура питания.

Принцип 10–11: В однослойных или двухслойных платах дорожки питания должны иметь смежные параллельные дорожки заземления.

Причина: Уменьшает площадь контура тока питания.

Принцип 12: Избегайте размещения смежных слоёв маршрутизации в стеке. Если это неизбежно, увеличьте расстояние между слоями маршрутизации и уменьшите расстояние между слоем маршрутизации и его плоскостью возврата.

Причина: параллельные трассы на соседних слоях маршрутизации вызывают перекрестные помехи.

Принцип 13: Избегайте перекрытия проекционных зон соседних плоскостей.

Причина: Перекрытие увеличивает емкостную связь между плоскостями, что приводит к передаче шума.

Принцип 14: Расположение печатной платы должно быть линейным вдоль направления потока сигнала.

Причина: предотвращает прямое взаимодействие и улучшает целостность сигнала.

Принцип 15: Если на одной печатной плате размещено несколько модулей схем, цифровые, аналоговые, высокоскоростные и низкоскоростные схемы должны быть разделены.

Причина: предотвращает взаимные помехи между типами цепей.

Принцип 16: При одновременном наличии высокоскоростных, среднескоростных и низкоскоростных цепей высокоскоростные и среднескоростные цепи должны располагаться вдали от интерфейсов.

Причина: предотвращает распространение высокочастотного шума через интерфейсы.

Принцип 17: Для цепей/устройств с большим изменением тока (модули ввода/вывода питания, вентиляторы, реле) размещайте поблизости конденсаторы большой емкости и конденсаторы высокочастотных фильтров.

Причина: Конденсаторы большой емкости уменьшают площадь контура большого тока.

Принцип 18: Цепи фильтра входного питания следует размещать вблизи разъема.

Причина: предотвращает повторное соединение отфильтрованных линий.

Принцип 19: Фильтрующие, защитные и изолирующие компоненты интерфейсных цепей должны размещаться вблизи интерфейса.

Причина: Обеспечивает эффективную защиту, фильтрацию и изоляцию.

Принцип 20: Если на интерфейсе присутствуют и фильтрация, и защита, защита должна быть на первом месте.

Причина: Защита справляется с перенапряжением/током; в противном случае компоненты фильтра могут быть повреждены.

Принцип 21: Избегайте соединения входных и выходных цепей фильтров, изоляции и цепей защиты.

Причина: Сцепление снижает их эффективность.

Принцип 22: Если на интерфейсе используется «чистое заземление», фильтрующие и изоляционные компоненты должны размещаться в изоляционной полосе между чистым заземлением и рабочим заземлением.

Причина: предотвращение возникновения плоскостного сцепления, ослабляющего фильтрацию/изоляцию.

Принцип 23: На «чистой земле» можно размещать только фильтрующие и защитные компоненты.

Причина: Чистая земля чувствительна к помехам; не следует размещать там посторонние цепи.

Принцип 24: Устройства с сильным излучением (кварцевые генераторы, реле, импульсные источники питания) должны находиться на расстоянии не менее 1000 мил от краев платы и разъемов.

Причина: предотвращает прямое излучение или излучение, связанное с кабелем.

Принцип 25: Чувствительные схемы (схемы сброса, сторожевые таймеры) должны находиться на расстоянии не менее 1000 мил от краев платы, особенно от краев разъемов.

Причина: Разъемы восприимчивы к внешним помехам, таким как электростатический разряд.

Принцип 26: Фильтрующие конденсаторы для микросхем должны располагаться как можно ближе к выводам питания микросхемы.

Причина: чем ближе конденсатор, тем меньше площадь высокочастотного контура, что снижает излучение.

Принцип 27: Последовательные согласующие резисторы на конце источника должны располагаться вблизи конца выходного сигнала.

Причина: последовательное согласование требует резистора + выходного сопротивления драйвера = характеристического сопротивления трассы.

Принцип 28: Дорожки печатной платы не должны иметь прямых или острых углов.

Причина: Прямоугольные дорожки вызывают неоднородность импеданса, звон, выбросы, сильные электромагнитные помехи.

Принцип 29: Если невозможно избежать смежных слоев трассировки, дорожки должны быть перпендикулярными или параллельными длиной <1000 мил.

Причина: Уменьшает перекрестные помехи.

Принцип 30: Для внутренних слоев трассировки маршрутизируйте тактовые сигналы и другие ключевые сигналы на внутренних слоях.

Причина: внутренние слои обеспечивают экранирование.

Принцип 31: Синхронизирующие дорожки должны быть экранированы землей с обеих сторон, с заземляющими переходными отверстиями каждые 3000 мил.

Причина: Обеспечивает равный потенциал на защитной дорожке.

Принцип 32: Ключевые сигналы (тактовый сигнал, шина, радиочастотный сигнал) должны подчиняться правилу 3W для размещения на одном уровне.

Причина: Уменьшает перекрестные помехи.

Принцип 33: Для компонентов в цепях питания ≥1 А (предохранители, бусины, индукторы, танталовые конденсаторы) контактные площадки должны иметь не менее двух переходных отверстий к плоскости.

Причина: Уменьшает сопротивление.

Принцип 34: Дифференциальные пары должны быть проложены в одном слое, параллельно, иметь одинаковую длину, постоянный импеданс и не иметь других дорожек между ними.

Причина: Обеспечивает равное синфазное сопротивление и повышает помехоустойчивость.

Принцип 35: Ключевые сигналы не должны пересекать разделенные плоскости (включая зазоры от переходных отверстий или контактных площадок).

Причина: Пересечение развилок увеличивает площадь петли.

Принцип 36: Если пересечение разделенных плоскостей неизбежно, добавьте мостиковый конденсатор (1 нФ) вблизи пересечения.

Причина: Обеспечивает преднамеренный путь возврата.

Принцип 37: Никакие посторонние следы не должны проходить под фильтрами.

Причина: Паразитная емкость снижает эффективность фильтра.

Принцип 38: Входные и выходные трассы фильтра не должны проходить параллельно или пересекаться.

Причина: предотвращает прямую шумовую связь между линиями предварительного и последующего фильтра.

Принцип 39: Линии ключевых сигналов должны находиться на расстоянии не менее 3Н от края опорной плоскости.

Причина: подавляет краевое излучение.

Принцип 40: Для металлических компонентов, заземленных на шасси, покройте выступающую область на верхнем слое заземляющей медью.

Причина: Распределенная емкость между корпусом и медью снижает излучение и повышает помехоустойчивость.

Принцип 41: В однослойных или двухслойных платах минимизируйте площадь контура при маршрутизации.

Причина: Меньшая площадь петли = меньше радиации и сильнее иммунитет.

Принцип 42: Когда ключевые сигналы меняют слои, размещайте заземляющие переходные отверстия рядом с переходными переходными отверстиями.

Причина: Уменьшает площадь контура.

Принцип 43: Сильные следы излучения (тактовые импульсы, шина, радиочастоты) должны располагаться вдали от сигнальных линий внешнего интерфейса.

Причина: предотвращает соединение с выходными кабелями.

Принцип 44: Чувствительные сигналы (сброс, выбор кристалла, сигналы управления) должны находиться вдали от сигналов внешнего интерфейса.

Причина: Внешние линии могут быть источником помех, способных вызвать сбои в работе системы.

Принцип 45: Для однослойных и двухслойных плат фильтрующие конденсаторы должны быть проложены таким образом, чтобы питание проходило через конденсатор, прежде чем попасть на ИС.

Причина: обеспечивает фильтрацию питания перед его поступлением на ИС и отфильтровывает генерируемые ИС шумы.

Принцип 46: Для длинных цепей питания размещайте развязывающие конденсаторы каждые 3000 мил (10 мкФ + 1000 пФ).

Причина: Фильтрует высокочастотные помехи на линиях электропередач.

Принцип 47: Дорожки фильтра-конденсатора к питанию и заземлению должны быть максимально толстыми и короткими.

Причина: Уменьшение ESL увеличивает резонансную частоту конденсатора, улучшая фильтрацию высоких частот.