Электромагнитная совместимость (EMI, EMS и EMC) печатных плат: определения и рекомендации по проектированию.

В проектировании печатных плат электромагнитная совместимость (ЭМС) — это цель создания платы, которая не излучает чрезмерных помех и не подвергается чрезмерному воздействию окружающей среды; электромагнитные помехи (ЭМП) — это сами нежелательные помехи, а электромагнитная совместимость (ЭМС) — это восприимчивость платы к внешним помехам. Достижение ЭМС в основном сводится к проблемам компоновки, наличию надежных заземляющих плоскостей, малых токовых петель, непрерывных обратных путей, хорошей развязки и разумной фильтрации. В этом руководстве рассматриваются три термина, объясняются источники помех и излагаются методы проектирования печатных плат и тесты, обеспечивающие совместимость и соответствие продукта требованиям.

Электромагнитная совместимость (EMI), электромагнитная совместимость (EMS) и электромагнитная совместимость (EMC): определения и различия.

Эти три термина связаны, но различны, и их путаница приводит к неясным требованиям.

Проще говоря, электромагнитная совместимость достигается, когда плата одновременно излучает мало электромагнитных помех и устойчива к окружающим электромагнитным помехам (хорошая помехоустойчивость, низкий уровень электромагнитных помех). Необходимо соблюдение двух условий: отсутствие излучения и отсутствие помех. Плата, которая тихая, но хрупкая, или прочная, но шумная, не является электромагнитно совместимой.

Что вызывает электромагнитные помехи на печатной плате?

Помехи возникают из-за изменения токов и напряжений, поэтому самые быстрые и резкие сигналы являются их крупнейшими источниками.

• Быстрое переключение фронтов. Быстрые переходы напряжения и тока содержат высокочастотную энергию, которая излучается.
• Текущие циклы. Любая петля с электрическим током действует как антенна; чем больше петля, тем больше она излучает и тем больше улавливает.
• Часы и гармоники. Периодические тактовые сигналы генерируют мощную энергию на тактовой частоте и её гармониках.
• Импульсные блоки питания. Импульсные стабилизаторы напряжения являются интенсивными локальными источниками как излучаемого, так и кондуктивного шума.

Повторяющаяся тема — токовая петля. Большинство проблем, связанных с излучением и восприимчивостью, сводятся к площади петли: малая петля является одновременно плохим передатчиком и плохим приемником помех. Именно поэтому большая часть проектирования с учетом электромагнитной совместимости (ЭМС) на самом деле сводится к контролю направления обратного тока, что является проблемой, общей и для высокоскоростных систем.

Излучение против помехоустойчивости: две стороны электромагнитной совместимости.

Соответствие нормативным требованиям имеет две стороны, и проект должен учитывать обе.

Выбросы

Излучение — это электромагнитные помехи, излучаемые изделием, измеряемые как излучаемые (в пространстве) и кондуктивные (вдоль кабелей и линий электропередачи). Нормативные акты устанавливают ограничения на уровень излучения изделия, чтобы оно не создавало помех для другого оборудования.

Иммунитет

Обратная сторона медали — это помехоустойчивость: изделие должно продолжать работать при воздействии внешних помех, таких как электростатический разряд, быстрые переходные процессы и излучаемые поля. Хорошая помехоустойчивость означает низкую восприимчивость. Многие из тех же самых решений в компоновке, например, надежное заземление и небольшие петли, одновременно улучшают как излучение, так и помехоустойчивость, поэтому они являются основой проектирования с учетом электромагнитной совместимости, а не второстепенным фактором.

Методы компоновки печатных плат для снижения электромагнитных помех

В вопросах электромагнитной совместимости успех или неудача в основном зависят от качества платы. Для достижения наилучших результатов достаточно нескольких эффективных методов.

Роль суммирования и обратного пути

Наиболее эффективным инструментом является непрерывная опорная плоскость рядом с каждым сигнальным слоем, благодаря чему обратный ток протекает непосредственно под сигналом по наименьшему возможному контуру. Разделение этой плоскости или прокладка сигнала через зазор заставляет обратный ток отклоняться, создавая большой контур, излучающий ток. Развязывающие конденсаторы, расположенные рядом с каждой микросхемой, выполняют ту же функцию для контура питания. Эти решения заложены в топологию и структуру слоев, которые определяются на этапе производства печатных плат , и именно их анализирует проектная документация.

Распространенные ошибки при проектировании электромагнитной совместимости.

Большинство сбоев, связанных с электромагнитной совместимостью, обусловлены несколькими повторяющимися ошибками компоновки, и для каждой из них существует простое решение.

Обратите внимание, что все исправления сводятся к одним и тем же основным принципам: поддержание обратного тока в небольшом непрерывном контуре, локальная развязка и правильное заземление экранов. Избежать этих ошибок в компоновке гораздо дешевле, чем проверять соответствие нормам выбросов в лаборатории.

Экранирование и фильтрация печатных плат

Когда одной лишь компоновки недостаточно, экранирование и фильтрация добавляют еще один уровень контроля.

• Защитные экраны на уровне печатной платы. Металлические корпуса, установленные над шумным или чувствительным участком, ограничивают или блокируют электромагнитные поля.
• Фильтрация. Фильтры на линиях ввода/вывода и силовых вводах блокируют проникновение и выход кондуктивных помех.
• Материал с контролируемым импедансом и низкими потерями. Чистые, хорошо согласованные сигналы излучают меньше, и именно поэтому... платы с низкими потерями и подходит высокочастотные материалы помощь в быстром проектировании.

Экранирование — это более сложная тема сама по себе, но принцип прост: нужно сдерживать энергию, которую невозможно устранить, и фильтровать пути, по которым она в противном случае прошла бы. Экраны и фильтры дополняют грамотную компоновку, а не заменяют её.

Стандарты и соответствие требованиям электромагнитной совместимости (FCC, CISPR, CE)

Большинство товаров должны соответствовать требованиям электромагнитной совместимости (ЭМС), прежде чем их можно будет продавать, и применимый стандарт зависит от рынка и типа продукции.

Точные пределы и методы испытаний различаются, но структура остается неизменной: ограничения на излучаемый уровень и минимальные уровни помех, которые необходимо выдерживать. Знание применимых стандартов на раннем этапе определяет проектирование, поскольку модернизация электромагнитной совместимости после неудачного прохождения испытаний на соответствие является медленным и дорогостоящим процессом.

Методы испытаний ЭМС

Соответствие требованиям подтверждается тестированием, которое отражает обе стороны электромагнитной совместимости.

• Излучение. Измеряет энергию, излучаемую изделием в космос в определенном диапазоне частот.
• Излучение, вызванное проводимостью. Измеряет уровень шума, который изделие излучает обратно в свои силовые и сигнальные линии.
• Иммунитетные тесты. Для подтверждения работоспособности изделия подвергните его воздействию электростатического разряда, быстрых переходных процессов, скачков напряжения и излучаемых полей.

Часто неисправную плату можно починить, устранив самые фундаментальные проблемы, описанные выше: улучшив обратный путь, добавив развязку, закрыв зазор в плоскости или установив экран или фильтр. Выявление этих проблем на этапе проектирования обходится гораздо дешевле, чем после неудачного тестирования, поэтому электромагнитную совместимость лучше рассматривать как важный фактор проектирования, а не как последнюю преграду.

Как спроектировать печатную плату с учетом электромагнитной совместимости

Наиболее надежный способ пройти проверку на электромагнитную совместимость — это учитывать ее при проектировании с самого начала, принимая решение о компоновке.

• Спланируйте укладку Таким образом, каждый сигнал имеет смежную, непрерывную опорную плоскость.
• Не делайте петли короткими. для тактовых генераторов, коммутационных узлов и высокоскоростных сигналов.
• Разъедините каждую микросхему с конденсаторами, расположенными близко к выводам питания.
• Разделите доску Таким образом, шумные участки (коммутаторы, радиоприемники) отделяются от чувствительных.
• Планируйте фильтрацию ввода-вывода и любые необходимые экраны. до того, как макет будет зафиксирован.

Эти решения практически ничего не стоят на этапе проектирования, но обходятся очень дорого при модернизации. Принятые на начальном этапе, они влияют на процесс изготовления и обеспечивают надежную сборку печатных плат и серийное производство. Для плат со значительными требованиями к теплоотводу, а также к электромагнитной совместимости, может также учитываться подложка, например, с металлическим сердечником .

ЭМС означает, что плата должна быть одновременно тихой и надежной; этого можно достичь, контролируя токовые петли с помощью сплошных плоскостей, развязки, непрерывных обратных путей, а также разумного экранирования и фильтрации, а затем проверяя это с помощью испытаний на излучение и помехоустойчивость. Проектирование с учетом ЭМС начинается с самого начала, и соответствие требованиям обеспечивается автоматически. Вы можете узнать больше о компании Highleap Electronics и наших возможностях по изготовлению и сборке.

Часто задаваемые вопросы

В чём разница между EMI, EMS и EMC?

Электромагнитная совместимость (ЭМС) — это общая цель: устройство, которое работает в окружающей среде, не вызывая и не подвергаясь недопустимым помехам. Электромагнитные помехи (ЭМП) — это нежелательные помехи, излучаемые устройством, а электромагнитная восприимчивость (ЭМС) — это его восприимчивость к внешним помехам. Совместимый продукт излучает мало ЭМП и обладает хорошей помехоустойчивостью (низкий уровень ЭМС).

Что вызывает электромагнитные помехи на печатной плате?

Изменение токов и напряжений: быстрые фронты переключения, тактовые сигналы и их гармоники, импульсные источники питания и, особенно, токовые петли, которые действуют как антенны. Чем больше петля, тем больше она излучает и принимает сигналы. Большинство проблем с электромагнитными помехами сводятся к контролю площади петли и путей обратного тока.

Какой метод проектирования, обеспечивающий электромагнитную совместимость, является наиболее важным?

Непрерывная опорная (заземляющая) плоскость примыкает к каждому сигнальному слою, поэтому обратный ток протекает непосредственно под сигналом по наименьшей возможной петле. Разделение этой плоскости или прокладка трассы через зазор приводит к образованию большой обратной петли, которая излучает ток. Сплошные плоскости плюс минимальная площадь петли лежат в основе почти всего остального.

Помогают ли развязывающие конденсаторы в обеспечении электромагнитной совместимости?

Да. Развязывающие (шунтирующие) конденсаторы, расположенные близко к выводам питания каждой микросхемы, обеспечивают локальную подачу переходного тока, уменьшая длину контура питания и уровень шума, который он бы в противном случае излучал. Они также стабилизируют питание, улучшая как помехоустойчивость, так и уровень излучения. Расположение близко к выводам имеет такое же значение, как и номинал конденсатора.

Для обеспечения электромагнитной совместимости требуется экранирование, или достаточно одной лишь компоновки?

Грамотная компоновка, прочные плоскости, небольшие петли, развязка и контролируемое сопротивление решают многие проблемы электромагнитной совместимости без экранирования. Экраны и фильтры обеспечивают дополнительный контроль, когда одной лишь компоновки недостаточно, например, в шумном радиосекции или на линиях ввода/вывода. Они дополняют хорошую компоновку, а не заменяют её.

Каким стандартам электромагнитной совместимости мне необходимо соответствовать?

Это зависит от рынка и продукта: в США нормы выбросов регулируются частью 15 правил FCC, в Европе — директивой ЕС по электромагнитной совместимости (ЭМС), в Европе — стандартом CISPR, определяющим широко используемые пределы выбросов, а в Европе — серией стандартов IEC 61000, определяющих испытания на помехоустойчивость. Необходимо заранее определить применимые стандарты, поскольку они влияют на проектирование.

Как проводится проверка электромагнитной совместимости (ЭМС)?

Проверка проводится с обеих сторон: излучаемые и кондуктивные помехи измеряют то, что излучает изделие, а испытания на помехоустойчивость включают проверку на электростатический разряд, быстрые переходные процессы, скачки напряжения и излучаемые поля, чтобы подтвердить его работоспособность. Неисправности обычно устраняются путем усиления обратных путей, добавления развязки, закрытия зазоров в плоскости или добавления экранирования или фильтрации.

Почему зазор в заземляющей плоскости вызывает электромагнитные помехи?

Обратный ток естественным образом протекает непосредственно под сигнальной дорожкой, но щель или разрыв в опорной плоскости блокирует этот путь и заставляет ток обходить зазор. Обходной путь создает большую токовую петлю, которая эффективно излучается и более подвержена наводкам. Сохранение непрерывности опорной плоскости под сигналами, что является основной практикой в ​​высокоскоростной компоновке печатных плат, позволяет избежать этого.