EMI, EMS та EMC на друкованій платі: визначення та поради щодо проектування

У проектуванні друкованих плат, електромагнітна сумісність (ЕМС) – це мета створення плати, яка не випромінює надмірних перешкод і не зазнає надмірних перешкод від навколишнього середовища; ЕМС – це самі небажані перешкоди, а ЕМС – це сприйнятливість плати до зовнішніх перешкод. Досягнення ЕМС здебільшого пов'язане з проблемою компонування, використанням твердих заземлювальних поверхонь, малих струмових петель, безперервних зворотних шляхів, гарної розв'язки та розумної фільтрації. Цей посібник розкриває ці три терміни, пояснює, звідки беруться перешкоди, та викладає методи проектування друкованих плат і тести, які забезпечують сумісність та відповідність продукту вимогам.

EMI, EMS та EMC: визначення та відмінності

Ці три терміни пов'язані, але різні, і їх плутанина призводить до незрозумілих вимог.

Простіше кажучи, електромагнітна сумісність (ЕМС) досягається, коли плата випромінює мало електромагнітних перешкод і водночас переносить навколишні електромагнітні перешкоди (хороша стійкість, низький рівень ЕМС). Обидві половини, які не випромінюють і не зазнають перешкод, повинні бути задоволені. Плата, яка є тихою, але крихкою, або міцною, але шумною, не є електромагнітно сумісною.

Що викликає електромагнітні перешкоди на друкованій платі

Перешкоди виникають внаслідок зміни струмів та напруг, тому найшвидші та найчіткіші сигнали є найбільшими джерелами.

• Швидке перемикання ребер. Швидкі переходи напруги та струму містять високочастотну енергію, яка випромінюється.
• Струмові петлі. Будь-яка петля струму діє як антена; чим більша петля, тим більше вона випромінює і тим більше сигналу вловлює.
• Годинники та гармоніки. Періодичні тактові сигнали створюють сильну енергію на тактовій частоті та її гармоніках.
• Імпульсні джерела живлення. Імпульсні регулятори є інтенсивними локальними джерелами як випромінюваного, так і кондуктивного шуму.

Повторюваною темою є струмова петля. Більшість проблем випромінювання та сприйнятливості зводяться до області петлі: невелика петля є як поганим передавачем, так і поганим приймачем перешкод. Ось чому в конструкції електромагнітної сумісності так багато уваги приділяється контролю над тим, куди протікає зворотний струм, що є проблемою, що поділяється і при високошвидкісному проектуванні.

Випромінювання проти імунітету: дві сторони електромагнітної сумісності

Відповідність має два аспекти, і дизайн повинен враховувати обидва.

викиди

Випромінювання – це електромагнітні перешкоди, які випромінює виріб, що вимірюються як випромінювання (крізь простір) та кондуктивне випромінювання (уздовж кабелів та ліній електропередач). Нормативи обмежують рівень випромінювання виробом, щоб він не заважав іншому обладнанню.

Імунітет

Імунітетність має зворотний бік: продукт повинен продовжувати працювати під впливом зовнішніх перешкод, таких як електростатичний розряд, швидкі перехідні процеси та випромінювані поля. Хороша стійкість означає низьку сприйнятливість. Багато однакових варіантів компонування, тверде заземлення та малі контури одночасно покращують як випромінювання, так і стійкість, тому вони є основою проектування ЕМС, а не додатковими пропозиціями.

Методи компонування друкованих плат для зменшення електромагнітних перешкод

ЕМС виграється або програється здебільшого на дошці. Кілька методів виконують більшу частину роботи.

Роль стеку та шляху повернення

Найпотужнішим інструментом є безперервна опорна площина поруч із кожним сигнальним шаром, тому зворотний струм протікає безпосередньо під сигналом у найменшій можливій петлі. Розділення цієї площини або направлення сигналу через проміжок змушує зворотний струм обходити, створюючи велику петлю, яка випромінює. Роздільні конденсатори, розміщені поблизу кожної мікросхеми, виконують ту саму роботу для петлі подачі живлення. Ці варіанти залежать від компонування та стека, які встановлюються під час виготовлення друкованої плати , і саме їх перевіряє огляд проекту.

Поширені помилки проектування EMC

Кілька повторюваних помилок компонування пояснюють більшість збоїв електромагнітної сумісності, і кожна з них має чітке виправлення.

Зверніть увагу, що кожне виправлення повертається до тих самих основ: підтримувати зворотний струм у невеликій, безперервній петлі, локально розв'язувати та правильно заземлювати екрани. Уникнення цих помилок у схемі набагато дешевше, ніж ганятися за випромінюваннями в лабораторії відповідності.

Екранування та фільтрація друкованих плат

Коли одного лише компонування недостатньо, екранування та фільтрація додають ще один рівень контролю.

• Щити на рівні дошки. Металеві банки над шумною або чутливою ділянкою утримують або блокують поля.
• Фільтрування. Фільтри на лініях вводу/виводу та блоці вводу живлення відводили шум, що надходить або виходить.
• Контрольований імпеданс та матеріал з низькими втратами. Чисті, добре узгоджені сигнали випромінюють менше, саме тому плати з низькими втратами і підходящий високочастотні матеріали допомога з швидкими дизайнами.

Екранування — це сама по собі глибша тема, але принцип простий: стримуйте енергію, яку ви не можете усунути, та фільтруйте шляхи, якими вона інакше б поширилася. Екрани та фільтри доповнюють гарне розташування; вони не замінюють його.

Стандарти та відповідність вимогам електромагнітної сумісності (FCC, CISPR, CE)

Більшість продуктів повинні відповідати нормам електромагнітної сумісності (ЕМС), перш ніж їх можна буде продавати, а застосовний стандарт залежить від ринку та типу продукту.

Точні обмеження та методи випробувань різняться, але структура є послідовною: обмеження на те, що ви випромінюєте, та мінімальні рівні перешкод, які ви повинні витримувати. Розуміння того, які стандарти застосовуються на ранніх етапах, формує конструкцію, оскільки модернізація EMC після невдалого випробування на відповідність є повільною та дорогою.

Методи випробувань електромагнітної сумісності (ЕМС)

Відповідність підтверджується випробуваннями, які відображають обидві сторони електромагнітної сумісності (ЕМС).

• Випромінювані випромінювання. Вимірює енергію, яку випромінює продукт у простір у певному діапазоні частот.
• Кондуктивні викиди. Вимірює шум, який виріб надсилає назад на лінії живлення та сигналу.
• Тести на імунітет. Піддавайте виріб впливу електростатичного розряду, швидких перехідних імпульсів, стрибків напруги та випромінюваних полів, щоб переконатися, що він продовжує працювати.

Вихід з ладу плати часто виправляється шляхом вирішення вищезазначених фундаментальних проблем: звуження зворотного шляху, додавання розв'язки, закриття міжплощинного зазору або встановлення екрану чи фільтра. Виявлення цих проблем у конструкції набагато дешевше, ніж після невдалого тесту, тому електромагнітну сумісність найкраще розглядати як вхідний параметр конструкції, а не як остаточну перешкоду.

Як спроектувати друковану плату для електромагнітної сумісності

Найнадійніший спосіб пройти випробування електромагнітної сумісності (ЕМС) – це проектувати з урахуванням цього з першого ж рішення щодо компонування.

• Планування стекапу таким чином, кожен сигнал має суміжну, безперервну опорну площину.
• Тримайте петлі невеликими для годинників, комутаційних вузлів та високошвидкісних сигналів.
• Розв'язка кожної ІС з конденсаторами, розташованими близько до контактів живлення.
• Розділіть дошку таким чином, шумні секції (комутатори, радіостанції) відокремлені від чутливих.
• Планування фільтрації вводу/виводу та будь-яких екранів перед тим, як макет буде заморожено.

Ці рішення майже нічого не коштують на етапі проектування та потребують значних витрат на модернізацію. Прийняті заздалегідь, вони впроваджуються під час виробництва та забезпечують надійне складання друкованих плат та масове виробництво. Для плат зі значними вимогами до нагрівання, а також електромагнітної сумісності, підкладка, така як збірка з металевим сердечником, також може враховуватися.

ЕМС означає плату, яка є одночасно тихою та надійною; цього можна досягти, контролюючи струмові петлі за допомогою суцільних площин, розв'язуючи, використовуючи безперервні зворотні шляхи, а також розумно екрануючи та фільтруючи, а потім перевіряючи за допомогою тестів на випромінювання та стійкість. Проектуйте з самого початку, і відповідність буде відповідати вимогам. Ви можете дізнатися більше про Highleap Electronics та наші можливості з виробництва та складання.

Поширені запитання

Яка різниця між електромагнітними перешкодами (EMI), електромагнітними перешкодами (EMS) та електромагнітною сумісністю (EMC)?

Електромагнітна сумісність (ЕМС) – це загальна мета: пристрій, який працює у своєму середовищі, не спричиняючи та не зазнаючи неприпустимих перешкод. ЕМС – це небажані перешкоди, які випромінює пристрій, а ЕМС – це його сприйнятливість до зовнішніх перешкод. Сумісний продукт випромінює мало електромагнітних перешкод і має хороший імунітет (низький рівень ЕМС).

Що викликає електромагнітні перешкоди на друкованій платі?

Зміна струмів та напруг: швидкі фронти перемикання, тактові сигнали та їх гармоніки, імпульсні джерела живлення та особливо струмові петлі, які діють як антени. Чим більша петля, тим більше вона випромінює та підхоплює. Більшість проблем з електромагнітними перешкодами зводяться до контролю площі петлі та шляхів зворотного струму.

Який найважливіший метод проектування електромагнітної сумісності?

Безперервна опорна (заземлена) площина прилягає до кожного сигнального шару, тому зворотний струм протікає безпосередньо під сигналом у найменшій можливій петлі. Розділення цієї площини або прокладання через зазор створює велику зворотну петлю, яка випромінює. Суцільні площини плюс мінімальна площа петлі лежать в основі майже всього іншого.

Чи допомагають розділові конденсатори з електромагнітною сумісністю?

Так. Розв'язувальні (шунтувальні) конденсатори, розміщені поблизу виводів живлення кожної мікросхеми, локально подають перехідний струм, зменшуючи контур живлення та шум, який він в іншому випадку випромінював би. Вони також стабілізують живлення, покращуючи як випромінювання, так і стійкість. Розміщення поблизу виводів має таке ж значення, як і значення напруги.

Чи потрібне екранування для забезпечення електромагнітної сумісності, чи це можливо лише за допомогою компонування?

Гарне компонування, суцільні площини, малі контури, розв'язка та контрольований імпеданс вирішують багато проблем електромагнітної сумісності без екранування. Екрани та фільтри додають контролю, коли одного лише компонування недостатньо, наприклад, на радіочастоті з шумом або на лініях вводу/виводу. Вони доповнюють гарне компонування, а не замінюють його.

Яким стандартам електромагнітної сумісності мені потрібно відповідати?

Це залежить від ринку та продукту: Частина 15 FCC регулює викиди в США, Директива ЄС щодо електромагнітної сумісності (CE) охоплює викиди та стійкість у Європі, CISPR надає широко використовувані граничні значення викидів, а серія IEC 61000 визначає випробування на стійкість. Визначте застосовні стандарти заздалегідь, оскільки вони формують конструкцію.

Як перевіряється електромагнітна сумісність (ЕМС)?

Шляхом тестування обох сторін: випромінюване та кондуктивне випромінювання вимірюють те, що випромінює продукт, тоді як випробування на стійкість застосовують електростатичний розряд, швидкі перехідні процеси, перенапруги та випромінювані поля, щоб підтвердити його безперервну роботу. Несправності зазвичай усуваються шляхом звуження зворотних шляхів, додавання розв'язки, закриття площинних зазорів або додавання екранування чи фільтрації.

Чому зазор у заземленій площині викликає електромагнітні перешкоди?

Зворотний струм природним чином протікає безпосередньо під своєю сигнальною доріжкою, але щілина або розрив в опорній площині блокує цей шлях і змушує струм обходити зазор. Обхід створює велику петлю струму, яка ефективно випромінює та є більш схильною до наведення. Збереження безперервності опорної площини під сигналами, що є основною практикою у високошвидкісному компонуванні друкованих плат, дозволяє уникнути цього.