Технология PCB - Лекция по проектированию EMI / EMC: плоскость изображения печатной платы (часть 2)

Плоскость изображения - это слой медных проводников (или других проводников), расположенный внутри печатная плата (ПП). Это может быть плоскость напряжения или опорная плоскость 0 В, примыкающая к слою схемы или маршрутизации сигналов. В 1990-х годах широко использовалось понятие "плоскость изображения", а в настоящее время этот термин является общепринятым в промышленных стандартах. В этой статье мы расскажем об определении, принципе действия и конструкции плоскости изображения.

Конструкция плоскости изображения

На рис. 4 показана плоскость изображения в печатной плате, которая имеет общую частичную индуктивность. На этом рисунке большая часть ВЧ-тока сигнальной трассы будет возвращаться в плоскость земли, которая находится непосредственно под сигнальной трассой. В этой структуре "изображения" возврата ВЧ-ток будет сталкиваться с конечным сопротивлением (индуктивностью). Этот обратный ток создает "градиент (наклон) напряжения" (скорость изменения напряжения на единицу длины пути), также известный как "напряжение шума земли". Напряжение шума земли приводит к тому, что часть тока сигнала проходит через дискретные конденсаторы на плоскости земли.

Типичный ток общей моды в 1/10n раз больше тока дифференциальной моды Idm (n - целое положительное число, меньшее 10). Однако ток общей моды (I1 и Icm) будет генерировать большее излучение, чем ток дифференциальной моды (и ). Это объясняется тем, что поле тока общей моды радиочастоты является аддитивным, а поле тока дифференциальной моды - вычитательным.

Чтобы уменьшить "напряжение шума земли", необходимо увеличить значение общей индуктивности между трассой и ближайшей плоскостью изображения. Это позволит увеличить путь обратного тока для передачи тока изображения обратно к источнику тока. Формула расчета напряжения помех на землю Vgnd выглядит следующим образом:

VGND = LG DI2/DT-MGS DI1/DT.

Рисунок 4 и символическое значение приведенной формулы выглядят следующим образом:

LS = часть индуктивности самой сигнальной трассы.

MSG = общая частичная индуктивность между сигнальной трассой и плоскостью заземления.

LG = часть индуктивности самой плоскости заземления.

MGS = общая частичная индуктивность между плоскостью заземления и сигнальной трассой.

CSTRAY = паразитная емкость плоскости заземления.

VGND = напряжение шума на плоскости земли.

Для того чтобы уменьшить Если на рис. 4, необходимо уменьшить напряжение шумов на земле. Наилучшим способом является уменьшение расстояния между сигнальной трассой и плоскостью земли. В большинстве случаев существует ограничение на уменьшение шума земли, поскольку расстояние между сигнальной плоскостью и плоскостью изображения не может быть меньше определенного значения; если оно меньше этого значения, то фиксированный импеданс и работоспособность печатной платы не будут гарантированы. Кроме того, она может обеспечить дополнительный путь для радиочастотного тока, тем самым снижая напряжение помех на земле. Этот дополнительный обратный путь включает в себя несколько проводов заземления.

Рисунок 4: Плоскость заземления в печатной плате

Стабильная плоскость будет создавать излучение общей моды. Поскольку общая частичная индуктивность может уменьшить генерацию радиочастотного тока излучения, общая частичная индуктивность также будет влиять на ток дифференциальной моды и ток общей моды. Использование плоскости изображения позволяет значительно уменьшить эти токи. Теоретически ток дифференциальной моды должен быть равен нулю, но фактически его невозможно устранить на 100%, и оставшийся ток дифференциальной моды будет преобразован в ток общей моды. Этот ток общей моды является основным источником электромагнитных помех. Поскольку оставшийся ВЧ-ток в обратном тракте добавляется к основному току (I1) в сигнальном тракте, это приводит к серьезным помехам сигналу. Чтобы уменьшить ток общего режима, необходимо увеличить значение индуктивности общей части между плоскостью трассы и плоскостью изображения до максимума, чтобы захватить магнитный поток и тем самым устранить ненужную радиочастотную энергию. Дифференциальный режим напряжения и тока приведет к появлению тока общего режима. Для уменьшения дифференциального тока необходимо не только увеличить значение общей индуктивности, но и минимизировать расстояние между плоскостью трассировки и плоскостью изображения.

В печатной плате при наличии ВЧ-возвратной плоскости или тракта, если возвратный тракт подключен к опорному источнику, можно получить наилучшие характеристики. Для TTL и CMOS выводы питания и заземления в микросхеме подключаются к опорному источнику, источнику питания и плоскости заземления. Только в том случае, если обратный радиочастотный канал подключен к выводам питания и заземления микросхемы, возникает реальная плоскость изображения. Обычно в микросхеме имеется контур заземления, который соединен с плоскостью заземления печатной платы, поэтому получается хорошая плоскость изображения. Если эту плоскость удалить, то между трассой и плоскостью заземления образуется "мнимая" плоскость изображения. Поскольку расстояние между трассами невелико, энергия излучения уменьшится, поэтому ВЧ-изображение будет смещено. Идеальная плоскость изображения должна быть бесконечной, в ней не должно быть расслоений, щелей и разрезов.

Заземление и возврат сигнала

Поскольку контур является наиболее важной средой для распространения радиочастотной энергии, заземление или управление контуром возврата сигнала (контуром возврата) является одним из важнейших конструктивных моментов для подавления электромагнитных помех в печатной плате. Высокоскоростные логические компоненты и генераторы должны располагаться как можно ближе к контуру заземления, чтобы избежать образования петли; в этой петле будут возникать вихревые токи, а шасси или корпус в это время заземлены. Вихревые токи индуцируются изменением магнитного поля и обычно являются паразитными. На рис. 5 показан контур, образованный слотом для адаптерной карты ПК и одноточечным заземлением. На этом рисунке имеется дополнительная область контура возврата сигнала. Каждый контур будет создавать свое электромагнитное поле и спектр частот. Радиочастотный ток будет генерировать поле электромагнитного излучения на определенной частоте, а величина излучаемой им энергии связана с площадью контура. В это время необходимо использовать защитную оболочку, чтобы предотвратить связь радиочастотного тока с другими цепями; или излучение во внешнюю среду, вызывающее электромагнитные помехи. Однако лучше всего максимально исключить ток радиочастотной петли, генерируемый внутренним контуром.

Рисунок 5: схема заземления в печатная плата

Если обратный путь радиочастотного тока отсутствует, то в это время для помощи в перемещении можно использовать линию заземления, подключенную к базе, или источник опорного напряжения 0 В. Устраните плохой радиочастотный ток. Это также называется "контроль области контура".

Контроль площади петли

Контур, индуцированный магнитным полем, его электромагнитное поле можно представить в виде источника напряжения. Размер этого источника напряжения пропорционален общей площади контура. Поэтому для уменьшения эффекта связи магнитного поля необходимо уменьшать площадь контура. Система приема электрического поля "пикап" также опирается на площадь контура, образующего приемную антенну.

При наличии электрического поля между источником питания и плоскостью заземления возникает источник тока. Электрическое поле не будет переходить от линии к линии, но будет переходить от трассы к земле, что включает в себя токи общей моды. Однако для магнитного поля, поскольку вместе с ним будет генерироваться электрическое поле, электромагнитное поле будет сцепляться от линии к линии, а также от трассы к линии заземления.

Большинство людей игнорируют необходимость установки петлевой области между источником питания и опорной точкой 0 В на печатной плате. Большая петлевая область, показанная на рис. 6, наиболее проста в проектировании, но она также легче всего поддается воздействию "электростатического разряда (ESD)" или других полей и превращается в антенну. Многослойная печатная плата может уменьшить ущерб от электростатического разряда, а также уменьшить генерацию магнитного поля и предотвратить его излучение в свободное пространство. На рис. 7 между плоскостью заземления и плоскостью питания имеется небольшая петлевая область.

Использование силовых и заземляющих плоскостей позволяет уменьшить индуктивность системы распределения питания. Если характеристический импеданс системы распределения питания уменьшается, то падение напряжения на печатной плате может быть уменьшено. Если падение напряжения становится меньше, то можно избежать явления "дребезга земли". При быстром переключении логического затвора мгновенное изменение тока через выводы микросхемы передается на плоскость питания или заземления системной платы, вызывая колебания входного опорного напряжения, а затем генерируя радиочастотный шум (РЧ шум) и электромагнитные помехи. Это явление получило название "дребезг земли". Кроме того, при уменьшении характеристического импеданса увеличивается величина емкости между плоскостью питания и плоскостью заземления. Эта величина емкости приведет к падению любого наведенного напряжения. В этом и заключается эффект "развязки".

Рисунок 6: зеленая область - большая кольцевая область

Когда сигнальная линия перемещается между компонентами, образуется большая петлевая область. Однако мы часто забываем о влиянии сигнальных линий на ЭМИ. Хотя целостность сигнала (во временной области) остается высокой, ЭМИ все еще существует (в частотной области), поскольку область сигнального шлейфа создает больше проблем, чем системы распределения питания. Это особенно справедливо с точки зрения ESD; это связано с тем, что ESD непосредственно попадает на входные контакты шлейфа и компонентов. Чтобы уменьшить ущерб, который может нанести ESD, проще всего уменьшить площадь шлейфа. Децентрализованная сеть плоскостей питания и заземления обеспечивает низкоомный путь, по которому энергия ESD может передаваться на опорную плоскость возврата 0 В. В конце концов, цепи есть цепи, и если они могут излучать электромагнитные волны, то должны уметь и принимать их.

Помимо снижения напряжения шумов на земле, плоскость изображения может также предотвратить увеличение петли заземления ВЧ, поскольку ток ВЧ плотно связан с трассами их источников тока, поэтому ему не нужно искать другой путь возврата. При максимальном увеличении петли магнитный поток значительно уменьшается. Это одна из важнейших концепций подавления радиочастотного тока в печатной плате. Вблизи каждой сигнальной плоскости правильная конфигурация плоскости изображения может устранить общую модовую радиочастотного тока. Плоскость изображения, через которую проходит большое количество радиочастотного тока, должна быть заземлена или подключена к опорной точке 0 В. Для устранения избыточного радиочастотного напряжения и вихревых токов все заземляющие и базовые плоскости могут быть подключены к точке заземления базы через низкоомную цепь заземления.

Рисунок 7: схема печатная плата с малозамкнутой зоной

Расстояние между проводами заземления

Для уменьшения образования контуров в печатной плате проще всего спроектировать много проводов заземления, и все они подключаются к точке заземления основания. Поскольку частота фронтов выходного сигнала компонента ускорилась, многоточечное заземление стало необходимой спецификацией, особенно если в конструкции используется межсоединение входов/выходов. Если на печатной плате используется многоточечное заземление, и все они подключены к металлической конструкции, то в этот момент необходимо знать расстояние между всеми проводами заземления.

Расстояние между проводами заземления не может превышать λ/20 наибольшей частоты, которая включает в себя не только основную частоту, но и гармонические частоты. Если частота фронтов выходного сигнала компонента относительно медленная, то можно уменьшить количество точек заземления, подключаемых к основанию, или увеличить расстояние между ними. Например, λ/20 генератора с частотой 64 МГц составляет 23,4 см. Если линейное расстояние между двумя проводами заземления больше 23,4 см, то существует вероятность возникновения радиочастотной петли, которая может быть источником распространения радиочастотной энергии.

Расположение компонентов на печатной плате должно быть правильным. Расположение проводов заземления различных функциональных блоков вплотную друг к другу позволяет сократить длину сигнальной трассы, уменьшить отражения и упростить разводку, сохраняя при этом целостность сигнала. Следует по возможности избегать использования виасов, поскольку каждый виас увеличивает индуктивность трассы примерно на 1-3 нГ.

Кроме того, для предотвращения объединения различных участков полосы пропускания необходимо правильно разделить различные функциональные блоки. К таким методам относятся: использование отдельных печатная плата, изоляции, различных проводов... и т.д. Правильное разделение может улучшить характеристики схемы, облегчить намотку, сократить длину трассы, а также уменьшить площадь петли и улучшить качество сигнала. Перед разводкой инженеры должны спланировать, какие компоненты относятся к тому или иному функциональному блоку, и эту информацию можно получить у поставщиков компонентов.