Най-добри практики за ЕМС екраниране на печатни платки: Как да се минимизират електромагнитните смущения

Въведение в темата

С нарастващите изисквания за електромагнитна съвместимост (ЕМС) (ЕМС), проектирането на печатни платки (ПХБ) става все по-сложно. Екранирането е ключова техника, която защитава електронните компоненти от електромагнитни смущения (ЕМС). Тази статия обсъжда ключовите предизвикателства и най-добрите практики за ЕМС екраниране на ПХБ.

Пазарът на електроника претърпява динамични промени и с нарастващия брой безжични устройства и потребителска електроника, електромагнитната съвместимост (ЕМС) се превръща в ключов аспект на дизайна. Електронните устройства, от смартфони до усъвършенствани медицински и автомобилни системи, трябва да отговарят на строги стандарти за ЕМС, за да осигурят безопасна и ефективна работа. Бързото развитие на технологии като 5G, Интернет на нещата (IoT) и носимата електроника допринася за нарастващия брой устройства, работещи на по-високи честоти. Това от своя страна увеличава чувствителността към електромагнитни смущения (EMI).

През 2023 г. световният пазар на електромагнитно екраниране се очакваше да достигне 7 милиарда долара, което подчертава нарастващото значение на тази технология. Смята се, че до 2030 г. този пазар ще нарасне с още 50%, обусловен от нарастващия брой приложения, изискващи съответствие с EMC. Компаниите трябва да инвестират в усъвършенствани техники за екраниране, за да отговорят на тези изисквания. Липсата на адекватно екраниране може да доведе до проблеми със съвместимостта на устройствата и да повлияе негативно на производителността и надеждността на устройствата.

История и произход на проблема

Проблемите, свързани с електромагнитните смущения (EMI), датират от ранните дни на радиотехнологиите в началото на 20-ти век. Ранните радиокомуникационни системи бяха особено податливи на смущения от други източници на електромагнитно излъчване. С напредването на електрониката и телекомуникациите инженерите започнаха да осъзнават, че тези смущения могат значително да повлияят на качеството на сигнала и надеждността на устройствата. Вече бяха предприети ранни стъпки за защита на системите от електромагнитни смущения, предимно чрез използването на подходящи техники за заземяване и изолиране на сигнала.

През 70-те години на миналия век, с бързия растеж на електронните устройства, проблемът с електромагнитните смущения стана по-широко разпространен и сериозен. Компании като Bell Laboratories започнаха интензивни изследвания на методите за защита от електромагнитни смущения. Въвеждането на първите разпоредби за електромагнитна съвместимост, като например стандартите MIL-STD-461 за военно оборудване, принуди производителите да проектират своите устройства с оглед на екранирането.

През 80-те и 90-те години на миналия век развитието на микропроцесорната технология и цифровите устройства допълнително увеличи необходимостта от съответствие с изискванията за електромагнитна съвместимост. Появиха се по-усъвършенствани техники, като например клетката на Фарадей, и специални екраниращи материали, които станаха широко използвани в индустрията. Оттогава електромагнитното екраниране се е превърнало в стандартен елемент от електронния дизайн, особено за устройства, работещи на високи честоти.

В момента техниките за екраниране и управление на електромагнитните смущения са неразделна част от електронната индустрия, особено в контекста на нововъзникващите 5G и IoT технологии, както и в автомобилната индустрия, където автономните и електрическите системи стават все по-често срещани.

Ключови предизвикателства и проблеми

Миниатюризация и сложност на дизайна

С нарастващата миниатюризация на електронните устройства, дизайнерите са изправени пред предизвикателството ефективно да подредят компонентите в ограничено пространство. Колкото по-малък е размерът на печатната платка, толкова по-трудно е да се поддържа подходящо разстояние между компонентите, излъчващи смущения, и чувствителните компоненти. При проектирането на аналогови, цифрови и захранващи схеми е особено важно да се избягват взаимни смущения. Неправилното разполагане на компонентите може да доведе до смущения, които влияят на стабилността на устройството.

Управление на заземяващата равнина

Еднородната, непрекъсната заземяваща равнина е от основно значение за проектирането на печатни платки, които са имунизирани срещу електромагнитни смущения. Заземителната повърхност играе ключова роля в абсорбирането на проводими смущения. Проектирането на многослойни печатни платки, особено за сложни устройства като мобилни телефони или медицинско оборудване, обаче може да доведе до прекъсвания в заземителната повърхност. Преходните отвори могат допълнително да доведат до проблеми с проводимите смущения, ако не са правилно поставени и заземени.

Заземителни контури и проводими смущения

Заземителните контури са често срещан проблем в многослойните устройства. Те се образуват, когато различните секции на платката имат различни потенциали на земята, което води до проводими смущения. Сигналите, които преминават през тези контури, могат да причинят смущения между компонентите. За да предотвратят това явление, дизайнерите трябва внимателно да планират заземяването и сигналните пътища, за да сведат до минимум риска от такива контури.

Екраниращ материал

Изборът на правилните екраниращи материали играе решаваща роля за осигуряване на ефективна защита от електромагнитни смущения. Материали като мед, алуминий и неръждаема стомана имат различна проводимост и свойства за потискане на смущенията. Медта, поради отличната си проводимост, се използва най-често, особено в конструкции, изискващи висока производителност. Неръждаемата стомана, макар и по-евтина, предлага по-лоши свойства за потискане на смущенията и се използва в по-малко взискателни приложения. Високите честоти, на които работят съвременните устройства, изискват използването на по-съвременни материали и техники, като например многослойни екраниращи покрития.

Излъчвана интерференция

Излъчваната интерференция може да проникне в критични компоненти като микропроцесори, осцилатори и радио модули. Особено за IoT устройства, които често работят в среда с високи EMI, е изключително важно проектантите да използват подходящи техники за екраниране и изолиране на сигнала. Високите работни честоти на такива устройства, достигащи до десетки GHz, правят стандартните техники за екраниране недостатъчни. В такива случаи използването на специализирани екраниращи материали и прецизно проектиране на схеми стават от съществено значение.

Най-добри дизайнерски практики и техники

Изолиране на аналогови и цифрови сигнали

Един от най-важните аспекти на проектирането на печатни платки за EMC е правилното разделяне на аналоговите и цифровите сигнали. Цифровите сигнали, особено високочестотните, могат да въведат смущения в аналоговите пътища, което влияе върху точността на измерване и стабилността на устройството. Ето защо се препоръчва, когато е възможно, аналоговите и цифровите секции да се поставят на различни слоеве или физически да се разделят на платката.

Правилно разположение на отворите

Отворите често се използват в многослойни конструкции, но неправилното импедансно разположение може да доведе до смущения от проводимостта. За да избегнете това, избягвайте поставянето на отвори близо до чувствителни компоненти и ги поставете симетрично, за да сведете до минимум потенциалните разлики на заземителната равнина.

Използване на EMI-абсорбиращи материали

EMI-абсорбиращите материали, като феритни перли и фолиа, могат значително да намалят електромагнитното излъчване, генерирано от компонентите. Особено в устройства с висока плътност, където пространството е ограничено, тези материали могат да се използват на места, където стандартните техники за екраниране са трудни за прилагане.

Проектиране на нискоимпедансни конектори

Нискоимпедансните конектори, като коаксиалните конектори, осигуряват ефективна защита срещу смущения. Те са особено важни за високочестотни връзки, където дори малки разлики в импеданса могат да доведат до отражения на сигнала и смущения. Изборът на правилния тип конектор, заедно с прецизното му разположение, може значително да подобри съответствието с изискванията за електромагнитна съвместимост (ЕМС) на цялата система.

Обобщение

Проектирането на печатни платки за ЕМС изисква цялостен подход, който отчита както избора на материали, така и техниките за проектиране. Миниатюризацията, високите работни честоти и сложността на съвременните електронни устройства правят съответствието с ЕМС все по-предизвикателна задача. Прилагането на най-добри практики, като екраниране, правилно разположение на отворите (via) и изолация на сигнала, помага за минимизиране на риска от смущения и осигуряване на надеждна и безопасна работа на устройството.