Kodėl mano PCB projektas nepraeina EMC bandymų?

Įvadas: Kas yra EMC bandymai ir kodėl jie svarbūs?

Elektromagnetinis suderinamumas (EMC) yra neatsiejama elektroninių prietaisų projektavimo dalis. EMC bandymų tikslas – patikrinti, ar gaminys atitinka elektromagnetinių trukdžių emisijos ir atsparumo standartus. Šių standartų laikymasis yra labai svarbus, kad prietaisas tinkamai veiktų savo aplinkoje, t. y. netrukdytų kitiems prietaisams ir nebūtų jautrus išoriniams trikdžių šaltiniams.

EMC problemos yra viena dažniausių naujų gaminių homologacijos bandymų nesėkmių priežasčių. Dažniausiai pasitaikantys iššūkiai yra šie:

• spinduliuojamoji emisija (radiated emissions) – nepageidaujamos elektromagnetinės bangos, kurias skleidžia prietaisas ir kurios gali trikdyti kitų sistemų veikimą,
• atsparumas spinduliuotei (radiated susceptibility) – prietaiso gebėjimas tinkamai veikti esant išorinėms elektromagnetinėms bangoms,
• elektrostatinės iškrovos (electrostatic discharge, ESD) – staigūs elektros viršįtampiai, kurie gali pažeisti arba sutrikdyti elektronikos veikimą.

Be to, prietaisai gali turėti problemų dėl laidžiosios emisijos, greitųjų elektrinių tranzitinių procesų (EFT) ar viršįtampių. Tačiau dauguma šių problemų kyla dėl panašių projektavimo klaidų.

Tinkamas požiūris į projektavimą, ypač atsižvelgiant į spausdintines plokštes (PCB), laidus, ekranavimą ir filtravimą, yra būtinas norint išvengti brangių taisymų ir vėlavimų wprowadzając produktą į rinką.

Dažniausios EMC bandymų nesėkmių priežastys

Elektromagnetinio suderinamumo (EMC) bandymų nesėkmės paprastai kyla dėl kelių pagrindinių problemų, susijusių su emisija ir atsparumu trikdžiams. Šių priežasčių žinojimas ir supratimas yra labai svarbus norint veiksmingai joms užkirsti kelią.

Spinduliuojamoji emisija (Radiated Emissions)

Spinduliuojamoji emisija – tai nepageidaujamos elektromagnetinės bangos, kurias generuoja elektroninė sistema ir kurios gali trikdyti kitų prietaisų veikimą. Dažnai tai yra blogos srovės grįžtamųjų takų kontrolės arba netinkamo sluoksnių išdėstymo PCB rezultatas. Grįžtamojo signalo tako pertrūkiai arba tarpai sukelia elektromagnetinio lauko „nutekėjimą“ už plokštės ribų, o tai padidina spinduliuojamųjų trikdžių lygį.

Atsparumas spinduliuotei (Radiated Susceptibility)

Prietaisas taip pat turi tinkamai veikti esant išoriniams elektromagnetiniams laukams. Silpnas atsparumas spinduliuotei gali sukelti veikimo klaidas ar net pažeidimus. Ši problema dažnai kyla dėl netinkamo ekranavimo, blogos PCB topologijos arba netinkamo komponentų išdėstymo.

Elektrostatinės iškrovos (ESD)

Elektrostatinės iškrovos – tai staigūs srovės impulsai, kurie gali pažeisti jautrias elektronines schemas arba sukelti laikinus jų veikimo sutrikimus. Veiksmingos ESD apsaugos nebuvimas maitinimo įėjimuose ir I/O prievaduose yra viena iš dažnų EMC bandymų nesėkmių priežasčių. Atitinkami apsauginiai elementai, tokie kaip apsauginiai diodai ar varistoriai, turi būti tinkamai parinkti ir išdėstyti arti signalo įėjimo taškų.

Apibendrinant, pagrindines EMC problemas galima apibrėžti taip:

• Netinkama srovės grįžtamųjų takų kontrolė, dėl kurios padidėja spinduliuotė,
• Netinkamas prietaiso ar jo elementų ekranavimas,
• Veiksmingos apsaugos nuo elektrostatinių iškrovų trūkumas,
• Neoptimalus filtravimas maitinimo ir signalų linijose.

PCB projektavimas atsižvelgiant į EMC – svarbiausi principai

Kai galvojame apie PCB projektavimą, dažnai sutelkiame dėmesį į tai, kad schema veiktų – signalai eitų ten, kur reikia, o įtampos būtų stabilios. Tačiau praktiškai yra dar vienas, ne mažiau svarbus dalykas: kaip šie signalai elgiasi elektromagnetiniu požiūriu. Ar jie netrukdys kitiems prietaisams? Ar jie patys nebus sutrikdyti? Būtent čia į žaidimą įeina EMC.

Signalai kaip elektromagnetinės bangos

Reikia suprasti, kad signalai PCB – tai ne tik srovės ir įtampos, bet visų pirma sklindančios elektromagnetinės bangos. Kai „srovė teka“ signale, ji visada turi turėti grįžtamąjį kelią – šį grįžtamąjį taką vadiname „žemės grįžtamuoju taku“ arba tiesiog „srovės grįžtamuoju taku“. Ir jei šis kelias yra ilgas, netolydus arba pertrauktas, būtent tada prasideda problemos su EMI (elektromagnetiniais trikdžiais).

Todėl labai svarbu, kad maitinimo ir grįžtamasis planai būtų gerai suprojektuoti – tai kaip dvi tos pačios monetos pusės. Jie turėtų būti arti vienas kito, kad srovė grįžtų trumpiausiu ir mažiausios varžos keliu. Tai žymiai sumažina spinduliuotę ir padeda atitikti EMC standartus.

Vengti pertrūkių grįžtamuosiuose takuose

Viena iš dažniausių klaidų yra pertrūkių ar tarpų buvimas grįžtamuosiuose sluoksniuose, pavyzdžiui, dėl montavimo angų, signalų takų ar kitų elementų išdėstymo ten, kur turėtų tekėti grįžtamasis takas. Toks pertrūkis „priverčia“ grįžtamąją srovę tekėti aplink tarpą, o tai sukelia didesnį elektromagnetinį lauką ir didesnius trikdžius.

O tai jau tiesus kelias į EMC bandymų neišlaikymą.

Jei norite išvengti problemų su elektromagnetiniu suderinamumu, būtinai atkreipkite dėmesį į tai, kad signalai turėtų tiesioginius ir trumpus grįžtamuosius takus, o maitinimo ir grįžtamasis sluoksniai būtų gerai suprojektuoti ir arti vienas kito. Tai vienas iš paprasčiausių, bet kartu ir efektyviausių žingsnių projektuojant PCB atsižvelgiant į EMC.

Optimalus PCB sluoksnių išdėstymas (stack-up) geresniam EMC suderinamumui

Sluoksnių išdėstymas PCB, vadinamasis stack-up, yra vienas svarbiausių dalykų, į kurį reikia atkreipti dėmesį, jei norite, kad jūsų projektas sėkmingai praeitų EMC bandymus. Gerai suprojektuotas stack-up – tai ne tik tinkamo schemos veikimo klausimas, bet visų pirma trikdžių ir nepageidaujamų signalų emisijos apribojimas.

Tipiškos sluoksnių išdėstymo klaidos

Daugelis projektų turi problemų dėl neoptimalaus sluoksnių išdėstymo, o tai lemia srovės kilpų susidarymą ir padidėjusią spinduliuojamąją emisiją. Pavyzdžiui, jei maitinimo ir žemės planai yra per toli vienas nuo kito arba išdėstyti išoriniuose sluoksniuose be tinkamų jungčių tarp jų, grįžtamoji srovė turės eiti ilgu keliu, o tai sukelia trikdžius.

Kita dažna klaida – naudoti per daug signalinių sluoksnių be tinkamo žemės plano, todėl signalai gali spinduliuoti ir prasiskverbti į kitas schemos dalis.

Tinkamas signalinių sluoksnių bei maitinimo ir grįžtamųjų planų išdėstymas

Geras stack-up yra toks, kuris sumažina plačias srovės kilpas ir užtikrina takus su maža grįžtamųjų srovių varža. Dažniausiai naudojama sistema, kurioje signaliniai sluoksniai yra tiesiogiai šalia žemės ar maitinimo sluoksnių – dėl to grįžtamoji srovė gali tekėti tiesiai po signalo linija, o tai žymiai sumažina EMI spinduliuotę.

Praktiškai tai reiškia, kad, pavyzdžiui, signalinis sluoksnis turėtų būti tiesiai virš žemės ar maitinimo sluoksnio, o šie sluoksniai turi būti gerai sujungti vienas su kitu tinkamu kiekiu perėjimų (via), kurie sumažina varžą tarp jų.

„Stitching vias“ ir atskyrimo kondensatorių svarba

Norint papildomai sumažinti trikdžių atsiradimo riziką, verta naudoti „stitching“ techniką, t. y. sujungti žemes ar maitinimus daugybe perėjimų per visą PCB paviršių. Tai apsaugo nuo pertrūkių srovės grįžimo kelyje ir riboja kilpas.

Taip pat svarbu naudoti atskyrimo kondensatorius (bypass ir decoupling capacitors), kurie stabilizuoja maitinimo įtampas ir filtruoja aukšto dažnio triukšmus. Šie elementai padeda palaikyti švarų maitinimą ir mažina elektromagnetinę emisiją.

Ekranavimas ir apsauginiai korpusai – kaip veiksmingai sumažinti EMI?

Kai PCB projektas jau ištobulintas, o sluoksnių išdėstymas optimalus, vienu iš svarbiausių apsaugos nuo elektromagnetinių trikdžių (EMI) elementų tampa tinkamas ekranavimas ir tinkamo korpuso pasirinkimas. Būtent fizinis ekranavimas gali veiksmingai apriboti nepageidaujamų signalų spinduliavimą, taip pat apsaugoti elektroniką nuo išorinių trikdžių šaltinių.

Reikalavimai ekranų ir korpusų sujungimams

Veiksmingo ekranavimo pagrindas – užtikrinti tvirtą, mažos varžos jungtį tarp PCB ekrano ir metalinio korpuso. Jei šie elementai nėra gerai sujungti arba yra tarpų, ekranas neatliks savo funkcijos, o elektromagnetiniai trikdžiai laisvai sklis. Taip pat svarbu, kad ekranas būtų gerai įžemintas – tai leidžia veiksmingai nuvesti nepageidaujamus trikdžių signalus į žemę.

Problemos su angomis ir plyšiais ekranuose

Kiekvienas ekrano vientisumo pažeidimas, pvz., anga, plyšys ar tarpas, yra potencialūs vartai spinduliuojamiems trikdžiams. Deja, praktikoje korpusuose dažnai turi būti ventiliacijos, prieigos ar montavimo angos, kurios, deja, gali susilpninti ekranavimo efektyvumą.

Svarbu šias angas projektuoti protingai – jų išdėstymas ir dydis turi didžiulę įtaką EMI apsaugos efektyvumui. Ypač dideli ar ilgi plyšiai gali veikti kaip antenos, didindami spinduliavimą.

Maksimalus plyšių ilgis veiksmingai apsaugai

Taisyklė paprasta: kuo trumpesnis plyšys, tuo geresnė apsauga. Praktiškai plyšio ilgis turėtų būti žymiai mažesnis už trikdžių, kuriuos norime slopinti, bangos ilgį.

Todėl, kai reikia projektuoti angas ar plyšius, verta naudoti papildomas priemones, tokias kaip tinkliniai ekranai ar specialios laidžios medžiagos, pavyzdžiui, tarpikliai, kurie sumažins ekrano vientisumo pažeidimų poveikį.

Problemų su kabeliais ir jų įtaka EMI

Kabeliai dažnai būna nepakankamai įvertintas elektromagnetinio suderinamumo (EMC) problemų šaltinis. Net jei PCB yra teisingai suprojektuota, netinkamai ekranuoti ar išdėstyti laidai gali žymiai pabloginti EMC bandymų rezultatus.

Spinduliavimas per kabelius, prasiskverbiančius pro ekraną

Iš prietaiso išeinantys laidai gali veikti kaip antenos, skleidžiančios nepageidaujamas elektromagnetines bangas. Ypač pavojingi yra signaliniai ir maitinimo kabeliai, neturintys veiksmingo ekranavimo. Dėl to, net jei metalinis korpusas ir PCB ekranas yra gerai suprojektuoti, spinduliavimas gali „nutekėti“ būtent per kabelius.

Tinkamo ekranavimo ir kabelių ekranų užbaigimo svarba

Norint apriboti emisijas, svarbu naudoti ekranuotus kabelius, tačiau pats ekranas – dar ne viskas. Taip pat labai svarbu tinkamai įžeminti ir tinkamai užbaigti kabelių ekranus prie išėjimo iš prietaiso. Priešingu atveju ekranavimas gali veikti kaip antena, o ne kaip barjeras EMI.

„Pigtail“ įtaka ekranavimo efektyvumui

„Pigtail“ (kasytė) – tai trumpas, neekranuotas kabelio fragmentas, paprastai paliekamas ties ekrano galu. Šis fragmentas gali visiškai panaikinti ekranavimo poveikį, nes šioje vietoje elektromagnetiniai trikdžiai lengvai išsisklaido. Todėl labai svarbu vengti „pigtail“, t. y. užtikrinti ekrano vientisumą iki pat įžeminimo taško.

Signalų ir maitinimo filtravimas – kokius elementus naudoti?

EMI filtrai yra pagrindas kovojant su elektromagnetiniais trikdžiais. Net geriausias PCB projektas gali žlugti, jei trūks tinkamų filtravimo elementų. Todėl gerai žinoti, kuriuos filtrus pasirinkti ir kur juos geriausiai sumontuoti, kad jie tikrai veiktų.

Tipiškos EMI filtrų topologijos

Dažniausiai pasitaikantys EMI filtrai remiasi kondensatorių ir feritinių ričių deriniu, sudarydami įvairias konfigūracijas, slopinančias trikdžius signaluose ir maitinime. Populiarūs yra π (pi) tipo filtrai, kuriuose kondensatoriai yra išdėstyti abiejose feritinės ritės pusėse. Tokia konstrukcija leidžia efektyviai pašalinti tiek bendrojo, tiek diferencinio režimo trikdžius.

X ir Y kondensatorių bei feritinių ričių vaidmuo

X klasės kondensatoriai naudojami tarp maitinimo linijų, o Y klasės kondensatoriai – tarp linijų ir žemės. Dėl to jie riboja nepageidaujamų trikdžių srovių tekėjimą. Savo ruožtu feritinės ritės veikia kaip varža, kuri „slopina“ aukšto dažnio EMI signalus, tuo pačiu praleisdama žemo dažnio maitinimo srovę. Šis elementų derinys yra daugumos EMC filtrų pagrindas.

Kada naudoti filtrus ant kabelių ir maitinimo

Filtrus geriausia dėti kuo arčiau trikdžių šaltinio arba maitinimo įėjimo į prietaisą taško. Signalinių ir maitinimo kabelių atveju filtravimas apsaugo nuo nepageidaujamų radijo bangų emisijos į išorę ir apsaugo jautrias grandines nuo išorinių trikdžių. Taip pat verta prisiminti, kad daugelyje programų būtina naudoti daugiapakopius filtrus – pavyzdžiui, pirmiausia bendrą filtrą prie maitinimo, o po to vietinius filtrus prie kritinių komponentų.

Apsauga nuo viršįtampių ir elektrostatinių iškrovų (ESD)

Elektroniniai prietaisai tampa vis jautresni ir sudėtingesni, todėl apsauga nuo viršįtampių ir elektrostatinių iškrovų (ESD) yra ne tik rekomenduojama, bet ir būtina. Net trumpi, staigūs impulsai gali sukelti komponentų pažeidimus, veikimo klaidas, o kraštutiniais atvejais – negrįžtamą prietaiso gedimą.

Apsaugos nuo viršįtampių įtaisai yra pirmoji gynybos linija. Jie visų pirma naudojami maitinimo įėjimuose ir ryšio linijose (I/O), t. y. ten, kur prietaisas liečiasi su išoriniu pasauliu ir yra labiausiai pažeidžiamas dėl staigių įtampos impulsų. Kad apsauga būtų veiksminga, labai svarbu pasirinkti elementus su tinkamais parametrais:

• Maža parazitinė talpa – sumažina poveikį aukšto dažnio signalams, o tai ypač svarbu šiuolaikinėse, greitose sąsajose.
• Greita reakcija – apsauga turi suveikti nedelsiant, kad efektyviai nuvestų energijos perteklių ir išvengtų pažeidimų.
• Atsparumas daugkartiniams impulsams – prietaisas turi atlaikyti daugybę ESD įvykių neprarasdamas apsauginių savybių.

Populiariausi sprendimai yra TVS diodai (Transient Voltage Suppressors), varistoriai ir specializuotos apsaugos schemos, skirtos konkrečioms programoms. Tinkamas jų išdėstymas ant PCB, kuo arčiau vietų, kuriose gali kilti viršįtampis, užtikrina maksimalų efektyvumą.

Praktiškai tai reiškia apsaugos įtaisų montavimą tiesiai prie maitinimo jungčių ir įvesties/išvesties sąsajų, kad trikdžiai nespėtų išplisti po visą prietaisą. Taip pat negalima pamiršti užtikrinti gero apsaugos įtaisų sujungimo su žeme, o tai būtina norint efektyviai nuvesti impulsus.

Dėl tinkamos ESD apsaugos galima žymiai padidinti prietaiso patikimumą ir sumažinti gedimų riziką, kurią sukelia staigios elektrostatinės iškrovos ar tinklo viršįtampiai. Tai vienas iš pagrindinių elektromagnetinio suderinamumo projektavimo elementų, į kurį reikėtų atsižvelgti jau nuo pat ankstyviausių projekto kūrimo etapų.

Apibendrinimas – kaip išvengti EMC problemų jau projektavimo etape

Elektromagnetinis suderinamumas yra tema, kurią verta laikyti prioritetu nuo pat PCB projekto pradžios. Svarbu ne tik „išlaikyti testus“ – gerai suprojektuota EMC sistema yra investicija, kuri atsiperka mažesnėmis sąnaudomis, greitesniu įdiegimu ir didesniu produkto patikimumu.

Į ką verta atsižvelgti projektuojant?

• Grįžtamieji takai ir žemės planai: suprojektuokite juos taip, kad signalai turėtų kuo trumpesnį, vientisą ir nenutrūkstamą grįžtamąjį kelią. Tai yra srovės kilpų ribojimo ir trikdžių emisijos minimizavimo pagrindas.
• PCB sluoksnių išdėstymas: tinkamas signalinių sluoksnių ir maitinimo/žemės planų išdėstymas yra raktas į emisijos ribojimą ir atsparumo gerinimą. Venkite tipiškų klaidų, tokių kaip per dideli tarpai planuose ar tinkamo „stitching“ tarp sluoksnių trūkumas.
• Ekranavimas ir korpusai: užtikrinkite tvirtus, mažos varžos ekranų sujungimus su korpusu. Būkite atsargūs su angomis ir plyšiais – net maži tarpai gali efektyviai „praleisti“ trikdžius.
• Kabeliai ir jų ekranavimas: kabeliai gali būti tiek EMI šaltinis, tiek sklidimo kelias. Naudokite tinkamus ekranų užbaigimus ir venkite vadinamųjų „pigtail“, kurie silpnina ekranavimo efektyvumą.
• Filtrai ir apsauga: parinkite tinkamus EMI filtrus maitinimo ir signalų linijose, naudodami X ir Y kondensatorius, feritines rites ir kitus elementus. Papildomai pasirūpinkite apsauga nuo viršįtampių ir elektrostatinių iškrovų, įrengdami veiksmingus apsaugos įtaisus arti įėjimo taškų.

Nuosekliai laikantis šių taisyklių galima išvengti daugumos problemų atliekant elektromagnetinio suderinamumo testus, taip pat padidinti prietaiso ilgaamžiškumą ir veikimo stabilumą.

Geros EMC praktikos – tai ne tik techninės detalės, tai požiūris, leidžiantis taupyti laiką, pinigus ir nervus. Verta jas žinoti ir taikyti jau projektavimo etape, o ne tik tada, kai kyla problemų atliekant testus. Dėl to jūsų produktas bus tvirtesnis ir pasirengęs šiuolaikinės elektronikos rinkos iššūkiams.