Как снизить уровень электромагнитных помех на печатных платах с кмоп-схемами

Низкий уровень шума в цепях питания не гарантирует малого уровня электромагнитных помех от печатной платы. Однако если ее топологию построить так, чтобы электромагнитные помехи были низкими, уровень шума станет невысоким. В статье, которая представляет собой перевод, описаны способы решения этих взаимосвязанных задач.

Корректный, с точки зрения минимизации электромагнитных помех, проект не так сложно реализовать, но он требует внимания к деталям и знаний базовых физических процессов. Согласно теории, для поддержания малого уровня электромагнитных помех требуется свести к минимуму, во-первых, импедансы и токи в проводниках, а, во-вторых, площадь токовых контуров.

Подавляющая часть публикаций на тему минимизации электромагнитных помех посвящена условиям выполнения первого требования. И практически нигде не обсуждается второй критерий. В результате малошумящая печатная плата может генерировать значительный уровень электромагнитных помех. К счастью, решение этой проблемы не вызывает затруднений и состоит в реализации правильной топологии печатной платы.

Прежде всего, разработчику следует знать обо всех источниках и причинах возникновения динамических токов на печатной плате. Наиболее очевидным источником динамического тока являются сигналы, распространяющиеся вдоль проводников. Если сигналы на печатной плате имеют малые времена нарастания и спада (менее 2 нс), необходимо контролировать импеданс разводки и обеспечить корректное согласование линий с нагрузкой. Это — базовые условия обеспечения целостности сигнала, которые мы обсуждать не станем. Однако на печатных платах, главным образом с использованием КМОП-схем, имеется другой скрытый источник динамических токов, который может вызывать более серьезные проблемы, связанные с электромагнитными помехами, чем любой другой сигнальный ток.

Этот дополнительный динамический ток называется по-разному: током шунтирования, током короткого замыкания, выбросом тока по цепи питания и т.д. Этот ток отражает особенность работы КМОП-вентилей в интегральной схеме. По сути, все КМОП-вентили состоят из ключей, которые попеременно подключают выход вентиля либо к источнику питания, либо к земле в зависимости от того, какое логическое состояние требуется получить на выходе — 1 или 0.

Выброс тока источника питания связан с тем, что в КМОП-вентилях не допускается, чтобы оба ключа одновременно находились в выключенном состоянии. Следовательно, когда один из ключей отключается, а другой включается, в течение короткого промежутка времени оба ключа частично находятся во включенном состоянии. В этот короткий момент (обычно не более 1 нс) возникает канал протекания тока от источника питания, причем этот ток не участвует в формировании выходного логического сигнала. Этот, хотя и кратковременный, ток может иметь очень большую величину. Из осциллограммы видно, что, например, даже в небольшой КМОП-схеме выброс тока может достигать 300 мА. Этот выброс приводит к тому, что на реактивном сопротивлении возникают затухающие колебания. Переходный процесс завершается примерно через 15 нс.

Как снизить уровень электромагнитных помех на печатных платах с кмоп-схемамиКонтуры сигнальных токов начинаются и заканчиваются на схемном блоке, генерирующем эти сигналы. Контуры токов источника питания начинаются и заканчиваются внутри источника питания. Поскольку ни одна реальная схема не имеет нулевого импеданса, в соответствии с законом Ома возникает падение напряжения на всех сопротивлениях токового контура, включая каналы протекания обратных токов. По мере того как все больше токов объединяется в цепи протекания обратных токов по направлению к источнику питания, падение напряжения, возникающее на сопротивлениях, начинает влиять на напряжение питания схем. Таким образом, крайне необходимо, чтобы все импедансы цепей питания и возврата тока через землю были как можно меньше.

ШУНТИРОВАНИЕ
Желательно, чтобы выбросы высокочастотных токов, которые вызывают все проблемы, связанные с электромагнитными помехами, проходили по пути обратных токов как можно ближе к тому узлу схемы, где они генерируются. Эта основная идея шунтирования. Если полный ток источника питания, необходимый для работы схемного блока, должен вытекать из источника питания и возвращаться в него же, выбросы тока должны возвращаться к узлу подключения источника питания из тех узлов схемы, где они генерируются.

На этой плате использовались медные плоскости на верхней и нижней стороне, причем оба слоя были соединены с точкой заземления. Применение этих плоскостей дает значительный положительный эффект, поэтому такое решение в дальнейшем рассматривается как базовое.

Предложенное более 30 лет назад решение с шунтирующей емкостью (с низким импедансом по переменному току и высоким импедансом по постоянному) работало отлично. Это объясняется тем, что импеданс цепей питания и обратного тока в то время был довольно-таки высоким. Технология многослойных печатных плат на тот момент еще не была доступна. В настоящее время многослойная технология стала общедоступной, что является одновременно и благом, и проблемой.

ПЛОСКОСТИ ПИТАНИЯ И ЗЕМЛИ
Используя технологию многослойных печатных плат, можно значительно снизить импеданс как цепей питания, так и цепей возврата обратных токов. Этот результат является идеальным для достижения низкого уровня электромагнитных помех, т.е. выполнения первого условия, о чем уже говорилось в начале статьи. Однако это затрудняет выполнение второго условия.

Каждый шунтирующий конденсатор подключен параллельно источнику питания и схемному блоку. Известно, что в любой параллельной цепи ток преимущественно протекает по пути наименьшего сопротивления. При использовании плоскостей (слоев) питания и земли путь с наименьшим сопротивлением проходит через эти плоскости. Применение шунтирующих конденсаторов почти ничего не дает, если только не придать плоскости такую форму, чтобы она имела более высокий эффективный импеданс на определенных частотах.

Существует множество печатных плат, которые ведут себя одинаково независимо от того, установлены на них шунтирующие конденсаторы или нет. Причина именно в этом. В результате можно получить совершенно непредвиденную ситуацию, когда шум по напряжению низок, а уровень электромагнитных помех довольно высок. Плата из нашего примера — как раз одна из таких плат. Используя ту же схему и размещение компонентов, но задействовав в этом случае четыре слоя с внутренними слоями питания и земли, нам удастся значительно уменьшить шум по питанию.

Как снизить уровень электромагнитных помех на печатных платах с кмоп-схемамиНо если сравнить спектр электромагнитных помех, то видно, что излучение электромагнитных помех значительно увеличивается в диапазоне ультравысоких частот. Пик на частоте 150 МГц исчез, но резко выросло излучение на частотах выше 500 МГц. Это классический пример того, как можно снизить шум источника питания, ухудшив ситуацию с электро- магнитными помехами. Более низкий импеданс плоскостей питания и земли, несомненно, снижает шум по напряжению, вызываемому токами КМОП-схем, но более низкий импеданс позволяет высокочастотным токам протекать в более широкой области: контуры высокочастотных токов занимают большую площадь. Это доказательство того, что одного только малого импеданса недостаточно, чтобы уменьшить электромагнитные помехи — следует сократить также площадь токовых контуров.

Таким образом, необходимо намного увеличить импеданс плоскостей (слоев) питания и земли на высоких частотах, чтобы выбросы высокочастотных токов возвращались через шунтирующие конденсаторы и не попадали в слои питания и земли. Но на низких частотах требуется, чтобы ток протекал по пути с низким импедансом, для чего и служат плоскости питания и земли. К счастью, это легко достигается путем подключения индуктивного элемента к шине питания.

При совместном использовании индуктивности и емкости возникает резонанс, который в данном случае мешает решить поставленную задачу. Эта проблема разрешается с помощью катушки индуктивности с очень малой добротностью, например ферритовой шайбы. Выбор этого компонента не только уменьшает резонансные колебания, но и расширяет эффективную полосу частот развязывающих цепей.

При сравнении осциллограмм не видно существенной разницы. Обе печатные платы имеют очень низкий уровень шума в цепях питания. Однако между спектрами электромагнитных помех наблюдается резкая разница. В результате добавления ферритовых шайб уровень электромагнитных помех на частоте 600 МГц упал на 15 дБ. Более низкие частоты также ослаблены, но не в значительной мере. Однако как раз в этом и состоит суть дела: высокочастотные составляющие электромагнитных помех ослабляются на любой печатной плате с КМОП-схемами и плоскостями питания и земли с помощью шунтирующих конденсаторов и ферритовых шайб, установленных в каждом ответвлении от плоскости питания.

Эти компоненты работают совместно. При наличии плоскостей распределения питания применение только лишь шунтирующих конденсаторов бесполезно. Использование катушки индуктивности без шунтирующего конденсатора значительно хуже, чем ее отсутствие. Но, работая сообща, эти компоненты являются мощным средством защиты от электромагнитных помех.

Как снизить уровень электромагнитных помех на печатных платах с кмоп-схемамиВ случае с большими КМОП-схемами с несколькими выводами питания и земли необходимо учитывать одну особенность, чтобы гарантировать эффективность этого метода. Такие крупные ИС, как правило, имеют несколько областей питания на кристалле, т.е. на нем нет соединения между всеми выводами питания (VDD) и земли (VSS). Необходимо определить, какие выводы VDD и VSS соответствуют друг другу. Чтобы получить ожидаемый эффект, шунтирующий конденсатор следует подключить между соответствующими парами. Бесполезно шунтировать VDD одной области питания с VSS другой области. Если шунтирующие конденсаторы корректно подключены для каждой области питания ИС, а ферритовые шайбы для каждого ответвления подключены к плоскости питания, спектр электромагнитных помех печатной платы должен напоминать тот.

ВЫВОДЫ
Малый уровень шума не гарантирует низких электромагнитных помех. Однако КМОП-схемы с малыми электромагнитными помехами обладают низким шумом по питанию. С практической точки зрения, необходимо одновременно обеспечить малый уровень электромагнитных помех даже на сверхвысоких частотах, соответствующих гармоникам тактового сигнала высокого порядка, и малое напряжение шума в цепях питания на крупных цифровых печатных платах. Ключом к решению этой задачи является ограничение контуров сигнальных токов и переходных токов цепей питания в локальной области вблизи каждой КМОП ИС. Это достигается путем оптимального выбора локальных шунтирующих конденсаторов и добавления индуктивных элементов между цепью питания и параллельной комбинацией ИС/шунтирующий конденсатор. Следует помнить о том, что шунтирующий конденсатор должен быть установлен между соответствующими выводами питания (VDD) и земли (VSS) для каждой ИС.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
TRIAL NEWS