Дизайн для Emc: советы для инженеров, работающих с устройствами с малым форм-фактором

Понимание ЭМС в контексте миниатюризации

Электромагнитная совместимость (ЭМС) - это дисциплина обеспечения того, чтобы электронные устройства могли работать в своей предполагаемой электромагнитной среде, не вызывая неприемлемых помех или страданий от нее. Для устройств с небольшим форм-фактором, таких как носимые устройства, датчики IoT, медицинские имплантаты и компактная потребительская электроника, проблема усиливается, потому что уменьшенное физическое пространство часто заставляет компоненты, следы и антенны в непосредственной близости. Дизайн, который передает EMC предварительное соответствие с щедрой платой недвижимости, может впечатляюще провалиться, когда сократился. Инженеры должны поэтому принять проактивный, физически осведомленный подход с самых первых схематических и макетных решений.

EMC включает в себя два основных аспекта: выбросы (нежелательная электромагнитная энергия, излучаемая или проводимая из устройства) и иммунитет (способность устройства работать правильно при наличии внешних электромагнитных помех). Регулирующие органы, такие как FCC (США), CE (Европейский союз) и IC (Канада) установили ограничения для обоих. Несоблюдение может привести к дорогостоящим изменениям, задержке времени выхода на рынок или даже отзыву продукта. Для небольших устройств предел погрешности крошечный, но с систематическими методами проектирования соответствие достижимо без ущерба для функциональности или размера.

Эта статья расширяет основные советы из оригинальной статьи - минимизация областей цикла, надлежащее заземление, экранирование и фильтрация - и добавляет расширенные соображения, практические стратегии тестирования и ссылки на авторитетные ресурсы. В конце у инженеров будет всеобъемлющий учебник для проектирования устройств с малым форм-фактором, которые являются высокопроизводительными и EMC-совместимыми.

Основные принципы: зона петли, заземление, щит и фильтрация

1. Минимизация зон петли - Основное правило антенны

Каждый несущий ток контур ведет себя как петлевая антенна. Магнитное поле, излучаемое из петли, пропорционально площади петли и квадрату частоты. В конструкциях с малым форм-фактором доступная площадь для любого данного контура уже ограничена, но небрежная маршрутизация может непреднамеренно создавать большие петли через пути обратного тока. Например, если высокоскоростной сигнальный след проходит вокруг края ПХБ, в то время как его плоскость возврата земли находится на другом слое, область петли может стать существенной, несмотря на то, что размер компонента мал.

Чтобы минимизировать петлевые зоны:

• Установить соединительные конденсаторы как можно ближе к штифтам питания ИС. Контур, образованный конденсатором, ИС и следами ПХД, должен быть наименьшим из возможных. Используйте несколько сквозных соединений для подключения конденсатора к наземной плоскости непосредственно под ним.
• Обратить высокочастотные сигналы с их обратным путем непосредственно под . Используйте микрополосы или полосовые методы. На многослойных платах убедитесь, что каждый сигнальный слой примыкает к непрерывной плоскости земли (без слотов или расколов).
• Избегать следов маршрутизации над плоскостями с разделенной землей — распространенная ошибка, создающая непреднамеренные области петли.Если разделение неизбежно (например, аналоговые и цифровые секции), используйте мосты или оптопары.
• Использовать с помощью сшивания по краям наземных плоскостей и вокруг чувствительных областей для уменьшения сопротивления грунта и дальнейшего усадки петли.

Хорошее эмпирическое правило: область петли распределительной сети (PDN) должна быть менее 1/20 длины волны самой высокой гармонической частоты. Для часов на 100 МГц эта длина волны составляет 3 метра, поэтому петля должна быть меньше 15 см — но на практике мы стремимся к гораздо меньшему.

2.Надлежащие методы заземления - две основные стратегии

Заземление является основой EMC. Существуют два общих подхода: одноточечное заземление (звездное заземление) и многоточечное заземление (наземная плоскость). В устройствах с малым форм-фактором наземная плоскость почти всегда является лучшим выбором, поскольку она обеспечивает низкую индуктивность и твердую опорную плоскость.

• Одноточечное заземление хорошо работает для низкочастотных схем (ниже 1 МГц). Все следы грунта сходятся в одной физической точке, избегая заземляющих петель. Однако на более высоких частотах индуктивность этих длинных следов становится проблематичной.
• Многоточечное заземление использует непрерывную наземную плоскость с несколькими соединениями с землей. Это минимизирует импеданс на высоких частотах. Для конструкций со смешанными сигналами как с аналоговыми, так и с цифровыми секциями, разделите наземную плоскость физически, но соедините две части в одной точке (часто под ADC), чтобы избежать цифрового шума, загрязняющего аналоговые схемы.
• Никогда не плавайте на земле — изолированный наземный сегмент действует как антенна.Каждая сеть должна иметь определенный обратный путь постоянного тока.
• Обратите внимание на наземные сквозняки . Каждая сквозняк добавляет индуктивность. Для критических ИС используйте несколько параллельных сквозняков от наземной площадки до внутренней плоскости, чтобы уменьшить общую индуктивность.

Кроме того, плоскости земли на внешних слоях могут обеспечить экранирование, если они твердые (нет больших зазоров). Однако, если верхний слой представляет собой насыпь, убедитесь, что он сшивается на внутреннюю плоскость земли каждые несколько миллиметров, чтобы предотвратить его превращение в непреднамеренную антенну.

3.Щит - больше, чем металлическая коробка

Защита ослабляет электромагнитные поля путем отражения и поглощения. В устройствах малого форм-фактора добавление металлической банки или проводящего покрытия часто необходимо для чувствительных радиочастотных секций или для подавления выбросов от тактовых осцилляторов. Однако экранирование должно быть спроектировано намеренно.

• Выбрать правильный материал Для магнитных полей (низкая частота) необходима сталь или му-металл; для электрических полей (высокая частота) хорошо работает медь или алюминий. Проводящие краски и распылительные покрытия являются легкими вариантами для пластиковых корпусов.
• Минимизируйте длины слотов. Любая диафрагма или шов в щите действует как слот-антенна. Длина слота должна быть меньше λ/20 на частоте беспокойства. Для сигнала Wi-Fi 2,4 ГГц слоты должны быть короче 6,25 мм. Стенки щитков со многими небольшими отверстиями охлаждения лучше, чем несколько больших слотов.
• Обеспечить хороший электрический контакт. Используйте проводящие прокладки или палец между щитом и плоскостью грунта ПХД. Плохое соединение снижает эффективность экранирования на десятки дБ.
• Щит может также быть достигнут через компоновку ПХД — следы защиты, сопланарные волноводы и слои емкости обеспечивают степень экранирования внутри самой платы.

Для экстремальной миниатюризации рассмотрите укладку в пакете (PoP) , где щит может быть интегрирован в модуль. Многие решения системы в пакете (SiP) включают внутренние щиты EMC.

4.Фильтрация и подавление – искусство разъединения

Шумовые пары как через линии электропередач, так и непосредственно через пространство. Фильтры необходимы для прорыва этих путей. Ключевые компоненты:

• Разъединяющие конденсаторы: Используйте диапазон значений (например, 10 мкФ плюс 0,1 мкФ плюс 100 пФ) для покрытия различных диапазонов частот. Поместите наименьшее значение, наиболее близкое к штифту ИС. Индуктивность паразитного ряда конденсатора (ESL) ограничивает его эффективность на высоких частотах; выберите пакеты с низкими ЭСЛ (например, 0402 или 0201).
• Ферритовые бусины: Они действуют как резисторы на высоких частотах. Поместите их последовательно с линиями электропередач для подавления высокочастотного шума. Но будьте осторожны: ферритовые бусины могут насыщаться под током постоянного тока — всегда проверяйте импеданс против кривой тока.
• Обычное подавление : необходимо для пар дифференциальных сигналов (USB, HDMI, Ethernet). Они подавляют шум в обычном режиме, не ухудшая дифференциальный сигнал.
• Насыпные конденсаторы: Обеспечить энергию для переходных токов.На небольших платах используйте низко-ESR танталовые или керамические конденсаторы вблизи силовых разъемов.
• RC-шубберы: Для переключающих узлов (преобразователей DC-DC) может влажным звоном протекать ряд резистора-конденсатора поперек переключающего узла на землю.

Фильтрация должна быть адаптирована к спектру шума. Проведите предварительное сканирование с помощью зонда ближнего поля, чтобы определить доминирующие частоты, а затем выберите отсечку фильтра соответственно.

Расширенные возможности проектирования для устройств с малым фактором формы

PCB Stackup и организация уровня

В миниатюрном дизайне каждый слой имеет значение. Типичный четырехслойный стекап (сигнал-наземный-сигнал-снабжение) часто является минимальным для хорошей ЭМС. Для повышения производительности используйте шесть или восемь слоев:

• Уровень 1 (Top): Компоненты и критические сигналы.
• 2 : Твердая плоскость земли (без расколов).
• Уровень 3: Плоскость питания с несколькими напряжениями, или другая наземная плоскость, если смешанный сигнал.
• Уровень 4: Дополнительная мощность или маршрутизация сигнала.
• Нижний слой: Сигнал и компоненты.

Сохраняйте расстояние между сигнальным слоем и его прилегающей плоскостью земли как можно более тонким (≤ 100 мкм), чтобы уменьшить площадь петли и импеданс. Многие производители ПХД могут производить ядра 0,2 мм между слоями. Используйте встроенную емкость , помещая тонкий диэлектрик между двумя большими плоскостями для достижения высокочастотной разъединения.