С появлением высокоскоростных цифровых сигнальных процессоров (DSP) и периферийных устройств управление электромагнитными помехами (EMI) стало одной из ключевых задач. Ранее проблемы излучения и помех в основном называли EMI или радиочастотными помехами (RFI). Сегодня этот вопрос рассматривается в рамках более широкой области — электромагнитной совместимости (EMC), которая охватывает как управление излучением, так и устойчивость системы к помехам.
Система DSP считается соответствующей требованиям EMC, если она выполняет следующие условия:
- Не создает помех для своей работы.
- Не создает помех для других систем.
- Устойчива к внешним помехам.
Понимание природы помех
Помехи возникают, когда нежелательная энергия влияет на приемник и вызывает его неисправность. Они могут возникать через проводники (напрямую) или радиочастотное излучение (косвенно). Высокоскоростные цифровые системы, такие как DSP, особенно подвержены шуму из-за тактовых схем, часто генерирующих широкополосные помехи в диапазоне сотен мегагерц.
Источники помех:
- Проводимые EMI: Шум, передающийся через физические проводники, например, линии электропитания или кабели.
- Излучательная связь: Перекрестные помехи возникают, когда электромагнитное поле генерирует паразитные токи в соседних проводниках.
- Общее импедансное соединение: Совместное использование импеданса между цепями может привести к модуляции напряжения и нежелательным шумам.
Типы излучения:
- Дифференциальное излучение (DM): Сигналы, передающиеся как разность между двумя проводниками.
- Общее излучение (CM): Нежелательные напряжения, повышающие потенциал всех соединений цепи относительно общей земли. CM-излучение обычно сильнее DM.
Ключевые факторы, влияющие на EMC
- Напряжение: Высокие напряжения увеличивают уровень излучений, а низкие — повышают чувствительность.
- Частота: Чем выше частота, тем сильнее излучение. Периодические сигналы создают высокочастотные импульсы.
- Заземление: Правильное заземление — основа управления EMI. Возможные варианты:
- Одноточечное заземление для частот <1 МГц.
- Многоточечное заземление для высоких частот.
- Смешанное заземление для цепей с низкими и высокими частотами.
- Развязка источников питания: Переходные токи при переключении должны минимизироваться с помощью развязывающих конденсаторов и фильтров.
- Проектирование ПП: Правильный дизайн печатной платы критически важен для снижения EMI.
Методы снижения шума
Для снижения шума в системах DSP необходимо:
- Подавлять излучение в источнике.
- Минимизировать пути распространения помех.
- Повышать устойчивость приемника к помехам.
1. Методы проектирования плат
- Используйте слои земли и питания для обеспечения низкого импеданса.
- Применяйте многослойные ПП, чтобы экранировать проводники и минимизировать петли.
- Разделяйте аналоги, цифровые цепи, передатчики и приемники по линиям питания и заземления.
- Избегайте разрезов ПП рядом с чувствительными компонентами.
- Поддерживайте ширину дорожек (4–8 мил) для снижения емкостной связи и высокочастотного демпфирования.
- Используйте многоточечное заземление для работы с высокочастотными токами.
2. Методы прокладки дорожек
- Используйте повороты под 45°, а не 90°, чтобы избежать изменения характеристического импеданса.
- Расстояние между дорожками должно превышать ширину дорожки для уменьшения перекрестных помех.
- Минимизируйте петли тактовых сигналов и прокладывайте их короткими прямыми отрезками.
- Избегайте параллельного расположения чувствительных проводников рядом с высокотоковыми линиями.
- Изолируйте шумные линии, такие как тактовые сигналы и шины, от линий ввода-вывода и разъемов.
3. Методы фильтрации
- Фильтруйте все линии питания и сигналы, входящие на ПП.
- Развязывайте выводы микросхем высокочастотными низкоиндуктивными керамическими конденсаторами (например, 0,1 мкФ для частот <14 МГц, 0,01 мкФ для >15 МГц).
- Используйте многоступенчатые фильтры для устранения шумов в нескольких полосах частот.
- Обходите все выводы питания и опорного напряжения аналоговых цепей.
4. Продвинутые методы борьбы с шумом
- Встраивайте и заземляйте кристаллы для снижения шумов осцилляции.
- Используйте резисторы последовательного согласования, чтобы минимизировать отражения сигнала.
- Размещайте драйверы линий и приемники рядом с интерфейсами ввода-вывода.
- Экранируйте важные компоненты и используйте скрученные пары для линий, подверженных помехам.
Проектирование систем DSP с учетом EMC
Проактивное снижение шума необходимо для соответствия требованиям EMC. Правильное заземление, фильтрация и проектирование ПП помогают минимизировать EMI. Дополнительное экранирование и оптимальное размещение компонентов повышают надежность системы.
Основные выводы
- Уделяйте внимание заземлению и развязке на этапе проектирования.
- Оптимизируйте прокладку дорожек на ПП для снижения путей распространения помех.
- Используйте современные методы фильтрации и экранирования для работы с высокочастотными шумами.
Реализуя эти техники, вы сможете создать эффективные и соответствующие EMC-стандартам высокоскоростные системы на основе DSP.
WWPCB проводит исследования в области специальных технологий обработки, таких как обычные двухсторонние платы, толстые медные платы, высокочастотные платы, платы HDI, жестко-гибкие платы, гибкие платы FPC, платы с глухими отверстиями и платы-носители ИС. Предоставляет услуги по проектированию печатных плат, компоновке печатных плат, созданию прототипов печатных плат и сборке печатных плат.
