Prezentacja nowego produktu

PCB Layout

czyli

projektowanie płytek drukowanych z

punktu widzenia prawideł EMC

Astat sp. z o.o.

mgr inż. Marcin Jurga

tel. 061 849 80 60

www.astat-emc-com.pl

m.jurga@astat.com.pl

Dlaczego właściwy projekt PCB jest

taki ważny?

Oszczędność kosztów poprzez

redukcję lub eliminację

elementów ekranujących

Skrócenie czasu wprowadzenia
na rynek poprzez mniejszą

liczbę iteracji w projekcie

Duża popularność integrowania

wielu interfejsów
bezprzewodowych GSM, DECT,

Bluetooth, IEEE 802.11, etc

Stosowanie szybkich
procesorów DSP

Nowe, mniejsze technologie

produkcji IC

Poniższa prezentacja ma na

celu praktyczne wskazanie
sposobów na poprawienie

EMC projektowanej płytki
PCB i bazuje na:

Naszych doświadczeniach
przy rozwiązywaniu

problemów EMC wspólnie z

klientami
Pomiarami skanerem EMC
Zebranych doświadczeniach

innych osób (np. EMC

Journal)

1. Połączenie PCB z podstawą

montażową (chassis)

Zazwyczaj PCB posiada

płaszczyznę 0V na jednej
warstwie

Lokalne połączenie i

zamocowanie płaszczyzny V0
do Chassis zazwyczaj ma

korzystny wpływ na EMC

Przykłady umiejscowienia
połączeń

Całe wewnętrzne okablowanie
blisko obudowy na całej długości

1.1 Pojęcie podstawy montażowej

(chassis)

Metalowa struktura wsporcza dla PCB
Obudowa ekranowana może być równocześnie podstawą
montażową (chassis), ale chassis nie musi być ekranem
W przypadku obudów z tworzywa podstawą montażową może

być metalizowana ściana obudowy (farba przewodząca,
przyklejona blaszka, folia miedziana, metalizacja itp.)

1.2 Pojęcie mocowania między PCB i

Chassis

Mocowanie PCB-Chassis musi być zawsze połączeniem RF

Czyli połączeniem o niskiej impedancji dla maksymalnej

rozważanej częstotliwości

Z punktu widzenia EMC nie jest ważna impedancja dla DC czy
10kHz pod warunkiem, że zapewnia niską impedancję w

zakresie częstotliwości związanych z EMC

1.2.1 Jak zbudować mocowanie PCB do

Chassis

Najniższa impedancja połączenia RF jest możliwa tylko
poprzez dociśnięcie powierzchni jednego metalu do
drugiego
Połączenia punktowe mają zawsze wyższą impedancję niż
połączenia powierzchniowe
Połączenia elementów metal-metal:

powinny mieć dobrą przewodność powierzchniową
Zapewniać kompatybilność elektrogalwaniczną
(odporność na korozję)

Elementy takie jak śruby i sworznie nie powinny być
traktowane jako „element elektryczny”. Mają one zapewnić
docisk innych elementów mocujących.

1.2.2 Przykład mocowania PCB do

Chassis

Podkładka (pad) o średnicy

minimum 3mm
Podkładka nie pokryta przez

maskę lutowniczą (solder

mask)
Dociśnięta do metalowego

dystansu, który z kolei

dociska do chassis
Podkładka na zewnętrznej

warstwie połączona jest z

powierzchnią 0V przy
pomocy kilku przelotek (via)

na obwodzie podkładki

Metalowy dystans
mocujący

Podkładka (Pad)
mocująca do PCB

Śruba mocująca

Warstwa 0V
(wewnątrz)

Podkładka (pad)
mocująca do PCB

Otwór na śrubę

Przelotki łączące
podkładkę
mocującą z
warstwą 0V

1.2.3 Umiejscowienie i liczba mocowań

PCB do Chassis

Minimum połączeń RF między PCB a Chassis

W każdym narożniku PCB
Przy każdym złączu wejścia/wyjścia
Przy elementach o najwyższej emisji lub najszybszym

1.2.4 Gdy wymagana jest separacja

galwaniczna

Gdy wymagana jest separacja galwaniczna między PCB a
Chassis jedynym rozwiązaniem jest połączenie
pojemnościowe
W obwodach urządzeń medycznych często wymaga się
ograniczenia prądu upływu do minimum. Zatem liczba
użytych kondensatorów jest ograniczona!

1.2.5 Częstotliwość rezonansu

własnego

Kondensator w połączeniu z szeregowymi indukcyjnościami ścieżek i

przelotek rezonuje i zapewnia niską impedancję tylko w ograniczonym

zakresie częstotliwości

Powyżej częstotliwości SRF impedancja kondensatora rośnie z
częstotliwością

Szeregowo 100nF, 2nH
ind. własnej, 5mm ścieżki

Częstotliwość
rezonansu własnego
SRF
f=1/2

π√

Szeregowo 10nF, 1nH
ind. własnej, 5mm ścieżki

Idealny 100nF
Z=1/2

Idealny 10nF
Z=1/2

1.2.6 Częstotliwość rezonansu

własnego

Można przyjąć że:

Kondensator SMD ceramiczny do 100V

1..2nH

Podkładki, przelotki i ścieżki na PCB

1nH / mm

Oznacza to że przy

1GHz

każdy dodatkowy

1nH

indukcyjności

zwiększa impedancję o

6,3

Ω

1.3 Mocowania hybrydowe

Technika ta używa różnych

typów połączeń między
płaszczyzną 0V płytki PCB a

podstawą montażową
Chassis:

Bezpośrednie
Przez kondensator
Przez rezystor w celu
eliminacji rezonansów

konstrukcyjnych (opisane
dalej)

Projektując płytkę trudno

przewidzieć która technika
będzie optymalna, dlatego w

prototypie należy przewidzieć
możliwość łatwej modyfikacji

Przelotka do
płaszczyzny 0V

Pady do podłączenia kondensatora,
rezystora lub zworki 0

Ω

Podkładka (pad)
mocujący do chassis
nie podłączony do 0V

1.4 Pętle masy

Wielu projektantów układów DC i LF oraz Audio aby
uniknąć pętli masy tworzyło tylko jedno połączenie

płaszczyzny odniesienia 0V na PCB z Chassis
Dzisiaj się to zmieniło na rzecz wielokrotnych

połączeń, co więcej w sprzęcie Audio uzyskano w
paśmie akustycznym szumy o 10dB niższe niż

tradycyjną metodą.
Okazało się, że jednolita płaszczyzna 0V używana jako

masa dla wszystkich elementów i dodatkowo
połączona w wielu punkach z Chassis to klucz do

poprawy odporności i wydajności

2 Dlaczego należy łączyć 0V na PCB z

Chassis?

Zmniejszenie impedancji przejściowej (transfer impedance)
Lepsza kontrola pola rozproszenia (fringing fields) na obrzeżach
PCB

2.1 Zmniejszenie impedancji

przejściowej

Prąd w ścieżce powrotnej sygnału płynie przez nieuniknione

impedancje w strukturze 0V na PCB
Sprawia on, że różnych częściach PCB mamy różne napięcia
Są to napięcia asymetryczne CM (common-mode) powodujące

dużo problemów z EMC
Niewątpliwą zaletą jednolitej płaszczyzny 0V na PCB jest jej
mała impedancja dla RF. Zatem napięcia CM są ograniczone, a

co za tym stoi emisja pola E

2.1 Zmniejszenie impedancji

przejściowej

Impedancja, która przekształca

pożądany prąd (np. powrót sygnału) w niepożądane napięcie CM
lub
pożądane napięcie w niepożądany prąd CM

nazywana jest impedancją przejściową

Impedancja przejściowa prawidłowo zaprojektowanej płaszczyzny 0V jest

wielokrotnie mniejsza niż impedancja ścieżki na PCB lub przewodu.

Aby to wykorzystać należy wszystkie ścieżki i przewody „wychodzące”
poza obszar tejże płaszczyzny połączyć RF do niej:

Poprzez połączenie 360 ekranu przewodu
Poprzez filtrowanie kondensatorem podłączonym do 0V

2.1 Zmniejszenie impedancji

przejściowej

Połączenie płaszczyzny 0V do
Chassis w wielu punktach

zmniejsza impedancję przejściową

w porównaniu gdyby 0V nie

podłączać dlatego, ze chassis ma

zawsze mniejszą rezystancję niż
warstwa miedzi w PCB

Dlatego połączenie pozwala na

zmniejszenie impedancji

przejściowej nawet w bardzo

niskich częstotliwościach

Z tego powodu jest normalną
praktyką EMC łączenie 0V z chassis

przynajmniej w każdym narożniku

oraz przy każdym złączu na

krawędzi PCB

Prądy RF płynące przez
impedancje w obwodzie
0V tworzą różnicę
napięć RF CM

Różnice napięć RF CM
między przewodami
wychodzącymi z PCB
powodują emisję

Połączenie nisko rezystancyjnej Chassis
równolegle z obwodem 0V zmniejsza różnicę
napięć CM powodującą emisję

2.2 lepsza kontrola nad polem

rozproszenia

Podczas pracy powstają

zmienne napięcia RF na płytce,

które różnią się od napięcia na
sąsiednich elementach

przewodzących jak np. chassis

Powoduje to powstanie emisji

Jeśli V0 jest płaszczyzną, emisja

ta ujawnia się głównie na

krawędziach czyli tzw. pola
rozproszenia (fringing fields)

Jest to kolejny argument za

łączeniem 0V do Chassis zaraz

przy elementach takich jak
oscylatory, VLSI,

mikroprocesory

Podczas pracy powstają napięcia RF na PCB,
które różnią się od napięcia na Chassis

Różnice napięć CM pomiędzy
PCB a Chassis powodują
emisję RF z krawędzi

Zmniejszenie impedancji
pomiędzy PCB a Chassis
poprzez dodanie połączeń o
małej Z, redukuje różnicę
napięć CM i emisję

3 Zalety bliskiego położenia PCB i

Chassis

Analiza układu Chassis-PCB jako linii

transmisyjnej prowadzi do wniosku że:

Im bliżej ułożone PCB i Chassis

tym mniejsze pola rozproszenia

Połączenia 0V do Chassis mają

mniejsze indukcyjności

pasożytnicze (proporcjonalność do

odległości) co powoduje

Zmniejszenie impedancji

przejściowej
Poprawia przepływ prądów

powrotnych CM do PCB

Jeśli odstęp jest większy niż pół

długości fali, to znacznie wzrasta

emisja i maleje odporność

Napięcia RF CM między PCB a Chassis
powodują emisję pola rozproszenia

Zmniejszenie dystansu między PCB a Chassis
redukuje emisję tych pól

4.1 Rezonanse we wnęce między PCB a

Chassis

Kiedy powstają rezonanse?

Gdy długość fali jest
porównywalna z

wymiarami układu

Negatywne skutki rezonansu

we wnęce:

Łatwe sprzęganie się z

otoczeniem (powstaje

przypadkowa antena)
Różnice w odporności i
emisji są rzędu 20dB i

więcej
Powstawanie przesłuchów

(cross-talk)

4.1 Rezonanse we wnęce między PCB a

Chassis

Załóżmy poniższy najprostszy

przypadek:

Prostokątna płytka PCB
Połączona i zamocowana
do Chassis w 4

narożnikach

Układ taki ma 1 wnękę

rezonansową
W praktyce najczęściej jest

dużo małych wnęk z uwagi

na większą ilość połączeń z
Chassis

Kluczowe jest znalezienie
najniższej częstotliwości

rezonansowej układu PCB-
Chassis na podstawie
najdłuższego wymiaru wnęki:
Zakładając, że wnęka jest

całkowicie metalowa czyli nie
uwzględniając otwartych boków
mamy w przybliżeniu

lowest

= 150

√

(L2 + W2)-1

L: długość płąszczyzny 0V w mm

W: szerokość płąszczyzny 0V w mm

Flowest: najniższa częstotliwość rezonansowan
w GHz

4.2 Zasada związana z długością fali

Aby uniknąć rezonansów

strukturalnych można przyjąć
zasadę:

Wszystkie wymiary fizyczne
mniejsze niż

/10, np.

odległości między

łączeniami RF

Zdarza się, że trzeba przyjąć
zasadę

/20 lub nawet

/100

4.3 Zwiększenie liczby mocowań

Aby zwiększyć minimalną częstotliwość

rezonansową we wnęce PCB-Chassis należy:

Łączyć je w odległościach nie
większych niż

/10

A jeśli jest to uzasadnione
ekonomicznie nawet

/20

Uzasadnione ekonomicznie jest:

ograniczenie połączeń śrubowych do
minimum wymagań mechanicznych,

pozostałe połączenia mogą być

wykonane za pomocą
wyprowadzonego na spodzie płytki
pola masy i sprężystych uszczelek EM

Podkładki na sprężyste
uszczelki EM

Przelotka
do 0V

Przelotki
do 0V

Pady do podłączenia
kondensatora, rezystora
lub zworki 0

Ω

4.4 Zwiększenie liczby mocowań a

ograniczenia

Idealnie gdybyśmy mieli tak

gęsto połączenia PCB-Chassis

aby najniższa częstotliwość
rezonansowa była wyższa niż

najwyższa rozważana

częstotliwość.

Załóżmy, że najniższa

częstotliwość rezonansowa

wynosi 3GHz

Zgodnie z zasadą

/10

połączenia PCB-Chassis

muszą być gęściej niż
10mm! Jest to
niewykonalne!
Wniosek: powyżej około

500MHz należy eliminować

ryzyko rezonansu innymi

sposobami.

4.5 Rozszerzenie rezonansu by

zmniejszyć amplitudę

Należy unikać „zbyt

regularnych” i uszeregowanych

miejsc mocowań PCB-Chassis

Nieregularne ułożenie mocować
ma następujące zalety:

Rezonans w kierunku

szerokości i długości nie jest

taki sam
Częstotliwości rezonansowe

wielu małych wnęk
powstałych wskutek

nieregularnych łączeń

najczęściej się nie pokrywają

Takie „podzielenie”

rezonansów redukuje dobroć
Q obwodów i zmniejsza

maksymalną amplitudę
ewentualnego rezonansu
Wadą jest, że

wyeliminowanie jednego
problemu z rezonansem

może rodzić inne problemy

4.6 Świadome projektowanie

rezonansu

Każda wnęka rezonansowa ma

pewien zakres częstotliwości

rezonansowych i powoduje
problemy tylko wtedy, gdy

zakres ten pokrywa się z

częstotliwościami emitowanymi
przez PCB

Większość obwodów ma

największą emisję przy

częstotliwościach zegara i ich
wielokrotnościach

Zatem odpowiedni projekt wnęk

PCB-Chassis uniemożliwi

powstawanie rezonansu

Poprzez dobór wymiarów wnęki

tak, aby otrzymać daną

najmniejszą częstotliwość

rezonansu

Wielokrotności zegarów bardzo

wysokiej częstotliwości najczęściej

są już poza najmniejszą

częstotliwością rezonansu

Zwiększenie dobroci obwodu
rezonansowe (węższe pasmo

rezonansu, łatwiej odseparować od

taktu zegara). Jest to niejako

odwrotność poprzedniej

metody

4.7 Uwaga na kondensatory

Wartości kondensatorów
przy łączeniu
pojemnościowym lub
hybrydowym wpływają na
EMC
Ich różne kombinacje są
sprawdzane w testach typu
pre-compilance celem
znalezienia optimum.

Gdzie jest

niebezpieczeństwo?

Jeśli zdecydowano się na
połączenie 0

Ω

to w kolejnych wersjach płytki
należy zastosować mostek i
nie należy rezygnować z
padów i przelotek, które mają
stosunkowo dużą indukcyjność
(inne wyniki badań EMC)

Jeśli zdecydowano się na
precyzyjnie dobrany

kondensator

Należy uważać na zmianę
elementów sąsiednich, np.
poprzez zmianę dostawcy
(inne wyniki badań EMC)

4.8 Użycie rezystorów do tłumienia

rezonansów we wnęce

Do połączenia PCB do

Chassis można stosować
rezystory (połączenia

hybrydowe)
Im większa rezystancja
połączenia,

tym gorzej dla EMC
ale tym lepiej dla

tłumienia rezonansów we
wnęce

Rezystancja w połączeniu

ogranicza duże prądy
płynące przy rezonansie

(mniejsze amplitudy przy
rezonansie, mniejsze Q)
Niestety przy

częstotliwościach spoza
rezonansu pogarsza

parametry EMC
Dobór typy połączenia oraz
wartości elementów musi być

poprzedzony pomiarami typu
pre-compilance

4.9 Użycie absorberów do tłumienia

rezonansów we wnęce

Absorber to materiał

wypełniony ferrytem lub
grafitem, który zamienia

energie EM na ciepło

Absorber ferrytowy

Najlepiej działa
umieszczony we wnęce
blisko połączeń PCB-
Chassis, gdzie jest
największe pole H

Absorber grafitowy

Najlepiej działa
umieszczony pomiędzy
połączeniami PCB-
Chassis, gdzie jest
największe pole E

4.10 Zmniejszenie impedancji połączeń

pojemnościowych

Każdy z 3 kondensatorów posiada
skojarzone indukcyjności padów,

ścieżek i przelotek połączonych

równolegle.

Radialne ułożenie kondensatorów

sprawia, że wypadkowa

indukcyjność między nimi się znosi.

Wypadkowa indukcyjność ma
wówczas wartość indukcyjności

pojedynczego połączenia

podzielonej przez 3

Można oczywiście ułożyć radialnie

2, 4 lub więcej kondensatorów

Ułożenie kondensatorów w
matrycę (jeden obok drugiego) nie

zmniejszy indukcyjności w takim

stopniu jak ułożenie radialne

Dwie lub więcej przelotek do
warstwy 0V (zaleca się przelotki
bezpośrednio w padzie)

5 Płyty piętrowe

Wszystkie opisane tutaj

metody stosuje się również
do układu wielu PCB jedna

na drugiej
Płaszczyznę 0V „płyty matki”
należy traktować jako

Chassis „płyty córki”

6.1 Jak znaleźć źródło problemu?

Precyzyjny skaner pola

bliskiego E/H do płytek PCB

Dokładna lokalizacja miejsca
emisji pozwala skutecznie,

szybkie i tanie

wyeliminowanie problemu

już u źródła
Oprogramowanie umożliwia
wizualizację i analizę

rozkładu pola wokół

elementów

6.2 Parametry skanerów

Model HR-1

Rozdzielczość 25um
Dokładna kalibracja
położenia
Podgląd z kamery 15um w

czasie rzeczywistym
Sondy pola o wysokiej

rozdzielczości
Skanowanie na zadanej

powierzchni z modelu STL
Zasięg ramienia xyz: 190 x

140 x 80 mm

6.2 Parametry skanerów

Model RS-321

Rozdzielczość 1mm
Podgląd z kamery 15um w
czasie rzeczywistym
Sondy pola o wysokiej

rozdzielczości
Skanowanie na zadanej

powierzchni z modelu STL
Zasięg ramienia xyz:

300x200x100 mm

6.3 Zastosowanie skanera EMC

Optymalizacja parametrów

Zdjęcie przedstawia

dokładnie tą samą płytkę z 6

różnymi wartościami
kondensatorów

odsprzedających

Rozkład pola 3D

Import modelu 3D z plików

STL umożliwia wizualizację
pola na dokładnie zadanej

powierzchni 3D

Wykorzystanie sondy

temperaturowej

Document Outline