Опыт компании «СЕРП», накопленный при создании и внедрении систем комплексной автоматизации, показывает, что разработчики электронного оборудования часто демонстрируют реактивный под-ход к обеспечению электромагнитной совместимости, что приводит к повышенному расходу ресурсов на доработку после получения отрицательных результатов испытаний. В ряде случаев дополни-тельные затраты времени на доработку становятся причиной срыва сроков комплексных проектов, что влечет за собой значительные материальные и репутационные потери для головного исполнителя. Поэтому про активный подход к обеспечению электромагнитной совместимости должен пронизывать весь процесс разработки электронного оборудования, начиная с фазы эскизного проектирования.

При сравнении стоимости мероприятий по обеспечению ЭМС, проводимых на поздних этапах проектирования прибора в целом, можно обнаружить, что их стоимость при сравнимой эффективности в 10–100 раз больше стоимости мероприятий, выполненных при разработке печатной платы. Существует и так называемая пирамида обеспечения ЭМС [1], которая визуализирует эффективность усилий, затраченных разработчиком на те или иные мероприятия по обеспечению ЭМС (рис. 1). При ее рассмотрении мы можем убедиться, что затраты на обеспечение ЭМС на этапе разработки печатных плат невелики, но влияние принятых мер на характеристики конечного изделия значительно.

В настоящее время разработчики все чаще выбирают компоновку с одной печатной платой или комбинацией гибких и жестких печатных плат. При снижении количества печатных плат в устройстве можно обеспечить повышение:
—       технологичности изделия при сборке и настройке;
—       характеристик ЭМС за счет исключения протяженных межплатных связей, которые являются эффективными приемниками и излучателями помех;
—       надежности изделий за счет исключения одного из слабых мест в аппаратуре — межплатных проводных связей [2].

Для техники с повышенными требованиями к надежности (во-енной или космической) последние два преимущества наиболее актуальны.

Для схем, в которых обработка низковольтных измерительных сигналов совмещена с высокоскоростной цифровой обработкой, использование компоновки с одной платой часто требует специальных мер: зонирования, локального экранирования и применения специальных структур печатных плат. Также большое значение в этом случае имеет обеспечение низкоимпедансного заземления и развязка по питанию. Однако в статье мы рассмотрим лишь один из инструментов разработчика печатных плат — экранирование.

Экранирование электромагнитных взаимодействий обычно связывают с токопроводящими структурами (сплошными или пери-одическими), которые поглощают или отражают энергию помехи. Как известно, электромагнитный экран является обратимым, то есть одновременно снижает мощность проникающих в экранированный объем помех и сокращает эмиссию помех во внешнюю среду. В связи с этим в статье используется термин «изоляция» как синоним термина «экранирование».

С точки зрения необходимости снижения уровня перекрестных на-водок и эмиссии помех экранирующие элементы печатной платы, по крайней мере до гигагерцевого диапазона, находятся в ближнейзо не электрического и магнитного полей. Электрическое поле в ближней зоне может быть ослаблено при помощи отражающих или отклоняющих экранов, в качестве которых могут выступать печатные про-водники. На магнитное поле в ближней зоне эффективно действует только заградительный «электрически толстый» поглощающий экран. Поэтому в случае печатной платы магнитное поле помехи в первую очередь должно быть снижено за счет уменьшения площади токовых контуров сигналов, то есть расположения сигнальных проводников как можно ближе к проводнику, несущему обратный ток.

Как и для любого электромагнитного экрана, эти элементы следует должным образом заземлить (связать со слоем печатной платы, несущим условно нулевой потенциал). Теоретически экранирующие элементы на печатной плате, имеющие емкостную связь с поверхностью питания (слоем, несущим потенциал питания), могут также служить экранирующим элементом, поскольку при повышении частоты обе эти поверхности оказываются шунтированы конденсаторами развязки по питанию. Однако при прочих равных условиях импеданс для протекания шумовых токов через поверхность заземления заметно ниже. Здесь мы коснемся вопросов соединения экранирующих эле-ментов самой печатной платы с системой заземления, хотя схема и конструктивное исполнение системы заземления прибора имеют в данном случае решающее значение, так как могут оказаться «слабым звеном» на пути шумовых токов и значительно снизить эффективность даже правильно выполненных экранов.

Эффективный метод экранирования сигналов на многослойной печатной плате —расположение их между заземляющими поверхностями (или поверхностями для обратных токов). Этот способ рекомендуют как для сигналов — источников помех с часто-той более 100 МГц, так и для чувствительных к помехам сигналов. Печатные проводники, расположенные между поверхностями печатной платы (полосковые линии) по сравнению с проводниками, находящимися во внешних сигнальных слоях (микрополосковые линии) очевидным образом изолированы от внешней среды. Перекрестные наводки между проводниками печатной платы можно снизить, обеспечив более плотное прилегание сигнальных проводников к поверхности заземления (рис. 2). Этот эффект объясняется меньшей шириной растекания обратных токов по смежным поверхностям [3], поскольку 90% обратного тока те-чет в пределах 5 В в обе стороны от центра сигнального проводника (здесь: В — высота проводника над поверхностью заземления).Другой эффективный способ снижения перекрестных наводок — ортогональная про-кладка проводников в соседних сигнальных слоях печатной платы.

Для снижения излучения помех с краев печатной платы все незаземленные проводники внутри печатной платы должны располагаться не ближе 20В от края печатной платы(где В — расстояние между слоями в печатной плате, рис. 3). По краям платы должны располагаться проводники заземления, которые таким способом формируют эффективный экран для сигналов печатной платы [4]. Однако существуют публикации, критикующее ставшее традиционным «правило 20В».

Например, авторы исследования [5] отмечают пренебрежимо малый положительный эффект от использования данного правила на многослойных печатных платах и значительный отрицательный эффект (усиление уровня излучаемых помех) — на двухсторонних печатных платах. Поэтому использовать «правило 20В» на двухсторонних печатных платах не следует.

Отклоняющее экранирование электрического поля выполняют, располагая заземленные медные проводники вокруг экранируемых цепей. Они образуют так называемый защитный контур (guard trace), обеспечивающий изоляцию печатной платы в целом, ее сегмента или точки ввода/вывода сигналов. Этот контур должен быть соединен с системой заземления и не должен нести обратных токов. Если на печатной плате предусмотрено экранирующе-защитное заземление, то защитный контур должен быть соединен с этим заземлением.

Строго говоря, такой способ не формирует экранированного объема, но позволяет отклонить и замкнуть линии электрического поля источника помехи. Для отклонения магнитного поля аналогичным образом необходимо использовать материал с высокой магнитной проницаемостью (например, пермаллой), что не реализуемо на печатной плате.

Поэтому основные правила защитного контура таковы:
—       его эффективность повышается с повышением импеданса в канале передачи сигнала;
—       эффективность защитного контура для снижения перекрестных наводок невелика (по сравнению с эквивалентным раз-несением на плате), но эффективность экранирования сигнального проводника от внешней среды достаточно высока.

Для высокочастотных цепей защитный контур соединяют с поверхностью заземления с использованием набора переходных отверстий [6]. На квадрате, сторона которого равна длине волны помехи, таких отверстий должно быть несколько (насколько это позволяет плотность расположения сигнальных линий).Для изоляции магнитного поля помехи чувствительные аналоговые сигналы и шумящие высокоскоростные линии должны быть проложены в слое, смежном с заземляющей поверхностью. Если поверхность заземления на плате отсутствует, эти линии должны быть проложены вплотную к проводникам системы заземления (на однослойной плате) или под/над ними (для двусторонних плат). Этот параллельный проводник называется шунтирующим. В идеальном случае ширина шунтирующего проводника должна быть в три раза больше ширины сигнальной линии для того, чтобы «собрать» все поле, образованное сигнальным проводником. Заметим, что шунтирующий проводник не обязательно должен быть соединен с системой заземления на печатной плате, так как несет обратный ток именно шунтируемого сигнала.

Оба приема экранирования (защитный контур и шунтирующий проводник) могут быть использованы по отдельности или вместе. Емкостное взаимодействие сигнального проводника в этом случае будет минимизировано с помощью защитного контура, а индуктивное взаимодействие — с помощью шунтирующего проводника. Для микрополосковых и полосковых линий применение защитного контура или шунтирующего проводника имеет смысл в тех случаях, когда вокруг сигнального проводника отсутствует проводник (скажем, поверхность заземления или питания), которые находятся ближе, чем экранирующий проводник [7]. Например, для микрополосковой линии, расположенной на расстоянии 0,2 мм над поверхностью заземления, устройство защитного контура на расстоянии 0,3 мм от края линии бессмысленно. Таким образом, на многослойных печатных платах эти приемы экранирования малоэффективны в случае цифровых сигналов, но вполне допустимы для защиты аналоговых сигналов.

Возьмем пример печатной платы, в которой проводники шириной0,25 мм расположены на том же расстоянии от поверхности заземления (h = 0,25 мм) и на расстоянии d = 1 мм (между краями) по горизонтали. В этом случае верхняя оценка уровня перекрестных наводок может быть определена по формуле:

Запас по помехозащищенности для цифровых сигналов обычно больше этого значения, и сигналы не будут искажены. Но такой уровень перекрестных наводок может вызвать повышение уровня кондуктивных высокочастотных синфазных помех в межплатных или межблочных кабелях и, как следствие, повышенный уровень эмиссии помех. Для чувствительных аналоговых сигналов измерительных цепей такой уровень перекрестных наводок тоже может оказаться неприемлемым. В таком случае пара защитных проводников может снизить уровень перекрестных наводок на несколько порядков.

Однако на двухсторонних печатных платах, на которых сигнальный и обратный проводники проложены с разных сторон платы на расстоянии 1,6 мм, защитный контур, расположенный как можно плотнее к сигнальному проводнику, эффективно экранирует его. В соответствии с формулой распределения обратных токов ширина шунтирующего проводника должна быть не менее 3В и 3Ш одновременно, где В и Ш — высота сигнального проводника над поверхностью шунтирующего проводника и ширина сигнального проводника соответственно (рис. 4).

Использование одной пары защитных проводников для нескольких сигналов недопустимо. Два сигнала могут использовать пару защитных проводников только на короткой дистанции совместной прокладки (рис. 5).

Как любые другие экраны, защитные проводники и шунтирующие проводники должны быть качественно заземлены. Незаземленные защитные проводники как эффективно поглощают энергию помех, так и излучают ее на соседние проводники. Защитные проводники должны быть соединены с системой заземления как минимум в на-чале и конце защищаемого проводника. В идеале они должны быть соединены переходными отверстиями с поверхностью заземления(в случае многослойной печатной платы). Если защищаемый про-водник «электрически длинный», то должно быть предусмотрено заземление защитного проводника по всей длине с определенным интервалом. Интервал заземления должен быть возможно ниже, но на длине, равной «геометрической длине фронта сигнала» (расстояние, проходимое электромагнитной волной за время, равное времени фронта импульса), таких соединений должно быть не менее трех. В этом случае необходимо избегать равных расстояний между точками соединения с системой заземления, чтобы снизить добротность возможного резонанса на длине проводника (рис. 6).

Эрик Богатин (Eric Bogatin) в [8] приводит результаты моделирования взаимодействия защитного контура с полем источника помехи как для микрополосковой, так и полосковой линии. Объектом моделирования являлись три конфигурации:
—       проводник — источник помехи и проводник — приемник помехи проложены параллельно на расстоянии, равном ширине проводника;
—       источник помехи и приемник помехи разнесены на расстояние, равное утроенной ширине проводника;
—       между источником и приемником помехи помещен защитный контур (расстояние защитный контур — проводник равно ширине проводника).По результатам моделирования им сделан ряд значимых выводов.
—       В случаях, когда уровень перекрестных на-водок в –50 дБ (особенно для цифровых сигналов) достаточен, защитный контур не обеспечивает преимуществ по сравнению с простым разнесением на аналогичное расстояние.
—       Для микрополосковой линии уровень взаимодействия линии источника помехи и линии приемника помехи может даже усилиться по сравнению с разнесением линий на соответствующее расстояние. Защитный контур при этом незначительно усиливает емкостное взаимодействие и также незначительно ослабляет индуктивное взаимодействие. Конечный результат зависит от импеданса линии, то есть низкоимпедансная цепь может получить незначительное ослабление перекрестных наводок в присутствии защитного контура. Снижение импеданса заземления защитного контура в этом случае не приносит результата. В целом использование защитного контура в конфигурации микрополосковой линии нецелесообразно.
—       В конфигурации полосковой линии защитный контур позволяет снизить перекрестные наводки на ближнем конце до –70 дБ(против –50 дБ при разнесении на со-ответствующее расстояние). Защитный контур в этом случае снижает емкостное взаимодействие более чем в 10 раз, повышая индуктивное взаимодействие в 2 раза. Перекрестные наводки на дальнем конце могут быть устранены. Защитный контур должен быть заземлен с обоих концов с минимальной паразитной индуктивностью. Длина защитного контура должна соответствовать длине защищаемого проводника, поскольку любое удлинение защитного контура повышает импеданс для шумовых токов. Допустимым считается случай, когда удлинение защитного контура относительно защищаемых про-водников необходимо для обеспечения минимального зазора между печатными проводниками (рис. 7).