Projektowanie płytek. Ekranowanie i powody ekranowania. cz. 2

72 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2009 NOTATNIK KONSTRUKTORA Dodatkowe materiały na CD Projektowanie płytek (2) Ekranowanie i powody ekranowania Prędzej czy później, każdy projektant spotka się z problemem zabezpieczenia przed zakłóce- niamiwrażliwychczęściobwodu.Przyczynąjest obniżenie odporności na zakłócenia poszczegól- nych komponentów, a powodem tego obniżenia jest paradoksalnie ? postęp technologiczny. Roz- różnia się trzy główne źródła owej zwiększonej wrażliwości: miniaturyzacja struktur kompo- nentów, obniżenie napięć zasilających a tym samym zmiana wartości napięć- progów przełą- czania oraz zwiększenie częstotliwości pracy. Postępu technologicznego nie można po- wstrzymać, natomiast projektant może cał- kiem skutecznie chronić wrażliwe komponen- ty przed wpływem niepożądanego promienio- wania elektromagnetycznego. Należy jednak wspomnieć, iż stosowanie technik ekranowa- nia bez odpowiedniego ?ltrowania nie ma sen- su. Jedynie równoczesne stosowanie obu tych technik przynosi pozytywne rezultaty. Przyczyny ekranowania na PCB Istnieje kilka przyczyn przeniesienia ekra- nowania urządzenia na poziom obwodu druko- wanego. Najbardziej istotnym powodem zmia- ny techniki ekranowania jest niemożliwość ekranowania za pomocą obudowy wrażliwych części obwodu drukowanego przed oddzia- ływaniem fal wielkiej częstotliwości. Kolejne powody to: ? ekranowanie przenoszone jest na najniższy poziom montażu, ? ekranowanie nie zwiększa znacząco wagi urządzenia, ? pozwala na większą gęstość upakowania elementów, niż inne metody ekranowania, ? jest to najlepsza metoda ekranowania za- pewniającą wysoką ochronę wrażliwych komponentów pracujących w tzw. hała- śliwym środowisku, czyli w pobliżu anten urządzeń do transmisji bezprzewodowej, ? poprawa wyglądu urządzeń (przeniesienie anten do wnętrza obudowy, bądź wręcz zintegrowanie ich z drukiem). Wraz z rozwojem elektroniki znacząco zwiększyło się natężenie tak zwanego smogu elektronicznego. Skutkiem tego, na projektowane urządzenia zostały nałożone specjalne normy emisji, jak i wrażliwości, które każde z nich powinno bezwzględnie spełnić. W tej części cyklu zajmę się omówieniem sposobów ekranowania stosowanych w nowoczesnym projektowaniu obwodów drukowanych. często pomija się efekt tłumienia wynikający ze zjawiska odbicia energii wewnątrz mate- riału ekranu. Tłumienie absorpcyjne silnie zależy od elektrycznych i magnetycznych własności materiału ekranu, jego grubości, częstotliwości pola. W praktyce ekrany charakteryzowane są przez dwa główne parametry: impedancję oraz skuteczność ekranowania. O ile pierw- szy parametr ma ścisły związek z częstotli- wością pola oraz rodzajem wykorzystanego materiału, o tyle na drugi ma wpływ kilka interesujących czynników. Wśród nich nale- ży wymienić: częstotliwość pola, strukturę geometryczną, rodzaj pola (składowa elek- tryczna czy magnetyczna), kierunek padania pola. Skuteczność ekranowania wyrażana jest w decybelach i określa stopień tłumienia od- powiedniej składowej pola elektromagnetycz- nego. Można ją wyznaczyć z następującego wzoru: KE = 20 log (EZEW /EWEW ) gdzie: KE ? skuteczność ekranowania, EZEW ? natężenie składowej pola na zewnątrz ekranu, EWEW ? natężenie składowej pola wewnątrz ekranu. Ekranowanie wysoko-impedancyjnych pól elektrycznych jest stosunkowo proste i przy użyciu nawet cienkich ekranów moż- na osiągnąć duże wartości współczynników tłumienia. Tłumienie ekranów maleje ze wzrostem częstotliwości. Paradoksalnie sku- teczność ekranowania maleje ze wzrostem od- ległości między źródłem i ekranem, ponieważ zmniejsza się impedancja pola. Ekranować, w zależności od potrzeb, moż- na poszczególne komponenty, grupy kompo- nentów, obszary płytki drukowanej, całą płytkę lub całe urządzenie. Parametry Natężenie pola przechodzącego przez ekran tłumione jest w wyniku odbicia i absorp- cji energii. Tłumienie odbiciowe zależy od czę- stotliwości, rodzaju pola, właściwości materia- łu ekranu i odległości ekranu od źródła pola. W teorii zjawisk falowych efekt odbi- cia tłumaczy się niezgodnością impedancji falowych ekranu i środowiska otaczającego ekran. W rozważaniach praktycznych pomija się zwykle, jako mały, efekt tłumienia wyni- kający z odbicia energii wewnątrz materiału ekranu. Tłumienie absorpcyjne zależy od wła- ściwości elektrycznych i magnetycznych materiału ekranu, jego grubości oraz często- tliwości, natomiast praktycznie nie zależy od rodzaju pola padającego na ekran Natężenie pola przechodzącego przez ekran jest tłumione na skutek absorpcji ener- gii i jej odbicia. Tłumienie odbiciowe zależy od częstotliwości i rodzaju pola, własności materiału ekranu, jak również odległości po- między ekranem o źródłem pola. W praktyce Rys. 1. 73ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2009 Projektowanie płytek Ekranowanie magnetycznych pól bliskich, zwłaszcza przy niskich częstotliwościach, jest bardzo trudne i skuteczne rozwiązanie prowa- dzi zawsze do masywnych, grubych ekranów wykonanych z materia- łów ferromagnetycznych. Skuteczność ekranowania wzrasta w miarę wzrostu częstotliwości. Odwrotnie niż w przypadku pola elektryczne- go, impedancja pola magnetycznego rośnie wraz z odległością i dlatego skuteczność ekranowania wzrasta przy większych odległościach między źródłem i polem. Segregacja Terminem tym określa się zaawansowane techniki segregacji po- szczególnych elementów tworzące bloki funkcjonalne obwodu w odpo- wiednich rejonach płytki, tak aby było możliwe prawidłowe i optymalne funkcjonowanie budowanego urządzenia. Proces ten należy prowadzić od początku rzeczywistego procesu projektowego, gdy jeszcze nie rozpla- nowaliśmy technik ?ltrowania i ekranowania. Segregację rozpatruje się na dwóch płaszczyznach: ? Outsideworld?płaszczyznaobejmującazapewnienieodpowiedniego poziomu EMC urządzenia uwzględniająca szkodliwe oddziaływania środowiska zewnętrznego, jak i szkodliwego oddziaływania urządze- nia na środowisko. Obejmuje ona np. zagadnienia odpowiedniego ?ltrowania sygnałów dostających się do obwodu poprzez wszelkiego rodzaju wiązki przewodów. ? Inside world ? płaszczyzna ustalana w drugiej kolejności, gdy nastę- puje podział bloków urządzenia na tak zwane szybkie - wysoko hała- śliwe oraz wrażliwe ? wysokiej rozdzielczości. Prawidłowo przeprowadzona segregacja zapewnia tak mechaniczne jak i elektryczne odseparowanie od siebie poszczególnych obszarów ob- wodu. Sytuację taką przedstawiono na rys. 1. Pomiędzy poszczególnymi wydzielonymi obszarami znajduje się wolna przestrzeń, która powinna być wypełniona masą (czyli najniższym potencjałem). Umożliwia ona nałożenie ekranów w postaci puszek Faradya na poszczególne pakiety komponentów. Najczęstszym błędem popełnianym przez projektantów po przepro- wadzeniu prawidłowej segregacji jest zaniedbanie utrzymania podziału w dalszych krokach projektowych. Najprościej jest zapobiegać temu zja- wisku już na etapie schematu. W zależności od możliwości środowiska CAD, można podzielić urządzenie na bloki funkcjonalne lub symbo- licznie wydzielać pakiety elementów za pomocą linii otaczających od- powiednie bloki elementów w obrębie schematu. Wtedy w końcowym etapie układania ścieżek w edytorze połączeń, liczba przejść pomiędzy wydzielonymi strefami musi odpowiadać tym ze schematu. Montaż Istotnym zagadnieniem o jakim należy wspomnieć jest wykonawstwo oraz montaż odpowiednio ukształtowanych arkuszy blachy do płaszczy- zny obwodu drukowanego. Najczęściej do wytworzenia klatek, ze względu na dobre właściwości ekranujące, stosuje się blachę stalową, mosiężną, berylową lub miedzianą. Właściwości te są skutkiem: po pierwsze, dobrej przewodności elektrycz- nej, co skutecznie tłumi energię fal oraz po drugie, zjawiskiem niedopa- sowania impedancji na granicy dwóch ośrodków tj. metalu i powietrza, przez co występuje zjawisko odbicia. Grubość stosowanych blach zamyka się w granicach do 2 mm, co zapewnia tłumienie na poziomie 100 dB. Montaż ekranów często wykonuje się ręcznie, lutując je w odpowied- nich miejscach do płaszczyzny masy obwodu drukowanego. Ostatnio po- jawia się jednak tendencja do automatycznego montażu ekranów, gdzie odpowiednie arkusze są układane jak inne elementy SMT. Sytuacja taka jest jednak możliwa w przypadku ekranów o ograniczonej powierzchni, ponieważ pojemność cieplna większych arkuszy uniemożliwia prawi- dłowe ich przylutowanie w procesie automatycznym. Aby uniknąć tego problemu, możliwe jest również zastosowanie odpowiedniego kleju prze- wodzącego. Inną metodą tak wykonania, jak i montażu ekranu, jest umieszczenie w obrębie obwodu drukowanego odpowiednio ukształtowanych fartu- 74 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2009 NOTATNIK KONSTRUKTORA R E K L A M A chów, na które następnie nakładane są właści- wie wypro?lowane arkusze zamykające ekran. Metoda taka jest bardziej kosztowna, jednak pozwala na zdecydowanie wygodniejsze serwi- sowanie produktu. Wybierając technologię montażu kon- struktor może jednocześnie rozwiązać pro- blem odpowiedniego odprowadzenia energii cieplnej zgromadzonej wewnątrz ekranu. Warto w tym celu stosować metodę polega- jącą na nakładaniu na grzejące się elementy termoprzewodzącej gąbki, na którą później nałożony zostaje arkusz ekranu, pełniący jednocześnie rolę radiatora (rys. 2). Najważniejszym czynnikiem jaki kon- struktor musi wziąć pod uwagę, jest prawi- dłowe podłączenie ekranu do masy. Sytuacja wydaje się prosta w przypadku, gdy mamy do czynienia z ekranem umieszczonym tylko po jednej stronie obwodu. W takim przypad- ku możemy płaszczyznę masy znajdującą się w warstwie wewnętrznej wyprowadzić za pomocą standardowych przelotek zagrze- banych do warstwy zewnętrznej, po czym odpowiednio ukształtować w ścieżkę odpo- wiadającą kształtowi nakładanego ekranu. Tak ukształtowane połączenie musi mieć zdjętą solder maskę, w miejsce której nale- ży umieścić maskę pasty, bądź kleju (rys. 3), co umożliwia szczelny montaż arkusza i za- pobiegając przedostawaniu się szkodliwego promieniowania. Sytuacja nieco komplikuje się, gdy musi- my ekrany umieścić po obu stronach płytki obwodu. W takiej kon?guracji nie powinno stosować się zwykłych przelotek (w zależno- ści od maksymalnej częstotliwości jaką chce- my ekranować), lecz zastosować tak zwane mikroprzepusty. Należy to zrobić, ponieważ fale elektromagnetyczne mogłyby swobodnie przemieszczać się poprzez otwór przelotki na drugą stronę płytki, wprowadzając zakłócenia w pakiet elementów chroniony drugim ekra- nem. Otwory Bardzo często w praktyce pojawia się konieczność wykonania w ekranie otworów. Ich rola sprowadza się do dwóch funkcji. Po Rys. 2. pierwsze, mają za zadanie kompensować szkodliwe zjawiska powstające na skutek nagrzewania się blachy w trakcie montażu, bądź wzrostu temperatury komponentów (zwłaszcza wtedy, gdy ekran pełni też funk- cję radiatora). Po drugie, są one przerwami w strukturze dla tak zwanej interakcji z użyt- kownikiem, czyli - innymi słowy, są otwo- rami wykonanymi pod wyświetlacze, złącza, potencjometry, przyciski itp. Bez względu na przyczynę stosowania istnieją pewne uwarunkowania, które muszą być spełnio- ne, aby zapewnić odpowiednią skuteczność ekranowania. W sytuacji, gdy w strukturze ma znajdować się pojedynczy otwór, aby nie zmniejszać tłumienia ekranu, należy go od- powiednio ukształtować w falowód (rys. 4). Tak ukształtowany otwór, posiada swoją częstotliwość graniczną, poniżej której bę- 75ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 7/2009 Projektowanie płytek Rys. 3. Rys. 4. Rys. 5. elementów i/lub układów ?ltrujących. Ważne jest odpowiednie izolowanie arkusza ekranu w miejscu, gdzie znajdują się takie elementy. Sytuację taka dla ?ltru w postaci rezystora, bądź dławika włączanego w szereg przedsta- wia (rys. 5). Aby uzyskać najlepsze efekty ważne jest, aby ekran w miejscu ułożenia układu ?ltru był podłączony do płaszczyzny odniesienia (GND). W przeciwnym wypadku skuteczność tłumienia ulegnie zmniejszeniu. Płaszczyzna taka powinna być maksymalnie jednorodna, najlepiej wypełniająca jedną warstwę elek- tryczną zadeklarowaną w stosie warstw pro- jektu. W przypadkach, gdy z przyczyn ekono- micznych możemy do budowy urządzenia wykorzystać jedynie obwód dwuwarstwowy, zalecane jest, aby komponenty umieszczać wyłącznie z jednej strony płytki, natomiast stronę drugą poświęcić na uzyskanie jak naj- bardziej jednorodnej płaszczyzny masy. Jeże- li taka sytuacja jest niemożliwa, czyli kompo- nenty i połączenia muszą być rozmieszczone z obu stron druku, to należy maksymalnie wypełnić powierzchnią masy newralgiczne rejony. Tylko taka metoda rozprowadzenia masy zapewni wysoką skuteczność ?ltrowa- nia. W ekstremalnych przypadkach, gdy tra- dycyjne metody ?ltracji nie zdają egzaminu, należy sięgnąć po galwaniczną separację w postaci optoizolatorów bądź transforma- torów. Przyszłość Mimo iż opisane w artykule techniki ekranowania są stosowane z powodzeniem, to trwają badania nad ich udoskonaleniem. Najbardziej dostrzegalną wadą współcze- snych rozwiązań jest powstawanie odbić zarówno składowej elektrycznej jak i magne- tycznej fali. Trwają intensywne prace nad materiałami z grupy tworzyw sztucznych mogącymi pochłaniać energię fal, poprzez rozproszenie jej w postaci ciepła. Materiały takie już są stosowane w tak zwanych ko- morach bezechowych, służących do badań EMC. inż. Tomasz Świontek tomekfx@o2.pl względu lepiej stosować (o ile to możliwe) wiele otworów o małej średnicy rozłożonych na pewnej powierzchni, niż jeden o dużych gabarytach. Filtrowanie Jak już wcześniej wspomniałem, dla osią- gnięcia wysokiej skuteczności ekranowania konieczne jest zastosowanie odpowiednich metod ?ltrowania. Filtrowanie jest koniecz- ne, aby do pakietu chronionej powierzchni obwodu nie dostały się zakłócenia propago- wane przez połączenia kablowe ze środowi- ska zewnętrznego. Najczęściej ?ltracja spro- wadza się do prawidłowego rozmieszczenia dzie zachowywał się jak tłumik. Częstotli- wość ta w przypadku falowodu o przekroju kołowym, zależy od średnicy D, i możemy ją wyznaczyć ze wzoru: f= (1,75×1010 )/D Z praktycznego punktu widzenia ważna jest średnica otworów, a nie ich liczba. Z tego