Projektowanie płytek. Ekranowanie i powody ekranowania. cz. 2

Projektowanie płytek. Ekranowanie i powody ekranowania. cz. 2
Pobierz PDF Download icon
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.
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
Artykuł ukazał się w
Lipiec 2009
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik wrzesień 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio październik 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

Automatyka Podzespoły Aplikacje wrzesień 2020

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna wrzesień 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich wrzesień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów