Zasady projektowania elektroniki pod kątem spełnienia wymagań EMC - zrozumieć prądy i pola na przykładzie indukcyjności przelotki, czyli "VIA" na PCB

Zasady projektowania elektroniki pod kątem spełnienia wymagań EMC - zrozumieć prądy i pola na przykładzie indukcyjności przelotki, czyli "VIA" na PCB

Bardzo często na szkoleniach pytacie nas o proste porady, wskazówki odnośnie projektowania elektroniki pod kątem spełnienia wymagań EMC. Rzeczywiście podajemy pewne zalecenia, rozwiązania, często praktyczne i do zastosowania od zaraz. Oczywiście w Internecie znajdziemy także wiele wskazówek? Oczywiście są poradniki, wskazówki, przewodniki (guidelin'y). Jednak dlaczego akurat takie rozwiązanie będzie optymalne? Czy zawsze to będzie działało? Czy mój projekt nie jest wyjątkowy?

Jakie powinienem uwzględnić wytyczne w projektowaniu elektroniki pod kątem EMC?

W naszych działaniach wolimy nauczyć Was zasad, jakie rządzą zjawiskami z tym związanymi. Abyście zrozumieli przyczynę i uczyli się dobierać adekwatne rozwiązania, zależnie od potrzeb.

Nasze podejście opieramy o pomoc w zrozumieniu przyczyn, zasad fizycznych stojących za danym zjawiskiem. Abyś umiał dobierać rozwiązania adekwatne do potrzeb.

Aby dobrze korzystać z takich „mądrości” trzeba zrozumieć dlaczego tak się powinno robić, w tym poznać i przyswoić zasady funkcjonowania prądów wysokiej częstotliwości i fal elektromagnetycznych.

I faktycznie podczas szkolenia często pada stwierdzenie: „Aha, to o to chodziło, dlatego tak mam robić”. A gdy już doświadczasz efektu „aha” i zaczynasz rozumieć zjawisko, wiesz, że będziesz mógł odnieść zalecenie do swoich konkretnych, specyficznych projektów oraz przenieść na inne podobne pola. Bo sztuką jest dopasować teorię czy zalecenia, do naszego konkretnego układu, tej właściwej realizacji.

Zapraszamy na III edycja ogólnopolskiej konferencji EMC FOR BUSINESS 2019. Praktycy dla praktyków.
10-11.10.2019 Wrocław. Wymiana wiedzy i doświadczeń w projektowaniu elektroniki oraz ocenie zgodności.

www.emc4b.com

Będą nie tylko prelekcje, ale i warsztaty praktyczne wraz z wyjaśnieniem i dyskusje.

 

I to jest naszym nadrzędnym celem w Akademii EMC, co wyrażamy w naszym działaniu, a także sloganie „We help you to understand – pomagamy zrozumieć”. Zrozumienie kluczowych zjawisk, fundamentalnych zasad pozwala na korzystanie w sposób bardziej efektywny z zaleceń czy dokumentacji technicznej.

Zrozumienie podstawowych zjawisk fizycznych jest kluczowe aby poprawnie projektować elektronikę w aspekcie spełnienia wymagań kompatybilności elektromagnetycznej.

Rysunek 1. Zalecenia projektowe odnośnie prowadzenia przelotek dla kondensatorów odsprzęgających

W tym artykule opowiem o kilku podstawowych zasadach i zjawiskach z tym związanych. Jako przykład posłuży nam prowadzenie przelotek (tzw. VIA) do warstw zasilania (power plane, grund plane) na PCB dla kondensatorów odsprzęgających (nasze zbiorniki pomocnicze).

Na początek – pytania: Która wersja z rysunku 1 wskazuje rozwiązanie optymalne pod katem EMC? Które jest: super/dobre/słabe/najgorsze? 

I pewnie odpowiedź będzie dość oczywista, bo obrazek jest znany, dostępny w sieci, do tego podawany często jako przykład zaleceń w projektowaniu płytek (layout PCB). Rozwiązanie i prawidłowa kolejność od najlepszego do najgorszego: E, D, A, B, C, F (oczywiście można robić wariacje z wieloma przelotkami, co dopowiem pod koniec artykułu).

Rysunek 2. Linie sił pola magnetycznego wokół przewodnika, w którym płynie zmienny prąd elektryczny – reguła prawej dłoni

Dlaczego zaleca się stosowanie rozwiązania „E”? Wróćmy do zajęć z fizyki, gdzie prowadzący pokazywał jak w przewodniku płynie prąd, a wokół niego (w wyniku przepływu prądu elektrycznego) obecne są linie sił pola magnetycznego. Wynika to wprost z równań Maxwella (które często są słabo rozumiane). Kierunek linii sił pola można rozpoznać stosując zasadę prawej dłoni zawijającej się wokół przewodnika (rysunek 2). Niestety rysunki i uproszczenia do fragmentu pojedynczego przewodu, często nie wyjaśniają istoty INDUKCYJNOŚCI, bo to będzie nasz główny temat.

Indukcyjność zależy nie tylko od materiału, ale także od kształtu struktury pętli prądu. (Ps. Niby to oczywiste, a często zapominamy o tym patrząc na nasze PCB).

A co jak mamy dwa przewodniki? Na pewno będzie interakcja pól (zasada superpozycji). Jaki będzie wpływ, to już zależy od geometrii układu, m.in. odległości między nimi. Im bliżej siebie, tym silniej na siebie wzajemnie oddziałują, znosząc się lub wzmacniając.

Bo czym jest indukcyjność? Od czego zależy? No właśnie.

Nie można mówić o indukcyjności jeśli nie ustalimy kształtu naszych przewodników.

Indukcyjność – ile strumienia wytwarza prąd – zdolność struktury do gromadzenia energii w polu.

Duże natężenie pola występuje tam, gdzie linie sił pola elektrycznego i magnetycznego są do siebie prostopadłe.

Rysunek 3. Dwa przewodniki oddziałujące na siebie poprzez pole magnetyczne

Jeśli przewodniki znajdują się odpowiednio blisko siebie to ich pola magnetyczne oddziałują na siebie wzajemnie, znosząc się i wzmacniając, w zależności od kierunku działania siły. Zależnie od tego ile nachodzą na siebie strumienie magnetyczne, można mówić o sprzężeniu magnetycznym dwóch cewek (mutual inductance – M12) (rysunek 3).

Mamy dwa sposoby przepływu prądu w przewodnikach spotykanych w EMC. (pamiętajmy cały czas, że zwykle mówimy o prądach wysokiej częstotliwości, a nie o tych zasilających typu DC), zobrazowane na rysunku 4. Są to tryby:

  • różnicowy, symetryczny (differential, normal mode),
  • wspólny, asymetryczny (common, odd mode).

Jeśli weźmiemy pod uwagę linie pola magnetycznego jakie będą obecne wokół przewodników, dojdziemy do wniosku, że zależnie od miejsca, odległości (geometria) linie sił pola będą się znosiły lub wzmacniały, a indukcyjność połączeń będzie rosła lub malała (rysunek 5).

Rysunek 4. Dwa tryby przepływu prądu w.cz.: różnicowy i wspólny

Rysunek 5. Dwa tryby przepływu prądu w.cz.: różnicowy i wspólny – wizualizacja lini sił pola magnetycznego

Rysunek 6. Schemat połączeń dla układu mikrokontrolera i kondensatora odsprzęgajacego

Rysunek 7. Układ zastępczy cewek sprzężonych – dwa mody – wspólny i różnicowy

Rysunek 8. VIA jako dwa przewodniki, gdzie prądy płyną w przeciwnych kierunkach. Nakładanie się strumieni magnetycznych

Rysunek 9. Odległości pomiędzy punktami obwodu

Rysunek 10. Zalecenia do układania przelotek do kondensatorów odsprzęgających

Impedancja zależy m.in. od indukcyjności. Im większa indukcyjność, tym większa impedancja połączeń dla wyższych częstotliwości. (Wysokie częstotliwości zaczynają się już dla kilkudziesięciu kiloherców.)

Powyższe pokazanie i wyjaśnienie zjawiska odniesione do PCB, kondensatorów i połączeń Via jest pewnym uproszczeniem, gdyż zjawisko wymagało by skomplikowanych wyjaśnień opartych na symulacjach.

W układzie różnicowym (differential mode) chcemy by pętle prądu były jak najmniejsze, bo zmniejsza to indukcyjność całej drogi prądu. Stąd wniosek, że położenie kondensatora i odległość między Via ma znaczenie dla indukcyjności, w konsekwencji impedancji połączeń. Wiemy już, że zależy nam na minimalizowaniu pętli prądu, co za tym idzie minimalizowaniu indukcyjności połączeń. W tym celu należy zbliżać do siebie Via i umieszczać kondensatory odsprzęgające jak najbliżej układów.

Rozważmy sytuację na płytce PCB, gdzie mamy nasz układ odsprzęgany (IC) i kondensator (rysunek 6). Dla takiego układu można zastosować uproszczony schemat zastępczy oparty o indukcyjności połączeń i sprzężenie magnetyczne cewek. Układ zastępczy obszaru zaznaczonego zieloną ramką można pokazać jako połączenie cewek (rysunek 7). Zależnie od ich położenia (czy są blisko siebie, czy daleko) ich sprzężenie magnetyczne może minimalizować indukcyjność bądź ją zwiększać. Dodatkowo odsunięcie od siebie może skutkować dodaniem kolejnych indukcyjności, gdyż każde połączenie, ścieżka – płaszczyzna odniesienia, to w zakresie wysokich częstotliwości indukcyjność.

Jak to ma się do VIA? Wyobraź sobie prądy płynące w przelotce i pole magnetyczne wokół przewodnika jak na rysunku 8. Poniżej przywołałem wartość indukcyjności oraz impedancji w zależności odległości pomiędzy przelotkami (rysunek 9, tabela 1). Widzimy, że odległość pomiędzy przelotkami ma znaczenie i wpływa na indukcyjność oraz impedancję połączenia, co skutkuje pogorszeniem efektywności dostarczania energii do układów, czego skutkiem jest niestabilność zasilania i problemy z emisją i odpornością na testach EMC.

Wspomniałem już że można stosować dublowanie (powielanie) liczby przelotek. Jaki ma to sens, cel? Równoległe połączenie (poszerzenie drogi przepływu prądu) powoduje zmniejszenie impedancji (indukcyjności) połączenia. Zalecane sposoby umieszczania przelotek pokazuje rysunek 10.

Podsumowanie

Za zaleceniami stoją doświadczenia i obserwacje, jednak podstawą jest fizyka prądów wysokiej częstotliwości i pola elektromagnetycznego. Nie jest konieczne rozwiązywanie całek podwójnych z równań Maxwella (od tego jest software), często wystarczy zrozumienie następstw i odniesienie ich do własnych projektów. Przeniesienie schematycznych rysunków teorii na nasz układ. Wiem, że pojawia się wiele pytań dodatkowych, jak choćby: po co odsprzęgamy? Po co zamykamy drogę prądu w mniejszej pętli? Czy może kondensator pełni dodatkowe funkcje? Czy zastosować jeden kondensator, czy dwa, trzy… i jakiej wartości?

Tekst potraktujcie jako inspirację do dalszych studiów i innego spojrzenia na zalecenia. Następnym razem pomyśl – jakie zjawisko fizyczne stoi za daną zasadą projektową i jak mogę odnieść ją do swojego projektu. Zwykle chodzi o impedancję i jej składowe: pojemność i indukcyjność. Zachęcam abyście przyłączyli się do Akademii EMC, zarówno jako uczestnicy, jak i wykładowcy. Wspólnie rozwiniemy większą świadomość i poziom działów R&D w branży elektronicznej. Nasz cykl nauczania wspiera dogłębne zrozumienie zjawisk, gdyż opieramy to na schemacie: teoria, przykład, eksperyment (pomiar), wyjaśnienie, odniesienie do realnych, często Waszych projektów.

Tomasz Utkowski
EMC for Business, www.emc4b.com

 

Akademia EMC: Projektowanie elektroniki pod kątem spełnienia wymagań EMC – www.emc4b.com/szkolenia

 

Źródła o tematyce EMC, do których warto zajrzeć:

  1. Effective Power/Ground Plane Decoupling for PCB – Dr. Bruce Archambeault, IBM Distinguished Engineer, October 2007
  2. Analog Devices, PC Board Layout and Design Tools, High Speed System Applications, 2006
  3. Device-Specific Power Delivery Network (PDN) Tool 2.0 User Guide, INTEL, UG-01157, 2017.06.05
  4. Materiały szkoleniowe „Projekt EMC” – Akademia EMC – Piotr Janik, 2017
  5. Blog EMC – www.emc4b.com/blog
  6. Kanał youtube Akademii EMC – http://bit.ly/2MHx9Rc
Artykuł ukazał się w
Elektronika Praktyczna
wrzesień 2019
Zobacz też
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 wrzesień 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 sierpień 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów