Решение проблемы электромагнитной совместимости и защиты интерфейсов - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Техника и технологии

28
Решение проблемы электромагнитной совместимости и защиты интерфейсов

Защита сигнальных линии

Сердцем фильтра защиты линий данных является синфазный дроссель (рис.11), а его выбор основывается на том, чтобы такой дроссель обладал высокой степенью симметрии и низкой паразитной емкостью.

Кривая импеданса и вносимые потери одного из вариантов дросселя, а именно WE-CNSW HF (744 233 56 00) компании Wurth Elektronik, который может эффективно использоваться именно для защиты высокоскоростных линий связи, представлены на рис.12.

Как уже было сказано ранее, синфазные помехи возникают в случае, когда одни и те же наведенные помехи распространяются в одном и том же направлении, в положительном и отрицательном каналах, относительно земли. Они всегда имеют место при емкостной или индуктивной связи в цепи или на дорожках печатного проводника. Следовательно, эта составляющая импеданса должна быть максимально высокой. На частоте 100 МГц представленный в качестве примера синфазный дроссель имеет импеданс около 60 Ом. Импеданс дифференциального сигнала возникает из-за паразитной индуктивности конструкции дросселя (вина здесь лежит на индуктивности рассеивания LS). Для того, чтобы обеспечить минимальные вносимые дросселем потери, крайне важно, чтобы этот импеданс на частоте передачи данных был как можно меньше.

Включение емкости в фильтр образует фильтр нижних частот второго порядка. Здесь вместо конденсаторов, как правило, используется собственная емкость защитной диодной матрицы. Ее интегральные диоды имеют паразитную емкость, которая может эффективно использоваться. Кроме того, паразитная индуктивность TVS-диодов в матрице очень низкая. Это необходимо для достижения максимально быстрой реакции на переходные процессы перенапряжения. Поэтому защитная диодная матрица – это практически идеальный конденсатор в сочетании с эффективной защитой от переходных процессов.

 

Разводка печатной платы

Печатная плата с компонентов и линиям (печатным проводниками) представляет систему с теми или иными внесенными емкостями и индуктивностями. Следовательно, компоновка должна быть разработана в соответствии с требованиями конкретного схемного решения. Из-за неоптимальной, компоновки характеристики простого низкочастотного LC-фильтр могут значительно ухудшиться, и он не выполнит, как вами планировалось, свою в подавлении ЭМП. Тут может быть ситуация из серии – «гладко было на бумаге, да забыли про овраги».

На рис.13 показан пример фильтра нижних частот с неблагоприятной компоновкой при воздействии высокочастотных помех из-за наличия емкостной (Capacitve noise coupling) и индуктивной (Индуктивная связь) связи с источниками ЭМП.

Существует ряд проблем с приведенным выше макетом, это как раз те забытые «овраги», про которые мы говорили.

Они включают в себя:

·        Проводник подключения заземления к конденсатору слишком длинный, а 1 см дорожки печатной платы соответствует индуктивности 6-10 нГн.

·        Подключение заземления должно проходить непосредственно к корпусу, так как точка заземления экранирования кабеля и точка заземления фильтра должны иметь одни и тот же потенциал по высокой частоте.

·        Шлейф к конденсатору проходит между индуктивным элементом и конденсатором. Эта линия связи является дополнительной индуктивностью, включенной последовательно с конденсатором, и, поскольку реактивное сопротивление индуктивности с увеличением частоты увеличивается, это делает конденсатор неэффективным.

·        Вход и выход фильтра индуктивно связаны друг с другом, таким образом, фильтр с увеличением частоты оказывается закорочен.

·        Компоненты имеют емкостную связь друг с другом, так как они расположены параллельно. Причем эта связь увеличивается с увеличением частоты.

Пример правильной компоновки фильтра нижних частот в условиях воздействии высокочастотных помех показан на рис.14.

Давайте разберемся, почему эта компоновка лучше?

·        Сокращение линий подключения предотвращает появление помех на конденсаторе. Конденсатор «лежит» как раз на пути прохождения сигнала с минимальной линией подключения (Contraction).

·        Ортогональное расположение компонентов предотвращает их взаимосвязь.

·        Короткое заземление на конденсаторе, имеющее низкий импеданс благодаря двум сквозным контактам (Through-hole-plating) и подключению к шасси (Chassis Ground), обеспечивает идеальное заземление конденсатора по высокой частоте.

Здесь есть еще один немаловажный нюанс. Коль речь идет об высокоскоростных интерфейсах, то мы будет иметь дело с областью очень высоких частот – гигагерцовых. Для этой области, еще и при работе с цифровыми сигналами необходимо весьма точно выполнять условия по согласованию цепей. При этом речь идет не только о вполне понятных согласованиях по нагрузке и волновому сопротивлению, о чем мало кто забывает, а и согласования по волновому сопротивлению ввода. А именно разъема (это делается на этапе его выбора) и линий подключения от разъема к входу контроллера интерфейса.

Такая линия связи выполняется в виде специально рассчитанной микрополосковой структуры. Например, номинальный дифференциальный импеданс линий данных USB 3.1 составляет 90 Ом, что должно поддерживаться в дифференциальной микрополосковой линии сопряжения. Импеданс Z0 рассчитывается по стандартной формуле (1). Здесь для достижения согласования импеданса необходимо, в дополнение к диэлектрической проницаемости печатной платы и ее толщины h, необходимо учитывать ширину микрополоской линии w, толщину t и расстояние s между дифференциальными линиями передачи данных (формула (2)).

 

            (1)

            (2)

 

Рассчитанные параметры микрополосковой линии были реализованы, как показано ниже на рис.15, где приведены размеры трассировки и стек слоев печатной платы для достижения импеданса линии подключения контролера 90 Ом: w = 220 мкм; s = 150 мкм; h = 177 мкм.

Чтобы завершить рассмотрение проблемы печатной платы, обратим ваше внимание на то, что в формуле для расчета импеданса микрополосковой линии присутствует диэлектрическая проницаемость материала er. Так что, если вы провели расчет для диэлектрика, например, стеклотекстолита FR-4, а потом покрыли всю плату или проводники защитным покрытием, то это может привести к рассогласованию импедансов на высоких частотах. Это нужно учитывать.

Оценка качества передачи всего тракта для обеспечения целостности сигнала в случае использование дифференциальных линий проверяется анализом его характеристик, как во временной области (импеданс, структура глазка, расфазировка дифференциальных сигналов), так и в частотной области.

Здесь мы оцениваем:

- вносимые потери (Insertion Loss, IL);

- возвратные потери (Return Loss, RL), называемые еще – потери на отражение;

- перекрестные помехи на ближнем конце в паре связанных линий передачи (Near End Crosstalk, NEXT);

- перекрестные помехи на дальнем конце в паре связанных линий передачи (Far End Crosstalk, FEXT). В также, как один из важных параметров оценки рассогласования дифференциальных линий передачи, описывающую преобразование дифференциальных сигналов в синфазный дифференциально-синфазное преобразование Scd21 (Differential to Common Mode Conversion). Этот ключевой параметр соответствует соотношению амплитуд дифференциального и синфазного сигналов и должен достигать максимально высоких значений, поскольку чем больше величина Scd21, тем выше уровень подавления паразитного синфазного сигнала и, следовательно, лучшее согласования дифференциальных пар. Оценка тракта передачи в виде кабельной сборки осуществляется с использованием измерительных приборов в виде векторного анализатора цепей (Electronic Network Analyzer, ENA) с диапазоном частот до 50 ГГц.

Анализ целостность сигнала в системе радиочастотного коаксиального кабеля с разъемами выполняется во временной области оценкой волнового сопротивления (импеданса), а анализ в частотной области – коэффициента стоячей волны по напряжению КСВН (Voltage Standing Wave Ratio, VSWR) и вносимых потерь. Это довольно-таки обширная тема и требует её отдельного рассмотрения.

В качестве подведения итогов – приведу два примера из собственной практики. Это случилось с автоматизированными рабочими местами, здесь сказался наш пресловутый «авось», о котором я вам советую начисто забыть. Мы были пойманы за руку одной из европейских лабораторий по сертификации по ЭМС, понятно, что «решить» там вопрос «по-нашему» можно было даже и не пытаться. Проблема оказалась именно в неправильной организации линий связи интерфейсов по которым подавалось питание и шел обмен семи человеко-машинных интерфейсов с центральным блоком. Мы сами ввели себя в заблуждение тем, что занимались «главными» вопросами и ограничились формальной проверкой изделия на излучение ЭМП в стационарном режиме. А при сертификации изделие тестировалось во всех режимах с активным обменом данными и перерисовкой дисплеев, что и выявило превышения допустимого уровня излучения электромагнитных помех. Вот так, из-за того?что не обратили должного внимания на линии связи, мы были отброшены с нашим проектом почти на год. Тут мы уже вспомнили все – и про то, что в технике нет «не главного» и про испытания во всех режимах, и про фильтры, и про правильную разводку интерфейсов на печатных платах (нам, чтобы спасти ситуацию, пришлось сделать специальный адаптер).

Во-втором случае, мы, уже наученные предыдущим горьким опытом, все предусмотрели, фильтров поставили с запасом, но не досмотрели и оставили без защиты всего одну промежуточную линию связи внутреннего интерфейса, такой себе коротенький кабель сантиметров 50 от центральной ЭВМ на маленький выходной блок (там-то и были всего лишь изолированный интерфейс и кнопка включения со светодиодами). Вот он-то и оказался камнем преткновения [1], однако эту проблемы мы уже решили в считанные часы.

Во всех ситуациях необходимо соблюдать два золотых правило хорошего разработчика: «Предупрежден – значит вооружен» и «Учиться лучше на чужих ошибках».

 

Литература:

1. Рентюк В. Практические вопросы применения ИМС изолированного интерфейса в части выполнения требования по электромагнитной совместимости// Компоненты и технологии, №4 2015.

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus