Při přenosu elektrického signálu vodiči na desce plošných spojů může docházet k vyzařování elektromagnetického pole, které může rušit jiné signály v okolí.
Elektromagnetické rušení (EMI) ve vztahu k deskám plošných spojů (PCB) je problém spojený s nežádoucím vyzařováním elektromagnetické energie z elektronických komponent a vodičů na PCB a s náchylností desky plošných spojů na vnější elektromagnetické rušení. Elektromagnetické pole z okolního prostředí nebo jiných elektronických zařízení může ovlivňovat signál na PCB a způsobovat chybné čtení nebo přenos dat, a stejně tak nedostatečné stínění vodičů nebo nepoužití vhodných stínících materiálů může umožnit pronikání vnějšího elektromagnetického rušení do vedení na PCB.
EMI může mít negativní vliv na výkon a spolehlivost elektronických zařízení.
Způsobuje rušení signálů, snížení kvality a výkonu signálu, chybné čtení dat, zvýšení chybovosti, a dokonce selhání zařízení.
Je ale nutné mít na paměti, že úplná eliminace EMI není vždy možná, zejména v případě vysokofrekvenčních a velmi citlivých aplikací, proto se při výrobě vysokofrekvenčních PCB pracuje s cílem minimalizovat EMI na přijatelnou úroveň, která je v souladu s požadavky daného zařízení nebo normami a předpisy, které se na ně vztahují.
1.) Správný návrh desky plošných spojů: Při návrhu desky plošných spojů je důležité přihlížet k rozmístění komponent, vodičů, zemních rovin a vrstev desky. Správné rozmístění komponent a vodičů může minimalizovat přeslechy a vzájemné rušení mezi signály.
2.) Zemní roviny a vrstvy: Zemní roviny a vrstvy slouží k odvodu rušení a poskytují vyrovnávací cestu pro elektromagnetickou energii. Správné rozložení zemních rovin a vrstev může pomoci minimalizovat rušení.
3.) Správné rozmístění komponent: Komponenty by měly být rozmístěny tak, aby minimalizovaly rušení mezi sebou. Například citlivé analogové obvody mají být odděleny od rušivých digitálních obvodů.
4.) Správné rozmístění vodičů: Vodiče by měly být rozmístěny tak, aby minimalizovaly přeslechy a vzájemné rušení. Případně je možné použít stínění vodičů, aby se minimalizovalo vyzařování rušivých signálů.
5.) Použití vyrovnávacích kondenzátorů a filtrů: Vyrovnávací kondenzátory a filtry mohou pomoci odstranit nebo minimalizovat vysokofrekvenční rušení a interferenci.
6.) Správná zemnící praxe: Správná zemnící praxe, včetně správného spojení zemních rovin a vrstev, může pomoci minimalizovat zemní smyčky a rušení. Zemní smyčka je situace, kdy existuje více než jedna cesta pro proud v elektrickém obvodu. Vzniká, když existují různé zemní body, které jsou propojeny nebo spojeny v obvodu. Tato smyčka může vytvářet nežádoucí proudy a indukovat elektromagnetické rušení.
7.) Použití stíněných obalů: V některých případech může být vhodné použít stíněné obaly nebo štíty na ochranu před vnějším elektromagnetickým rušením.
Je také důležité využít pokročilé softwarové nástroje pro návrh PCB, které poskytují možnosti analýzy EMI, simulace přeslechů a dalších EMI aspektů.
Správný výběr materiálů PCB má významný vliv na EMI. Například výběr materiálu s nízkou ztrátovou tangentou (tan δ) minimalizuje ztráty signálu a celkové vysokofrekvenční rušení.
Pomůže využití diferenciálních signálových linek v PCB. Diferenciální signálové linky jsou používány pro přenos dat mezi elektronickými komponentami na desce plošných spojů. Tyto linky se skládají ze dvou vodičů (páru) s opačnou polaritou, a přenášejí signály mezi komponenty na PCB. Rušení působí na oba vodiče páru stejným způsobem. Diferenciální přijímací obvod ale analyzuje pouze rozdíly mezi nimi, a ty v takovém případě nejsou. Proto se rušení ve výsledném signálu vymaže právě už při diferenciálním příjmu signálu.
Díky vyrovnání signálu v páru diferenciálních vodičů jsou tyto linky méně náchylné na šum, který se může objevit na cestě signálu. To znamená, že diferenciální linky mohou přenášet signál přes delší vzdálenosti nebo v prostředí s vyšším rušením, aniž by docházelo k degradaci kvality signálu.
Kvalitní konektory pro správný přenos signálu a minimalizaci rušení musí splňovat několik klíčových vlastností jako je nízká impedance čili minimalizace odporu a indukčnosti v signálové cestě. Konektory by měly být vyrobeny z materiálů s dobrou odolností proti EMI, vyrobené z kovů, jako je mosaz, hliník, nerezová ocel, ferit nebo feritová keramika, které mají obvykle dobré vodivostní vlastnosti a jsou schopné reflektovat elektromagnetické vlny.
Nejnižší elektrickou rezistivitu neboli fyzikální vlastnost materiálu, která udává jeho schopnost bránit průchodu elektrického proudu. Obvykle se označuje symbolem ρ (rho) a je vyjádřena v jednotkách ohmmetr (Ωm). A dále vysokou vodivost vykazuje právě slitina mědi a zinku, tedy mosaz.
Dodržování těchto pravidel a technik může významně přispět k snížení elektromagnetického rušení a přepětí ve vysokofrekvenčních deskách plošných spojů. Kvalitní návrh a správné použití vhodných materiálů a technik mohou vést ke spolehlivému a efektivnímu provozu těchto desek v různých vysokofrekvenčních aplikacích.
Elektrostatické výboje (ESD) je třeba brát v úvahu při návrhu a výrobě vysokofrekvenčních desek plošných spojů. Vysokofrekvenční aplikace představují specifickou výzvu, protože signály s vysokou frekvencí jsou náchylné na různé formy rušení a elektrostatický výboj může způsobit poškození citlivých součástek.
Rušení signálu vzniká z různých zdrojů, včetně elektromagnetického vyzařování z okolních zařízení, přepětí v napájecích sítích nebo vlastního elektromagnetického rušení uvnitř desky. To může vést k degradaci signálu, zkreslení, a dokonce k selhání systému. Pro minimalizaci rušení je důležité dodržovat především správnou geometrii stop a vodičů na PCB. Příliš blízké paralelní vedení může vést ke zkříženému rušení, zatímco nevhodné rozmístění stop může vést k nežádoucím rezonancím a oscilacím v DPS.
Statický elektrický výboj se objevuje při manipulaci s elektronickými součástkami nebo při připojování a odpojování konektorů. ESD může způsobit poškození citlivých součástek a snížení jejich spolehlivosti. Jako ochrana před elektrostatickými výboji se používají ochranné obvody, jako jsou TVS diody (Transient Voltage Suppression), které absorbují nadbytečnou energii při samotném výboji a chrání tak citlivé součástky před poškozením.
Zachycení všech důležitých aspektů rušení signálu a ESD ve vysokofrekvenčních deskách plošných spojů vyžaduje pečlivý přístup a znalosti v oboru. Důkladný návrh, správné postupy při výrobě a použití vhodných ochranných opatření jsou klíčové pro dosažení vysoké kvality, spolehlivosti a výkonnosti vysokofrekvenčních desek plošných spojů.
Přepětí může způsobit vážné problémy, včetně poškození komponent, poruchy signálu, a dokonce i selhání celého systému. Proto je důležité použít opatření a komponenty, které minimalizují riziko přepětí desek plošných spojů.
Jedním z opatření, které lze použít, je použití Schottkyho diod. Schottkyho dioda je speciální typ diody, která má nízký přechodový napěťový práh a rychlou odezvu. Tato dioda je obvykle vyrobena z kovového kontaktu na polovodičovém materiálu a má schopnost rychle reagovat na změny napětí.
Schottkyho dioda byla vynalezena inženýrem a fyzikem Léonem Charlesem Schottkym, který pocházel z Francie a vynalezl ji ve spolupráci s firmou Siemens kolem roku 1938.
Při výrobě vysokofrekvenčních PCB je klíčové spolupracovat s odborníky, kteří mají zkušenosti s vysokofrekvenčními aplikacemi. Použití správných materiálů, optimalizace návrhu a využití moderních technologií mohou výrazně přispět k minimalizaci EMI, přepětí ve vysokofrekvenčních deskách plošných spojů, ale také zohlední při návrzích PCB další fyzikální vlastnosti, které jsme si představili v prvním díle: Na co si dát pozor při výrobě desek plošných spojů do extrémního prostředí?
Odborná znalost, zkušenosti a spolupráce s profesionálním výrobcem PCB jsou klíčové pro úspěšné zvládnutí těchto výzev a dosažení vysoké kvality a spolehlivosti vysokofrekvenčních desek plošných spojů.
