Díl druhý: Na co si dát pozor při výrobě desek plošných spojů do extrémního prostředí? Elektrické signály a elektromagnetické ruchy

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.

Elektromagnetické rušení (EMI)

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.

Minimalizace a eliminace elektromagnetického rušení v deskách plošných spojů:

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.

Konkrétní příklady eliminace elektromagnetického rušení u PCB pro vysokofrekvenční aplikace

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.

• Také platí, že jestliže signální stopy narazí na ohyb nebo křížení vysokofrekvenčních cest,  vytvoří velkou smyčku, mohou se stát citlivými na vnější šum.

• Dalším pravidlem je minimalizace paralelních přeslechů mezi výstupními a vstupními stopami na dlouhé vzdálenosti. Tyto přeslechy mohou způsobit rušení signálu. Dají se snížit přidáním základních rovin nebo zvětšením vzdálenosti mezi stopami.

• Nesmíme zapomenout na fakt, že ohýbání stop pod úhlem 90° způsobuje ztráty signálů.  Tento typ ohybů způsobí rušivé odrazy a degraduje vlastnosti signálu. Místo toho bychom měli používat obloukové tvary nebo úhly kolem 45°, které minimalizují rušení a zachovávají integritu signálu.

• Důležitým pravidlem je u signálních linek, aby byly co nejkratší. Kratší signální linky snižují cestu vazby rušivých signálů. Je doporučeno směrovat důležité signální linky, jako jsou hodinové signály a citlivé signálové linky, jako první. Poté následují vysokorychlostní signálové linky, a až jako poslední  nevýznamné signálové linky.

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.

Rušení signálu a elektrostatické výboje

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.

• Přepětí vzniká u PCB jako nárůst napětí nad přípustnou úroveň, která je určena pro správné fungování elektronických komponent na desce.

• Nestabilita nebo přechodné jevy v napájecím systému, jako jsou přepětí nebo rušení, mohou vést k přepětí na PCB.

• Při přenosu signálu mezi různými zařízeními může dojít k rušení a přepětí způsobenému nekvalitními nebo rušivými signálovými linkami. Přepětí může ovlivnit elektronické součástky připojené k těmto linkám.

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.

• Schottkyho diody se často používají k ochraně před přepětím v elektronických obvodech, včetně desek plošných spojů. Připojením Schottkyho diody paralelně ke chráněným signálovým linkám lze omezit jejich vliv na okolní obvody. Při přepětí Schottkyho dioda rychle reaguje a odvádí nadbytečnou energii do země, čímž chrání ostatní komponenty na desce před poškozením.

• Je důležité pečlivě vybrat správnou Schottkyho diodu pro konkrétní aplikaci. Při výběru diody je třeba zvážit maximální proud, maximální napětí a rychlost odezvy, které jsou potřebné pro daný systém. Kvalitní Schottkyho diody mají nízkou kapacitu a nízkou impedanci, což jim umožňuje efektivně omezit přepětí.

• Schottkyho diody však nejsou jediným řešením pro ochranu před přepětím. Další opatření a komponenty, jako jsou přepěťové ochranné diody (TVS diody), varistory, polyfusy, správné rozmístění komponentů a napájecích obvodů a správná zemnící technika, by měly být také zváženy v závislosti na konkrétních potřebách a požadavcích systému.

• Celkově lze říci, že ochrana před přepětím u desek plošných spojů je důležitým aspektem návrhu a výroby. Použití Schottkyho diod a dalších vhodných opatření může výrazně snížit riziko přepětí a zajištění spolehlivého provozu desky plošných spojů. Je však důležité pečlivě zvážit konkrétní požadavky a provést správnou volbu komponentů a opatření, aby byla zajištěna nejlepší ochrana a výkon desky plošných spojů.

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.