Projekty EMI/EMC: redukcja szumów na układzie płytki PCB przez izolowanie sygnałów AC i DC

Wykorzystywanie na jednej płytce drukowanej zarówno komponentów zasilanych AC, jak i DC, skutkować może emisją EMI. Problem ten można rozwiązać poprzez odpowiednią izolację układów AC i DC. Istnieje kilka całkiem prostych sposobów na to, aby rozwiązać kwestię zakłóceń występujących pomiędzy obwodami prądu stałego (DC) i zmiennego (AC). Mowa tutaj o ekranowaniu komponentów, separacji systemów, dedykowanych zasilaczach, dobrym uziemieniu układu i niemostkowaniu izolacji.

Gdy byłem w liceum, mój nauczyciel fizyki zwykł mówić o tzw. „Wojnie Prądów” toczonej pomiędzy Thomasem Edisonem a Nikolą Teslą. Nie interesowało mnie wtedy szczególnie, dlaczego Edison był zwolennikiem zasilania prądem stałym, a Tesla wręcz przeciwnie, wolał wykorzystywać zasilanie prądem zmiennym. Szybko się to zmieniło, gdy stałem się świadkiem owej „Wojny Prądów” rozgrywającej się pomiędzy prądem stałym a zmiennym na układach płytek PCB. Wiele płytek drukowanych wykorzystuje zarówno zasilanie AC, jak i DC. Gdy oba się ze sobą spotykają, pojawiają się problemy w postaci zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Na szczęście, tak jak w „Wojnie Prądów” w końcu zawieszono broń i ogłoszono pokój, tak i integralność sygnału prądu stałego i zmiennego może współistnieć w harmonii na nowoczesnych projektach płytek PCB. Kluczem do osiągnięcia tej harmonii jest natomiast izolacja.

Izolacja od zakłóceń elektromagnetycznych

Istnieje kilka całkiem prostych sposobów na to, aby rozwiązać kwestię zakłóceń występujących pomiędzy obwodami prądu stałego (DC) i zmiennego (AC). Mowa tutaj o ekranowaniu komponentów, separacji systemów, dedykowanych zasilaczach, dobrym uziemieniu układu i niemostkowaniu izolacji.

• Ekranowanie: Jak zapewne już wiesz, na układzie płytki drukowanej jest wiele elementów, które mogą emitować zakłócenia elektromagnetyczne. Są to zasilacze, zegary IC i oscylatory, które zaburzają działanie komponentów korzystających z AC. Jednym ze sposobów na ograniczenie emisji EMI przez „głośne” komponenty prądu stałego i ochronę wrażliwych komponentów prądu zmiennego, jest po prostu ich ekranowanie. Daje ono gwarancję, że żadne zakłócenia elektromagnetyczne promieniujące drogą powietrzną wokół układu nie wpłyną negatywnie na pracę obwodu, który został ekranowany. Tak więc, jeśli jest coś, co chcesz ochronić albo uwięzić, zrób to, w czym ludzie specjalizują się od stuleci – zamknij to w metalowym pudełku. Jeśli pracujesz nad układem wielowarstwowym, ekranowanie możesz zastąpić wykorzystaniem osobnej warstwy uziemienia, która będzie swego rodzaju tarczą. Choć niezwykle efektywne, ekranowanie zwiększa wagę i co za tym idzie, koszt produkcji płytki PCB. Zawsze więc należy zastanowić się, czy redukcja zakłóceń elektromagnetycznych jest tego warta.
• Separowanie: Gdyby Edison i Tesla znaleźli się ze sobą w jednym pokoju, na pewno doszłoby między nimi do delikatnej sprzeczki, a w ruch może poszłyby nawet i pięści... Na szczęście obaj trzymali się od siebie z daleka, a komponenty korzystające z AC i DC na układzie Twojej płytki powinny brać z nich przykład. Trzymanie systemów AC i DC z dala od siebie na płytce drukowanej, zarówno jeśli chodzi o ich układy scalone (ang. chips), jak i ścieżki, pomoże zapobiec powstaniu tzw. „przesłuchów” pomiędzy tymi systemami. Jeśli Twój układ nie jest dość duży, aby fizycznie odseparować od siebie systemy AC i DC, możesz wyciąć otwór w płaszczyźnie uziemienia pomiędzy komponentami, które muszą zostać rozdzielone. Dodatkowy otwór w płaszczyźnie uziemienia spowoduje, że wszystkie prądy przepływające przez nią będą musiały go wyminąć. Strategiczne umieszczanie takich otworów pozwoli Ci na przekierowanie prądów w taki sposób, aby unikały one miejsc, w których znajdują się inne wrażliwe komponenty. Krótko mówiąc, nie krzyżuj ze sobą przewodów! Odpowiednie separowanie jest stosunkowo proste na mniej skomplikowanych układach, ale na nieco gęstszych staje się już sporym wyzwaniem dla większości projektantów. Podsumowując, zawsze staraj się separować prąd zmienny od prądu stałego, i to pomimo faktu, że czasem ciężko jest znaleźć optymalne rozwiązanie.
• Zasilanie: W każdej płytce PCB korzystającej z systemów AC i DC powinny znaleźć się osobne prowadnice dla rdzeni ferrytowych i komponentów, które wykorzystują prąd stały lub zmienny. Komponenty prądu stałego mogą czerpać skoki napięcia z zasilacza, co tworzy przejściowe napięcie na całym układzie. I choć komponenty prądu zmiennego mogą (lub też nie – zależy od elementu) działać w stanie takiego przejściowego napięcia, tak z całą pewnością nigdy nie będą wówczas pracowały ze swoją maksymalną wydajnością. Jeśli napięcie przejściowe jest zbyt duże, może ono nie tylko spowodować pojawienie się błędów w komponentach AC, ale też uniemożliwić działanie całego obwodu. Być może posiadanie osobnych zasilaczy nie jest najwygodniejszym rozwiązaniem, ale na pewno jest lepsze od układu płytki PCB, który zwyczajnie nie działa.
• Uziemienie: Jak powszechnie wiadomo, uziemianie obwodów AC/DC jest skomplikowanym zagadnieniem. Zbyt skomplikowanym, aby całkowicie omówić je w niniejszym artykule. Mogę jednak podzielić się pewną wskazówką: zawsze sprawdzaj bieżące ścieżki powrotu na swoim układzie, zarówno przy siatkach, jak i płaszczyznach uziemienia. Pamiętaj, że tak jak prądy stałe będą podążały ścieżką impedancji o najmniejszym oporze czynnym (rezystancji), tak prądy zmienne będą biegły ścieżką impedancji o oporze biernym (reaktancji). W przypadku powrotu AC, droga najmniejszego oporu biernego zawsze znajduje się tuż pod ścieżką. Ścieżki powrotne mają kluczowe znaczenie, ponieważ łatwo o nich zapomnieć w fazie projektowania. Zawsze więc sprawdzaj pieczołowicie swoją płaszczyznę uziemienia i kontroluj bieżące ścieżki powrotu zarówno prądu zmiennego, jak i stałego. Omawiana wcześniej kwestia „separowania” również znajduje tutaj zastosowanie. Nigdy nie krzyżuj ze sobą przewodów, nawet jeśli są one niewidoczne!
• (Nie-)Mostkowanie: Jeśli zastosujesz się do wszystkich powyższych (doskonałych zresztą) rad, które mam do zaoferowania, będziesz mieć już całkiem nieźle wyizolowane od siebie systemy AC i DC. Teraz, gdy w którejś z Twoich płaszczyzn zauważysz jakieś otwory i zechcesz je mostkować - nie rób tego! Cały ten artykuł mówi o izolowaniu systemów prądu zmiennego od systemów prądu stałego, a ta jedna mała rzecz mogłaby pogrzebać wszystko to, czego Cię dopiero nauczyliśmy!

Jak oprogramowanie może pomóc w separowaniu sygnałów AC/DC?

Powyższe zasady są niezłym punktem wyjścia, ale nie można tutaj działać ad hoc, czyli bez dobrego planu wdrożenia. Z pomocną dłonią przychodzi najlepsze oprogramowanie wykorzystywane przy projektowaniu płytek drukowanych. Dobrą izolację można uzyskać, programując projekty obwodów płytki PCB osobnymi kolorami. Bardzo pomaga to w śledzeniu systemów AC i DC, gdy na projekcie oznaczone są one swoimi indywidualnymi kolorami. Dzięki temu masz pewność, że są one od siebie odseparowane zarówno pod względem fizycznym, jak i elektrycznym. Koniecznie zapoznaj się z dokumentacją CircuitStudio® od Altium, aby zobaczyć, jak to zrobić. Dla bardziej zaawansowanych użytkowników funkcja programowania kolorami jest dostępna również w programie Altium Designer®.

Gdy kiedykolwiek jeszcze przypomnisz sobie dawne czasy, kiedy to genialni wynalazcy szli łeb w łeb w wyścigu o dominację elektryczną, pamiętaj o tym, że integralność sygnałów AC i DC na układzie płytki drukowanej robi dokładnie to samo – prądy walczą ze sobą, a każdy z nich ma na celu dominację nad drugim. Jednak zamiast bezczynnie przyglądać się tej wojnie, róbmy wszystko, aby na naszej płytce PCB panował pokój.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Altium

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 14 marca 2024. Zapisz się już dziś!