Wróć

Sprawna transmisja danych lub sygnałów w urządzeniach wielopłytkowych - ochrona przed zakłóceniami

Oprócz wibracji, urządzenia wielopłytkowe bywają często narażone na zakłócenia elektromagnetyczne, które mogą zakłócać prawidłowe funkcjonowanie. Na co w takich przypadkach trzeba zwrócić baczną uwagę?
Opublikowano: 2021-07-13

Dążąc do miniaturyzacji urządzeń, konstruktorzy coraz częściej muszą projektować urządzenia modułowe składające się z kilku oddzielnych PCB. Dotyczy to nie tylko aplikacji dla użytku stricte konsumenckiego, ale także urządzeń pracujących w wymagających środowiskach przemysłowych. Oprócz wibracji, bywają one często narażone na zakłócenia elektromagnetyczne, które mogą zakłócać prawidłowe funkcjonowanie. Na co w takich przypadkach trzeba zwrócić baczną uwagę?

Projektanci elektroniki już doskonale potrafią sobie radzić z właściwym rozmieszczeniem komponentów, odpowiednim prowadzeniem ścieżek (gdzie pomocne dziś jest odpowiednie oprogramowanie specjalistyczne) a także wiedzą jak stosować metalizowane ekranowane osłony na najbardziej wrażliwe obwody. Często jednak borykają się z doborem właściwego rozwiązania połączeń w przypadku projektów wielopłytkowych. Okazuje się, że nie tak łatwo znaleźć komponenty, które zapewnią niezakłóconą transmisję pomiędzy poszczególnymi modułami.

Brak alternatywnego tekstu dla tego zdjęcia

Brak alternatywnego tekstu dla tego zdjęcia

Najpopularniejszą metodą transmisji danych jest komunikacja przy użyciu par różnicowych, gdzie sygnały są przesyłane za pomocą dwóch sąsiadujących styków. Wszelkie zakłócenia wpływające na sygnał w torze transmisji oddziałują na oba styki w prawie równym stopniu. Aby sygnał był mniej podatny na zakłócenia, pożądana jest identyczna konstrukcja współpracujących elementów złącza. Najlepszym rozwiązaniem okazuje się tu zastosowanie kontaktów hermafrodytycznych. Ale to nie wszystko. Obecnie projektując elektronikę, rozsądny konstruktor stara się przewidzieć każdy możliwy do wystąpienia problem aby móc mu zaradzić już na etapie projektowania. Tworzenie prototypu do sprawdzenia w laboratorium EMC w celu dokonywania niezbędnych korekt jest zarówno czasochłonne jak i kosztowne. Pomocne w tym przypadku są podawane przez nielicznych producentów niezbędne ku temu parametry macierzy rozproszenia (tzw. „parametry S”) opisujące właściwości np. złącza pracującego przy wysokich częstotliwościach transmisji. Pozwalają w szybki sposób zamodelować zachowanie się układu przy określonych zakłóceniach.

Szybkość transmisji wpływa także na tłumienność toru. Projektując układy dobrze jest wiedzieć czego można się spodziewać po elementach łączących płytki. Dzięki dostępnym wykresom obrazującym przebieg tłumienia w funkcji częstotliwości można dokonać właściwego wyboru dalszych założeń.

Innymi parametrami mającymi wpływ na stabilną transmisję są przesłuchy – NEXT i FEXT (także różne dla odmiennej konfiguracji wysokości złącz). Aby je zminimalizować należałoby rozsunąć możliwie najdalej sąsiednie pary sygnałowe, co nie zawsze jest możliwe. Ratunkiem jest w takim przypadku odpowiednie wykorzystanie dostępnych styków w wielobiegunowych złączach, rozdzielając sąsiadujące tory poprzez kontakty połączone z masą układu.

Impedancja falowa to kolejny czynnik, który musi być brany pod uwagę, gdyż także zależny jest od częstotliwości, przez co może wpływać na prędkość transmisji. Niedopasowanie impedancji toru względem odbiornika/nadajnika powoduje odbicia prowadzące do zakłóceń.

Mogłoby się wydawać, że nie ma potrzeby tworzenia aż tak wielu wariantów łączników – wystarczyłyby jedna lub dwie uniwersalne pary, aby pokryć dość szeroki zakres odległości między łączonymi płytkami. Nic bardziej mylnego.

Brak alternatywnego tekstu dla tego zdjęcia

Dopuszczalna maksymalna tolerancja +/- 1,5mm przy rozsunięciu pojedynczej pary także może wprowadzać dodatkowe tłumienie poprzez odbicia wywołane nachodzącymi na siebie stykami. Wszystko jest więc miarą kompromisu, ale odpowiednia wiedza w tym zakresie i umiejętność wykorzystania podawanych przez producenta parametrów pozwalają na skuteczną realizację założeń projektowanego urządzenia. Oczywiście, jeśli te dane są udostępniane, co niestety nie wszędzie jest regułą.

Złącza serii FP 0,8, zaprojektowane i produkowane przez firmę Phoenix Contact to tak naprawdę dwie wersje – ekranowana i nieekranowana.

Brak alternatywnego tekstu dla tego zdjęcia

Dzięki temu, w zależności od aplikacji, można osiągnąć kompromis pomiędzy wymaganymi prędkościami transmisji, odpornością na zakłócenia czy (co nie zawsze jest brane pod uwagę) dostępnością parku maszynowego przy seryjnej produkcji. O ile poprawność montażu złącza nieekranowanego można po przylutowaniu sprawdzić używając AOI (pady lutownicze są widoczne z zewnątrz), o tyle wersja ekranowana wymaga już sprzętu prześwietlającego PCB promieniami Roentgena.   

Brak alternatywnego tekstu dla tego zdjęcia

Niniejszy artykuł na pewno nie wyczerpuje szerokiego zakresu niezbędnych do przyswojenia informacji, nie mniej jednak mam nadzieję, że wskazuje kierunki do dalszych rozważań. W razie potrzeby uzupełnienia wiedzy sugeruję sięgnąć do bardziej specjalistycznych opracowań z zakresu ochrony przed zakłóceniami projektowanych układów elektronicznych. Uczymy się przez całe życie, nieprawdaż?  

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Phoenix Contact

Autor: Piotr Andrzejewski, Device Connectors Market Segment Manager in Phoenix Contact Polska