بهبود طراحی بردهای مدارچاپی ( PCB ) برای سازگار شدن با محیط های دارای امواج الکترومغناطیس موضوعی مهمی است که امروزه بایستی مورد توجه کلیه طراحان قرار گیرد. تداخل الکترومغناطیسی یا EMI ( مخفف Electromagnetic Interference ) به انتشار امواج الکترومغناطیسی ناخواسته دلالت دارد که موجب تداخل سیگنالها و تخریب آن ها می گردد. سازگاری الکترومغناطیسی یا EMC ( مخفف Electromagnetic Compatibility ) به توانایی عملکرد صحیح یک سیستم یا دستگاه در حضور امواج الکترومغناطیسی دلالت دارد. در بخش قبلی با مفاهیم اولیه ای نظیر نویز ( Noise )، سازگاری الکترومغناطیسی ( EMC ) و تداخل الکترومغناطیسی ( EMI ) آشنا شدیم. در این بخش در ادامه مباحث قبلی به اصول پایه ای EMC/EMI در طراحی PCB مدارهای الکترونیکی خواهیم پرداخت. در صورتی که بخش قبلی را مطالعه نکردید به مقاله زیر مراجعه نمایید:
اصول مهندسی سازگاری الکترومغناطیس و راهنمای اخذ گواهینامه EMC
مسیر نويز ( Noise Path )
همانطور که در بخش قبل گفتیم نویز می تواند باعث ایجاد تداخل شود. اما قبل از این که نویز تبدیل به تداخل شود و قابلیت تخریب پیدا کند بایستی سه ویژگی داشته باشد. نمودار بلوکی مسیر نويز در شکل زیر نشان داده شده است. چنانچه مشاهده می‌شود، سه عنصر براي ايجاد تداخل لازم است. (1) وجود منبع نويز (2) مدار پذیرنده تأثیرپذیر از نويز و (3) مجرای پيوندی بین این دو برای انتقال نویز از منبع به پذیرنده
علاوه بر اين، ويژگی های نويز بايد به گونه ای باشد که در فرکانسی ( Frequency ) که گيرنده تأثیرپذیر است منتشر شده، دامنه ( Amplitude ) کافی براي اثر کردن روی پذیرنده را داشته باشد و در زمانی ( Time ) باشد که پذیرنده به نويز تأثیرپذیر است. بنابراین مشخصه‌های مهم نويز، فرکانس، دامنه و زمان یا به اختصار FAT است.
مرحله اول در تحليل مشکل نويز، تعریف مسئله است. این کار به‌وسیله تعيين منبع نويز، پذیرنده، کانال پیوند و مشخصه های نويز (FAT) انجام می‌شود. چنين برمی آيد که برای قطع مسير نويز سه راه وجود دارد:
(1) ويژگي های نويز در منبع تغيير داده شود،
(2) پذیرنده غیرحساس به نويز ساخته شود،
(3) انتقال از طريق مجرای پیوندی را بتوان حذف يا كمينه کرد.
در برخي موارد، فنون حذف نويز باید شامل دو يا هر سه راه یاد شده شود.
در مورد مشکل انتشار، ما بیشترین اصلاح را در منابع تشعشعی به‌وسیله تغيير ويژگي های فرکانس، دامنه يا زمانشان انجام می دهيم. برای مشکل تأثیرپذیری، ما احتمالاً به اصلاح پذیرنده برای افزايش ایمنی‌اش به نويز توجه می‌کنیم. در بسیاری از موارد، اصلاح منبع يا پذیرنده عملی نيست، که در آن موقع تنها انتخاب کنترل کردن مجرای پیوند باقی می ماند.
به‌عنوان يک مثال، موتور dc پوشش‌شده شکل زیر که به مدار رانش موتوری خود متصل شده است را در نظر بگيريد. نويز موتور، روي مدار سطح پايينی كه در همان وسيله قرار دارد، تداخل ايجاد می‌کند. نويز جابه‌جاگر (کموتاتور) از طريق سيم‌های موتور به مدار رانش در خارج از پوشش هدايت شده و از طريق اين سيم‌ها به مدار سطح پايين تشعشع می كند.
در اين مثال، منبع نويز، قوس‌‌های بين جابه‌جاگر و جاروبك‌ها است. مجرای پيوند دو بخش دارد: هدايت از طريق سيم‌های موتور و تشعشع از آنها. پذيرنده هم مدار سطح پايين است. در اين حالت، كار زيادی در مورد منبع يا پذيرنده نويز نمی توان انجام داد. بنابراين حذف تداخل بايد از طريق قطع مجرای پيوند صورت گيرد. يعني بايد از هدايت نويز از طريق سيم‌ها به خارج از پوشش يا از تشعشع آن جلوگيری کرده يا هر دو كار را انجام داد.
روش‌های پیوند نويز ( Noise Coupling )
پیوند نويز هدایتی ( Conductive )
يكي از راههای بديهی ولي غالباً دور از توجه، پيوند نويز با يک مدار از طريق سيم‌های رابط است. يك سيم در محيط نويزی مي‌تواند نويز را دريافت كرده و به داخل ساير مدارها هدايت كند و بدين طريق موجب تداخل شود. راه‌حل اين مشكل، جلوگيری از دريافت نويز توسط سيم يا حذف نويز از روی سيم قبل از ايجاد تداخل در مدارهای تأثیرپذیر است که اين كار با فیلتر کردن انجام می‌شود.
انتقال نويز از طريق سيم‌های تغذيه، يكي از مثال‌های بارز در اين مورد است. اگر طراح مدار، كنترلي روي منبع تغذيه نداشته باشد يا اگر دستگاه‌های ديگري هم به منبع تغذيه متصل باشند، بايد قبل از ورود نويز به مدار، نويز روی سيم‌ها پيوندزدايی یا فیلتر شود. مثال دوم نويز پيوند شده داخل يا بيرون محفظه پوشش شده به‌وسیله سیم‌های عبوري از محفظه است.
پیوند نویز امپدانس مشترک ( Common Impedance )
پیوند امپدانس مشترک زمانی اتفاق می افتد که جريان های دو مدار مختلف از امپدانس مشترکی عبور كنند. در اين حالت افت ولتاژ روی امپدانس مشترك، از طرف هر دو مدار ديده می‌شود. اين نوع پیوند معمولاً در سيستم تغذيه يا زمين اتفاق می افتد. مثال بارز اين نوع پيوند در شكل زیر نشان داده شده است.
جریان‌های زمين 1 و 2 هر دو از ميان امپدانس مشترک زمين جاری مي شوند. از ديد مدار 1، پتانسيل زمين آن توسط جريان زمين مدار 2 در امپدانس زمين مشترك مدوله می‌شود. بنابراين بخشي از سيگنال نويز از مدار 2 به مدار 1 و برعکس از طريق اين امپدانس زمين مشترك پيوند می‌شود.
مثال ديگري از اين مشکل، مدار توزيع تغذيه شكل زیر است. به خاطر امپدانس های مشترک خطوط منبع تغذيه و امپدانس درونی منبع تغذيه، هر تغيير در جريان منبع به‌وسیله مدار 2، بر ولتاژ پایانه‌های مدار 1 تأثیر خواهد گذاشت. براي اصلاح اين مدار میتوان سيم‌های مدار 2 را به پايانه خروجی منبع تغذيه نزديک کرد که با اين روش امپدانس مشترك خط كاهش خواهد يافت. در اين حالت هنوز هم پيوند ناشی از امپدانس داخلی منبع تغذيه كه در هر دو مدار مشترك است، وجود دارد.
پیوند نویز ميدان الکتريکی و مغناطيسی ( Electric/Magnetic Field )
تشعشع ميدانهای الكتريكی و مغناطيسی يكی ديگر از راههای پيوند نويز است. تمام عناصر مدار ازجمله هادی‌ها، هنگام عبور بار الكتريكی، ميدان‌هاي الکترومغناطيسی تشعشع می‌کنند. علاوه بر اين تشعشع غیرعمدی، مشکل تشعشع عمدی از منابعي مانند ايستگاه‌‌های فرستنده و فرستنده‌هاي راداری نيز وجود دارد. وقتي گيرنده، نزديك به منبع باشد (ميدان نزديك)، ميدان‌هاي الكتريكی و مغناطيسی جداگانه در نظر گرفته می شوند. ولي وقتی گيرنده از منبع دور باشد (ميدان دور)، حاصل تركيب اين دو ميدان الكتريكی و مغناطيسی يعنی تشعشع الكترومغناطيسی، در نظر گرفته خواهد شد.
منابع نويز متفرقه
فعاليت گالوانيکی
اگر از فلزات نامشابه در مسير سيگنال مدار سطح پايين استفاده شود، ممكن است در اثر فعاليت گالوانيكی، ولتاژ نويزی بين دو فلز به وجود آيد. وجود رطوبت يا بخار آب در محل اتصال، يك سلول مرطوب شيميايي (زوج گالوانيکی) تشكيل می دهد. ولتاژ ایجاد شده به جنس دو فلز و موقعيت آنها در سری گالوانيكی بستگی دارد. (مطابق جدول زیر). بدین‌صورت كه هر چه محل قرارگيری دو فلز در جدول از هم دورتر باشد، ولتاژ ایجاد شده بيشتر خواهد بود. بنابراين در صورت يكسان بودن دو فلز، ولتاژ نويزی به وجود نمی‌آید.
اتصال دو فلز مختلف، علاوه بر ايجاد ولتاژ نويز، موجب خوردگی محل اتصال نيز می‌شود. خوردگی گالوانيكی موجب انتقال يون‌های مثبت از يك فلز به فلز ديگر شده و اين موجب از بين رفتن تدريجی فلز آند می‌شود. سرعت خوردگی به ميزان رطوبت محيط و فاصله دو فلز در سری گالوانيكي بستگي دارد. هر چه فلزات در اين سری از هم دورتر باشند سرعت انتقال يون‌ها بيشتر خواهد بود. يكي از اتصالات نامطلوب ولی معمول، اتصال بين آلومينيوم و مس است. در اثر اين اتصال در نهايت آلومينيم خورده شده و از بين خواهد رفت. اما اگر مس با قلع و سرب لحیم‌کاری روکش شود، به دليل نزديکی آلومينيم و قلع و سرب لحيم‌کاری در سری گالوانيكی، اين خوردگی بسيار كندتر خواهد شد.
براي شروع فعاليت گالوانيكی 4 عامل زير لازم هستند:
- جنس آند (رديف بالاتر در جدول 1-13)
- الكتروليت (معمولاً به‌صورت رطوبت موجود است)
- جنس كاتد (رديف پايين‌تر در جدول 1-13)
- اتصال الکتريکی رسانا بين دو آند و كاتد (معمولاً به‌صورت مسير نشتی ظاهر می‌شود).
فعاليت گالوانيکی حتی زمانی که رطوبتی بين آند و کاتد وجود ندارد نيز به وجود می آيد. تنها مقداری رطوبت روی سطح، جايي که دو فلز مطابق شكل زیر به هم متصل می شوند، لازم است.
همانطور كه در جدول 1-13 ديده می‌شود، فلزات سری گالوانيکی به 5 گروه تقسيم می شوند. اگر ناچار به اتصال فلزات مختلف به هم باشيم، بهتر است كه اين فلزات از يك گروه انتخاب شوند. اگر محصول در يک محيط درونی بي خطر به کار رفته باشد، معمولاً فلزات از گروه های مجاور میتوانند با هم استفاده شوند.
روش‌های ديگر کمینه سازی خوردگی بين دو فلز متفاوت عبارت‌اند از:
- ماده کاتد تا حد امکان کوچک باشد.
- روکش با یکی از مواد برای تغییر گروه که در سطح تماس است.
- پوشش سطح پس از اتصال براي جلوگيری از رطوبت سطح.
فعاليت الکتروليتی
دومين نوع خوردگی به دليل فعاليت الكتروليتی است، که در اثر عبور جريان مستقيم از دو فلز و الكتروليت بين آنها (که می تواند اندكی رطوبت اسيدی محيط باشد) ايجاد می‌شود. اين نوع خوردگی بستگی به جنس دو فلز ندارد و حتی برای دو فلز يكسان نيز رخ می‌دهد. سرعت خوردگی به مقدار جريان و ضريب هدايت الكتروليت بستگی دارد.
اثر تريبوالكتريك
اگر دی‌الکتریک كابلي نتواند با هادی داخلی آن به خوبی در تماس باشد، مقداری بار الكتريكی روی دی‌الکتریک داخل كابل به وجود می‌آید كه به آن اثر تريبوالكتريك می‌گویند. اين مسئله معمولاً در اثر خمش‌هاي مكانيكي كابل رخ می‌دهد. بار ایجاد شده به‌صورت منبع ولتاژ نويزی داخل كابل عمل خواهد كرد. براي كاهش اين اثر بايد تا حد امكان از حركت كابل و خم کردن آن اجتناب شود. نوعي كابل “كم نويز” نيز وجود دارد كه در آن از طريق شيميايی، امكان ايجاد چنين باری را روی دی‌الکتریک، كاهش می دهد.
حرکت هادی
اگر سيمی داخل ميدان مغناطيسی حركت كند، ولتاژی دو سر آن القا خواهد شد. به دليل وجود خطوط تغذيه و مداراتی كه جريان زيادی از آنها عبور می‌کند، ميدانهای مغناطيسی پراكنده در اغلب محيط‌ها وجود دارد. اگر سيمی با يك سيگنال سطح پايين، در اين ميدان حركت كند، ولتاژ نويزی روی اين سيم القا می‌شود. اين مسئله به‌خصوص در محيط‌هاي مرتعش مشکل‌ساز است. راه‌حل اين مسئله بسيار ساده است و فقط کافی است كه توسط بست كابل و ديگر وسايل مهارکننده از حرکت سيم جلوگيري كنيم.
استفاده از نظريه شبکه
براي پي بردن به رفتار دقيق هر مدار الکتريکی، بايد معادلات ماكسول را حل کرد. اين معادلات توابعی از سه متغير مكان (x,y,z) و زمان (t) – بعد چهارم مسئله – هستند. اما حل ساده‌ترین مسائل از اين طريق، بسيار پيچيده است. براي اجتناب از اين پيچيدگی، در اغلب رويه‌های طراحی، از تکنيکی تقريبی به نام “تحليل مدارهای الكتريكی” استفاده می‌شود.
تحليل مداری، متغير‌های مكان را حذف كرده و حل تقريبی را تنها به‌صورت تابعی از زمان یا فرکانس ارائه می‌کند. در تحليل مداری فرض بر اين است که:
1) همه ميدان های الکتريکی درون خازن‌ها محدود مي شوند.
2) همه ميدانهای مغناطيسی درون القاگرها محدود مي شوند.
3) ابعاد مدارها در مقايسه با طول موج‌های مورد نظر کوچک هستند.
همچنين از هر ميدان خارجی هم، در حل شبكه صرف‌نظر می‌شود؛ اما براي بررسی اثر ميدانهای خارجی روی ساير مدارات، الزاماً نبايد از آنها صرف‌نظر كرد.
براي مثال، يك تقویت‌کننده 100 وات ممكن است 100 میلی وات تشعشع كند. تا وقتی خود تقویت‌کننده را بررسی می‌کنیم از اين 100 میلی وات میتوان به‌طور كامل صرف‌نظر كرد. ولی اگر تنها درصد كمی از اين توان تشعشع يافته در ورودی يک تقویت‌کننده حساس قرار گيرد، می تواند نويز بزرگی ايجاد كند.
هرچند 100 میلی وات انتشار تشعشعی کاملاً برای تقويت کننده توان 100 وات قابل اغماض است، ولی یک گيرنده راديويی حساس، تحت این شرايط واقعی، ممکن است که قادر به دریافت سيگنال از هزاران مايل دورتر باشد.
در حد امكان، مجرا‌های پيوند نويز را به‌صورت شبکه‌ای از عناصر فشرده معادل نشان می دهيم. برای مثال، ميدان الكتريكی متغير با زمان موجود بين دو هادی را به‌صورت خازن متصل‌شده بين آنها نشان می‌دهیم (شكل 1-12) و ميدان مغناطيسی متغير با زمان پيوندی بين دو هادی را توسط اندوكتانس متقابل بين دو مدار مدل می‌کنیم (شكل 1-13).
براي صحت این روش، بايد ابعاد فيزيكی مدارات در مقايسه با طول موج سیگنال‌های مورد نظر، كوچك باشند. در بيشتر بخش‌های اين كتاب چنين فرضی کرده‌ایم كه معمولاً فرض قابل قبولی است.
حتی اگر اين فرض کاملاً درست نباشد، نمايش مدار معادل به‌صورت عناصر فشرده به دلايل زير، هنوز هم مفيد است:
1) حل معادلات ماكسول براي اغلب مشکلات نويز در دنياي واقعی، به دليل شرايط مرزی پيچيده، عملی نيست.
2) اگرچه نمايش عناصر فشرده لزوماً جواب عددی درستی نمی‌دهد ولی به‌روشنی وابستگی نويز به پارامتر‌هاي سيستم را نشان می‌دهد؛ درحالی‌که حل معادلات ماكسول، حتی اگر ممكن باشد، اين وابستگی را به‌وضوح نشان نمی دهد.
3) معمولا برای حل مشکل نويز، پارامتری از سيستم بايد عوض شود و تحليل مدار فشرده وابستگی پارامتری را متوجه می سازد.
به‌طورکلی به‌جز برای اشكال هندسی خاصی، محاسبه مقادير عناصر فشرده با هر دقتی، بسيار مشكل است. ولی همین‌که وجود آنها را تشخيص داده و همان‌گونه که نشان خواهيم داد، حتي اگر مقادير آنها به‌طور كيفی هم تعيين شوند، بازهم نتايج مفيدی خواهند داشت.
زمین سازی مدار ( Grounding )
زمین یکی از راههای اصلی کاهش نویز های ناخواسته و ایجاد یک سیستم ایمن می باشد. در همه مدارها وجود زمین خوب ضروری است. زمین خوب سیستم را در برابر تداخل و تشعشعات الکترومغناطیسی ایمن می سازد. وقتی صحبت از زمین ( Ground ) به میان می آید، افراد مختلف برداشت های متفاوتی از این کلمه دارند. برخی از این برداشت ها عبارت است از:
- میله ارت 8 فوتی که یک سر آن در زمین است و برای محافظت در برابر صاعقه به کار می رود.
- سیم ایمنی سبز رنگ که در سیستم های AC وجود دارد.
- صفحه زمین که در درون PCB قرار دارد.
- خطوط باریک روی PCB که مسیر سیگنال برگشتی را تشکیل می دهد.
همه این برداشت ها به نوعی درست هستند اما زمین را میتوان به دو دسته زیر تقسیم کرد:
- زمین ایمنی ( Safety Ground )
- زمین سیگنال ( Signal Ground )
زمین ایمنی ( Safety Ground )
در این نوع زمین در حالت عادی جریانی عبور نمی کند و جریان هنگامی عبور می کند که خطا ( Fault ) نظیر اتصال کوتاه رخ دهد. برای مثال زمین بدنه ( Chassis Ground ) را در نظر بگیرید. این نوع زمین به منظور ایمنی تعبیه شده است و توسط یک سیم زمین بدنه به زمین مدار متصل می گردد اما از زمین بدنه در حالت عادی جریانی عبور نمی کند.
در سیستم های حمل و نقل نظیر خودرو، هواپیما بزرگترین رسانا ( بدنه دستگاه ) به عنوان زمین بدنه در نظر گرفته می شود.
زمین شاسی یا زمین بدنه، زمینی است که به بدنه فلزی وصل می شود. از زمین بدنه در حالت عادی جریان عبور نمی کند. زمین بدنه و زمین سیگنال معمولا در یک نقطه به هم متصل می شوند. بهترین نقطه برای اتصال این دو زمین به یکدیگر جایی است که کابل تغذیه وجود دارد. شکل زیر این موضوع را نشان می دهد.
بدنه شاسی به عنوان پوشش برای تشعشعات الکترومغناطیسی عمل می کند و میتواند اثری شبیه قفس فارادی را ایجاد نماید. توجه کنید که اگر بدنه به زمین مدار متصل نباشد ( Float باشد ) می تواند شبیه به آنتن عمل کند. این پدیده به دلیل وجود خاصیت خازنی میان برد و بدنه می باشد. شکل زیر این موضوع را نشان می دهد.
زمین سیگنال ( Signal Ground )
زمین سیگنال که به عنوان ولتاژ منفی یا رفرنس شناخته می شود به صورت زیر تعریف می شود:
“زمین یک مسیر برگشتی با کمترین امپدانس می باشد که از یک مصرف کننده شروع و به منبع ایجاد جریان منتهی می شود”
این تعریف نشان می دهد که بیشترین جریان برگشتی از مسیری که کم ترین امپدانس را دارد می گذرد و همچنین اختلاف پتانسیل بین دو نقطه جداگانه از زمین مدار را توجیه می کند. در حقیقت رابطه زیر میان ولتاژ و جریان مسیر زمین مدار برقرار است:
که در آن امپدانس به صورت حاصل جمع مقاومت – بخش حقیقی امپدانس – و راکتانس ( Reactance ) بخش موهومی امپدانس می باشد. نمودار امپدانس بر اساس فرکانس در شکل زیر به صورت نقطه چین مشاهده می شود. همانطور که مشاهده می کنید زمانی که فرکانس از 1Khz تا 1Mhz بالا می رود، اندوکتانس ( XL ) به صورت خطی افزایش می یابد.
همانطور که مشاهده می کنید برای فرکانس های بالاتر از 100Khz یک مقاومت AC به دلیل اثر پوستی بوجود می آید که در حقیقت اثر فرکانس بر روی امپدانس خط می باشد. این اثر باعث می شود که در مدارهای فرکانس بالا مسیر جریان متفاوت شود. شکل زیر این موضوع را نشان می دهد.
همانطور که مشاهده می شود جریان در فرکانس پایین کوچکترین مسیر را برای برگشت انتخاب کرده است. اما وقتی فرکانس بالا می رود مسیر برگشت از مسیر با کمترین اندوکتانس بسته می شود. بنابراین مسیر برگشت از زیر مسیر اصلی جریان بسته می شود.
سه اصل اساسی زیر را در هنگام طراحی زمین مدار در نظر گیرید:
- در مسیر برگشت جریان نباید وقفه یا پیچیدگی وجود داشته باشد. ( به همین علت است که در بردهای چند لایه یک لایه را به زمین مدارد اختصاص می دهند که بسیار بهتر از بردهای دولایه دارای پالیگان هستند )
- از کوتاه ترین مسیر و کوچکترین حلقه برای جریان برگشتی استفاده شود. مسیر جریان هر چه کوتاه تر شود، تشعشات کمتر می شود.
- به اثرات زمین های مشترک بر روی هم توجه کنید. برای مثال زمین آنالوگ و زمین دیجیتال و زمین بخش های حساس دیگر باید از هم جدا باشند.
زمین های تک و چند نقطه ای
برای محدوده های فرکانسی DC تا کمتر از 100Khz میتوان از مسیرهای برگشتی سریال استفاده کرد. در این گونه مسیرها جریان یک بخش روی بخش بعدی انباشته می شود. اما در فرکانس های بالاتر بایستی از مسیرهای موازی یا ستاره ای استفاده کرد. در این گونه مسیرها جریان هر بخش جداگانه به زمین می رسد و دیگر روی هم انباشته نمی شود. شکل زیر این دو روش را نشان می دهد.
اما در فرکانس های بالاتر از 100Khz به دلیل وجود خاصیت خازنی، زمین های تک نقطه ای تبدیل به زمین های چند نقطه ای می گردد. بنابراین وقتی فرکانس سوئیچینگ در مدارهایی که دارای میکروکنترلر هستند افزایش می یابد بهتر است چندین زمین مجزا وجود داشته باشد. این موضوع برای PCB های 4 لایه میتواند به راحتی اتفاق بیوفتد اما در PCB های دو لایه سخت است. به همین دلیل در PCB های دو لایه EMC نمی تواند بهبود چندانی پیدا کند.
زمین دیجیتال ( Digital Ground )
زمین دیجیتال به زمین مدارات دیجیتال گفته می شود. در مدارهای دیجیتال به دلیل اینکه اغلب فرکانس بالا هستند میتوانند خود به صورت منبع تولید نویز عمل کنند. همچنین سیگنال های دیجیتال، سیگنال هایی مربعی شکل هستند و لبه های تیز آن ها دارای هارمونیک های با فرکانس بالا هستند. پهنای باند یک سیگنال دیجیتال از رابطه زیر محاسبه می شود:
برای مثال اگر زمان صعود یک موج مربعی 1 نانو ثانیه باشد، پهنای باند این موج در یک بازه 318 مگاهرتزی قرار می گیرد. در خارج از این باند فرکانسی هارمونیک ها 40dB/decade کاهش می یابند.
در مدارهای دیجیتال دو منبع داخلی وجود دارد که عبارت است از:
- خازن بار به همراه خازن پارازیت ناشی از مسیر: زمانی که گیت ها سوئیچ می شوند این خازن ها شروع به شارژ/دیسشارژ می کنند و موجب بوجود آمدن جریان گذرای بالا در خروجی می شوند. شکل زیر این موضوع را نشان می دهد.
- ترانزیستور CMOS با آرایش Totem-Pole : در این آرایش از یک ماسفت P-channel و یک ماسفت N-channel استفاده شده است. زمانی که هر دو ماسفت برای یک لحظه روشن می شوند، جریان گذرای بالایی را در دیگری ایجاد می کنند.
بنابراین در مدارهای دیجیتال منابع نویز همانند دو منبع نویز بالا وجود دارد. راه حلی که به منظور کاهش اثر این منابع وجود دارد یکی استفاده از خازن دکاپلینگ ( Decoupling Capacitor ) در نزدیکی تغذیه کلیه آی سی های دیجیتال و دیگری کاهش اندوکتانس زمین می باشد. خازن دکاپلینگ با ذخیره انرژی باعث کاهش سرعت بالا/پایین رفتن ولتاژ و در نتیجه بهبود جریان گذرای مدار می گردد. برای درک اثر کاهش اندوکتانس زمین فرمول زیر را در نظر بگیرید:
همانطور که در این فرمول مشاهده می شود، افزایش پهنای مسیر باعث کاهش اندوکتانس می شود. از آن جایی که اندوکتانس معادل n سلف یکسان برابر L/n است، میتوان به جای افزایش پهنای مسیر از مسیرکشی های موازی استفاده کرد. شکل زیر این موضوع را نشان می دهد.
این شکل نشان می دهد که مسیرکشی به صورت گرید ( Grid ) یا استفاده از صفحه زمین ( Ground Plane ) اندوکتانس را به طور محسوسی کاهش می دهد.
صفحات زمین ( Ground Planes )
در بردهای 4 لایه و بالاتر از صفحات زمین استفاده می گردد. استفاده از صفحات زمین باعث کاهش مسیر برگشتی و در نتیجه کاهش امپدانس و اندوکتانس مسیر می گردد. بسته به تعداد لایه ها میتوان از چندین صفحه زمین استفاده کرد. اگر یک صفحه زمین در لایه بالایی یا پایینی یک مسیر سیگنال وجود داشته باشد به آن میکرواستریپ می گوییم و اگر دو صفحه زمین هم در لایه بالایی و هم در لایه پایینی یک مسیر سیگنال وجود داشته باشد با آن استریپ می گوییم. شکل زیر تفاوت استریپ و میکرواستریپ را نشان می دهد.
همانطور که مشاهده می کنید، به علت وجود دو صفحه زمین در آرایش استریپ جریان برگشتی بسیار راحت تر و سریعتر اتفاق می افتد بنابراین از نظر EMC وضعیت بهتری دارد.
در صورتی که مدار شامل بخش های آنالوگ و دیجیتال باشد، بایستی زمین آنالوگ و زمین دیجیتال از یکدیگر جدا شود. سوالی که پیش می آید این است که این جداسازی بایستی چگونه انجام گیرد. آیا میتوان یکی از صفحات مدار را مانند شکل زیر به دو قسمت تقسیم کرد. جواب برای بردهای فرکانس بالا خیر است چرا که در صورت جداسازی زمین ها از یکدیگر زیر یک آنتن دو قطبی ساخته می شود.
در بردهای فرکانس بالا به دلیل اینکه صفحه زمین زیر صفحه سیگنال وجود دارد، مسیر برگشتی جریان در زیر مسیر بسته می شود و نیازی به جداسازی زمین آنالوگ و دیجیتال از هم نمی باشد و فقط کافی است که یک خط فرضی برای جداسازی بخش های آنالوگ و دیجیتال رسم شود و حواسمان باشد که هیچ مسیر آنالوگی از بخش دیجیتال عبور نکند و بالعکس نیز هیچ مسیر دیجیتالی از بخش آنالوگ عبور نکند.
در صورتی که از قطعات میکس ( Mixed-mode ) مانند مبدل های آنالوگ به دیجیتال ( ADC ) استفاده می شود این قطعات بایستی در وسط مابین بخش آنالوگ و دیجیتال برد قرار گیرند. شکل زیر این موارد را نشان می دهد.
توجه داشته باشید که برای آی سی های ADC دقیق ( یعنی رزولوشن بالای 18 بیت ) بایستی ایزوله سازی بیشتری صورت گیرد. علت این موضوع هم بخاطر تاثیر جریان برگشتی بر روی خطای خواندن ولتاژ از ADC می گذارد. جدول زیر را نگاه کنید. هر چه رزولوشن ADC بالاتر می رود، حساسیت به ولتاژ پایین تر می آید تا جایی که برای رزولوشن های بالای 18 بیت این حساسیت در حد میکرو ولت و نانو ولت می شود.
برای این دسته از مدارات نکات زیر را در نظر بگیرید:
- ایزوله کردن زمین آنالوگ مدار
- مسیرکشی بخش آنالوگ فقط از یک لایه
- قرار دادن صفحه زمین آنالوگ درست در زیر مسیر کشی های آنالوگ
- اتصال زمین دیجیتال و زمین آنالوگ به یکدیگر فقط از قسمت کانکتور ورودی
زمانی که از چندین آی سی ADC استفاده می شود یکی از راه های ایزوله کردن زمین های هر قسمت از هم برش دادن صفحه زمین به صورت شکل زیر است.
نکته دیگری که بایستی در نظر گرفته شود، کاهش اثر بارگذاری ( Loading ) در خروجی مدارهای آنالوگ و دیجیتال با استفاده از بافر می باشد. شکل زیر این موضوع را برای یک A/D Converter نشان می دهد.
همانطور که میبینید در مدار فوق از یک مقاومت سری ( بین 100 تا 500 اهم ) در خروجی مدار دیجیتال استفاده شده است. این مقاومت به همراه بافر بعد از آن اثر بارگذاری را به خصوص برای ADC های رزولوشن بالا کاهش می دهد.
مسیرهای جریان بالا برای بارهای اندوکتانسی نظیر رله، موتور، درایور، اینورتر و … میتواند باعث ایجاد نویز روی قسمت های دیگر مدار شود. برای این دسته از مسیرها بایستی جریان رفت و برگشت مجزا ترتیب داد. چرا که اگر مجزا نباشند باعث تداخل در قسمت های دیگر مدار می شوند. روش دیگر برای این دسته از مدارها استفاده از صفحه زمین دارای پل ( Bridge ) به صورت شکل زیر می باشد.
همانطور که مشاهده می کنید. کلیه سیگنال های جریان بالا از صفحه بالایی از روی پل صفحه زمین عبور کرده است و زمین مدار برای بخش های جریان بالا از زمین قسمت های دیگر مدار به پهنای پل محدود شده است. در راه حل بهتر با کمی هزینه میتوان سیگنال های دیجیتال عبوری از ناحیه پل در شکل فوق را با استفاده از اپتوکوپلر انتقال داد. شکل زیر این موضوع را نشان می دهد.
همانطور که در شکل فوق مشاهده می کنید زمین های جریان بالا از زمین دیجیتال به کلی جدا شده است و سیگنال های کنترلی از طریق اپتوکوپلر که در ناحیه وسط ( مابین دو زمین ) قرار گرفته است، انتقال می یابد.
توزیع صحیح توان
به منظور سازگاری الکترومغناطیسی تغذیه در مدارهای دیجیتال و آنالوگ بایستی مشابه زمین از یکدیگر جدا باشد. بنابراین بهتر است از صفحه تغذیه ( Power Plane ) استفاده شود. صفحه تغذیه بایستی مشابه صفحه زمین برای بخش های آنالوگ و دیجیتال از یکدیگر جدا شود. در صورتی که از قطعات میکس ( Mixed-mode ) مانند مبدل های آنالوگ به دیجیتال ( ADC ) استفاده می شود این قطعات بایستی در وسط مابین بخش آنالوگ و دیجیتال برد قرار گیرند. شکل زیر این موارد را نشان می دهد.
زمانی که سوئیچ زنی در مدارات دیجیتال اتفاق میوفتد، جریان گذرای موقتی در هر دو مسیر رفت و برگشت ایجاد می شود. این جریان باعث ایجاد ولتاژ نویز مابین VCC و GND می گردد. همچنین اگر جریان گذرا از یک حلقه بسته بزرگ عبور کند باعث ایجاد آنتن و به تبع آن ایجاد تشعشعات الکترومغناطیسی می گردد. بنابراین با قرار دادن خازن دکاپلینگ در نزدیک تغذیه بایستی حلقه جریان را کوچکتر کرد. شکل زیر این موضوع را نشان می دهد.
دو نوع جریان گذرا در آی سی های دیجیتال وجود دارد:
- جریان گذرای بار : که در مدارات دارای ورودی/خروجی نظیر درایورها و بافر ها این جریان، جریان غالب است.
- جریان داینامیک داخلی: که در مدارات دارای ترانزیستورهای زیاد مثل میکروکنترلرها، FPGA ها و DSP ها این جریان، جریان غالب است.
شکل زیر این دو جریان را در یک مدار نمونه نشان می دهد.
به منظور کاهش مشکلات جریان گذرا با قرار دادن خازن دکاپلینگ نزدیک آی سی میتوان محدوده لوپ را کاهش داد و با ذخیره انرژی در خازن شیب این جریان را کندتر کرد.
بایستی توجه داشت که کلیه خازن ها دارای اندوکتانس سری هستند بنابراین در حالت غیر ایده آل خازن دکاپلینگ تبدیل به یک سلف + خازن + مقاومت می شود. همچنین مسیر نیز دارای اندوکتانس می باشد و درون آی سی نیز اندوکتانس خود را دارد. شکل زیر این موضوع را نشان می دهد.
همانطور که مشاهده می کنید خازن دکاپلینگ در واقع مدار LC می باشد که در فرکانس خاصی رزونانس می کند. در این فرکانس امپدانس به کمترین حد خود می رسد شکل زیر این موضوع را نشان می دهد.
همانطور که در شکل فوق مشاهده می کنید، برای خازن 10 نانو حوالی 10 مگاهرتز امپدانس نزدیک صفر شده است. به منظور کاهش اثر اندوکتانس خازن دکاپلینگ، استفاده از چند خازن به صورت موازی با هم توصیه می شود. این کار باعث کاهش اثر سلفی-مقاومتی و افزایش اثر خازنی می گردد. چرا که ظرفیت معادل دو خازن موازی جمع ظرفیت آن دو می شود و برای دو سلف موازی اثر سلفی کوچکتر از هر دو سلف می شود. شکل زیر این موضوع را نشان می دهد.
همانطور که در شکل فوق مشاهده می کنید با افزایش تعداد خازن های دکاپلینگ نمودار امپدانس بر حسب فرکانس به سمت پایین ( امپدانس کمتر ) شیفت پیدا می کند. به همین دلیل است که برای آی سی های DIP و SO ( دو طرفه ) از حداقل دو خازن دکاپلینگ و برای آی سی های QFP ( چهار طرفه ) از حداقل چهار خازن دکاپلینگ بهتر است استفاده شود. ظرفیت این خازن ها معمولا بین 10 تا 100 نانوفاراد است. همچنین بایستی در نزدیک ترین مکان ممکن به پایه های VCC و GND آی سی قرار گیرند.
نکته مهم دیگر اثر وایا ( Via ) که در اطراف خازن دکاپلینگ قرار می گیرد بر روی اندوکتانس می باشد. شکل زیر این موضوع را نشان می دهد.
همانطور که در این شکل مشاهده می کنید، افزایش پهنای سیم کشی تاثیر کمی بر کاهش اندوکتانس دارد اما افزایش تعداد وایاها و نزدیک کردن آن ها به پد خازن تاثیر زیادی بر کاهش اندوکتانس گذاشته است.
امواج تشعشعی ( Radiated Emission )
در دنیای امروز مشکلات مربوط به تشعشعات الکترومغناطیسی اهمیت بالایی دارد. امواج تشعشعی که از مدارهای دیجیتال ساطع می شود بر دو دسته زیر هستند:
- امواج مد تفاضلی ( Differential Mode ) : این امواج در حالت کارکرد عادی به دلیل وجود حلقه ( Loop ) از مدار ساطع می شود.
- امواج مد مشترک ( Common Mode ) : این امواج به دلیل اثر پارازیت و دیگر ولتاژهای ناخواسته از مدار ساطع می شود.
امواج مد تفاضلی را میتوان به صورت یک آنتن لوپ ( Loop Antenna ) به صورت شکل زیر مدلسازی کرد.
همانطور که در شکل فوق مشاهده می کنید، میدان الکترومغناطیسی بوجود آمده در اطراف لوپ با مربع فرکانس، جریان و مساحت لوپ رابطه مستقیم دارد. بنابراین جهت کنترل امواج مد تفاضلی میتوان:
- کاهش دامنه جریان
- کاهش فرکانس هارمونیک های دربرگیرنده جریان
- کاهش مساحت لوپ
سوالی که در اینجا پیش می آید این است که بالاترین فرکانس در مدار کجاست. معمولا اسیلاتورها و کریستال های سازنده کلاک بیشترین میزان امواج را ساطع می کنند. لذا بایستی این المان های فرکانس بالا را تا حد ممکن به آی سی میکروکنترلر نزدیک کرد. این کار باعث کاهش لوپ می گردد. همچنین به هیچ وجه در این سیگنال ها از وایا استفاده نشود.
امواج مد مشترک را میتوان به صورت یک آنتن دو قطبی ( Dipole Antenna ) به صورت شکل زیر مدلسازی کرد.
همانطور که مشاهده می کنید این امواج بیشتر در کابل ها و صفحات زمین بوجود می آید و با جریان و فرکانس رابطه مستقیم دارد. به همین دلیل کنترل این امواج به مراتب سخت تر از امواج مد تفاضلی است. راه اصلی کاهش این امواج کنترل جریان عبوری می باشد و این یعنی استفاده از فریت بید ( Ferrite bead ) و سلف های مد مشترک که به آن چوک ( Choke ) نیز گفته می شود. به منظور کاهش امواج مد مشترک در کابل ها میتوان:
- کاهش ولتاژ زمین مدار
- استفاده از فریت بید و چوک در مد مشترک
- استفاده از کابل های به هم تابیده در سیگنال های تفاضلی
- شیلد بندی کابل
- ایزوله سازی کابل توسط ترانس یا اپتوکوپلر
بنابراین برای کنترل امواج مد مشترک و تفاضلی، در بخش تغذیه مدار زیر میان تغذیه و PCB توصیه می گردد.
چیدمان لایه ها ( Stack-up )
تعداد لایه ها در طراحی PCB، ترتیب آنها، فاصله بین لایه ها و جنس لایه ها ( FR4, Roggers و … ) از مواردی هستند که روی EMC به طور مستقیم تاثیر می گذارند. تعداد لایه ها با توجه به نوع و تعداد سیگنال های حساس در مدار، هزینه طراحی PCB، فرکانس کلاک و میزان تشعشع مورد نیاز تعیین می شود. از بردهای تک لایه و دولایه صرفا جهت کاهش هزینه در پروژه های فرکانس پایین و بدون نیاز به رعایت EMC استفاده می شود. شکل زیر چیدمان لایه ها در بردهای تک لایه و دولایه را نشان می دهد.
نمیتوان در بردهای دولایه از صفحه زمین استفاده کرد اما استفاده از پالیگان توصیه می شود. معمولا برای فرکانس های بالاتر از 10 مگاهرتز از بردهای چهار لایه و بالاتر استفاده می شود. اگر مداری را دو لایه طراحی کرده اید و همان مدار را با اضافه کردن صفحه GND و VCC به آن چهار لایه کنید حدود 20dB از میزان تشعشعات آن برد کاسته می شود. شکل زیر انواع مختلف چیدمان در بردهای چهار لایه را نشان می دهد.
همانطور که مشاهده می کنید، صفحه زمین، صفحه تغذیه و صفحه سیگنال میتوانند در لایه های 1 تا 4 قرار گیرند. این که از کدام چیدمان فوق استفاده کنید بسته به نیاز و کاربرد میتواند مزایا و معایب خاص خود را داشته باشد. اما نکته ای که بایستی در نظر گرفته شود عدم حذف صفحه زمین می باشد. صفحه زمین بایستی حداقل یک لایه کامل را به خود اختصاص دهد. برای بردهای 6 لایه و 8 لایه نیز چیدمان لایه ها میتواند به صورت شکل های زیر باشد.
نکته دیگر توانایی شرکت تولید کننده PCB برای ساخت چیدمان مورد نظر شما می باشد. برخی از شرکت ها چیدمان خاص خود را دارند و فقط در آن چیدمان خاص قادر به تولید PCB هستند. پس بهتر است قبل از تصمیم راجع به چیدمان ابتدا شرکت تولیدکننده PCB را انتخاب کنید و از آن ها بخواهید تا استانداردهای تولیدی نحوه چیدمان لایه ها را برای شما مشخص کنند.
چیدمان قطعات
یکی از موضوعات مهم در طراحی PCB چیدمان صحیح قطعات می باشد. در یک طراحی PCB اصولی و صحیح 90 درصد وقت طراح صرف جایگذاری صحیح قطعات می شود و فقط 10 درصد وقت به مسیرکشی قطعات تخصیص داده می شود. دلیل این موضوع هم مشخص است، چیدمان صحیح باعث کاهش مسیرکشی و کاهش تعداد وایا ها و در نتیجه بهبود EMC می گردد.
در هنگام چیدمان قطعات بایستی قسمت های مختلف مدار را بخش بندی کرد. قسمت هایی نظیر کلاک، میکروکنترلر، حافظه، مدارات فرکانس پایین، مدارات فرکانس بالا، مدارات تغذیه، مدارات ورودی/خروجی ها و … همگی بایستی در بخش های درستی قرار گیرند. مدارهای فرکانس بالا نباید در نزدیکی I/O ها قرار گیرند. کریستال ها و اسلاتور ها بایستی در نزدیکی آی سی های مربوط به خود قرار گیرند. شکل زیر مثالی از نحوه بخش بندی قسمت های مختلف روی برد را نشان می دهد.
ایمنی ولتاژ گذا ( Transient Immunity )
ایمنی به توانایی عملکرد سیستم در محیط های دارای امواج الکترومغناطیسی گفته می شود. ولتاژهای گذرا دو دسته هستند. دسته اول ولتاژهای گذرا با انرژی و ولتاژ کم نظیر امواج RF و دسته دوم ولتاژهای گذرا با انرژی و ولتاژ بالا نظیر ESD. بر این اساس استاندارد ایمنی اتحادیه اروپا ( EN 61000-6-1 ) سه معیار زیر برای خرابی محصولات الکترونیکی را در نظر گرفته است:
- معیار A : وقتی که تجهیز در طول تست و بعد از تست عملکرد عادی خود را داشته باشد.
- معیار B : وقتی که کارایی تجهیز در طول تست دچار کاهش شود اما بعد از تست به عملکرد عادی خود ادامه دهد.
- معیار C : وقتی که تجهیز در طول تست از کاربیوفتد اما بعد از تست عملکرد خود را بازیابی نماید.
امواج رادیویی ( RF ) به علت انرژی که دارند میتواند در مدارهای فرکانس پایین خصوصا در رگولاتورها و مدارهای دارای امپلی فایر تاثیرگذار باشند. در کاربردهایی که با امواج صوتی/تصویری در ارتباط هستند مانند تلفن، میکروفن، تلویزیون، امپلی فایرهای صوتی و … بایستی حذف شوند. برای حذف این انرژی از مدار ابتدا باید انرژی RF از مدار برداشته شود ( Picked up ) سپس انرژی RF اصلاح شود ( Rectified ). این کار باید در سه سطح آن تجهیز انجام گیرد. (1) در سطح کابل ها (2) در سطح بدنه (3) در سطح مدار داخلی
در سطح مدار داخلی رگولاتورها و درایورهای ورودی/خروجی ها حساس ترین مدارها هستند. برای این دسته از مدارها بایستی از فیلتر پایین گذر ( Low Pass Filter ) استفاده کرد. در سطح کابل ها در صورت رعایت مواردی همچون شیلدبندی کابل، استفاده از کابل های به هم تابیده در مد تفاضلی و و استفاده از چوک مد مشترک کفایت می کند. در سطح بدنه هم ایجاد قفس فارادی و اتصال بدنه به زمین از محل صحیح بایستی رعایت شود. مدارهای چهار لایه و بالاتر که دارای صفحات تغذیه و زمین هستند، از نظر ایمنی ولتاژ گذرا وضعیت به مراتب بهتری نسبت به PCB های دو لایه دارند. استفاده از خازن دکاپلینگ و خازن های با ظرفیت بالا ( Bulk ) در مدار باعث بهبود ولتاژ گذرا می شود.
مدار فیلتر پایین گذر شامل یک مقاومت یا سلف به صورت سری و یک خازن به صورت موازی می شود. شکل زیر مدار فیلتر پایین گذر را نشان می دهد.
مقاومت سری با خروجی بایستی دارای امپدانس بین 50 تا 100 اهم باشد. در مدارهایی که جریان بالا باشد و افت ولتاژ روی مقاومت قابل تحمل نباشد از سلف میتوان استفاده کرد. استفاده از سلف در مدارهای کمتر از 10 مگاهرتز منطقی تر است. برای فرکانس های بالاتر از 30 مگاهرتز به جای سلف میتوان از فریت بید استفاده کرد. شکل زیر مثال هایی از کاربردهای فیلتر پایین گذر می باشند.
سه نوع از ولتاژهای گذرا که انرژی بالایی دارند عبارتند از:
- تخلیه الکترواستاتیک یا ESD ( مخفف Electrostatic Discharge )
- ولتاژ گذرای سریع الکتریکی یا EFT ( مخفف Electrical Fast Transient )
- ولتاژ تخلیه رعد و برق یا Surge
در جدول شکل زیر این ولتاژ های گذرا و تفاوت آن ها نشان داده شده است.
حساس ترین مدارها که از این ولتاژهای گذرا تاثیر می پذیرند، مدارهای دیجیتال علی الخصوص مدارهای ریست، وقفه و سیگنال های کنترلی هستند. اگر این مدارها تحت تاثیر ولتاژ گذرا قرار گیرند باعث تغییر در حالت سیستم می شوند. برای حذف این ولتاژهای گذرا، از شبکه ای شامل یک المان سری و یک المان موازی به صورت شکل زیر استفاده می شود.
المان سری میتواند، مقاومت، سلف یا فریت بید باشد که به منظور محدود کردن جریان به کار می رود. المان موازی هم میتواند بسته به کاربرد دیود TVS، وریستور یا دیود زنر باشد. دیود های TVS ( مخفف Transient Voltage Suppressor ) نوع ویژه ای از دیودهای زنر هستند که برای جذب ولتاژ های گذرا طراحی شده است. دیودهای TVS دارای سه مشخه مهم زیر می باشد که در هنگام انتخاب به آن ها بایستی توجه شود:
- ولتاژ معکوس ( Reverse ) : ولتاژی که در حالت معکوس میتواند تحمل کند.
- ولتاژ کلمپ ( Clamp ) : ولتاژی که دیود TVS از آن ولتاژ بالاتر میتواند عمل کند.
- جریان پیک پالس ( Peak Pulse ) : حداکثر جریانی که میتواند دیود TVS از خود عبور دهد.
شکل زیر چندین کاربرد مهم از این دیودها را نشان می دهد.
به دلیل خاصیت خازنی دیودهای TVS، نمیتوان در سیگنال های سریعتر از 100MB/S از آن ها استفاده کرد. در سیگنال های سرعت بالا ( تا حداکثر 2Ghz ) میتوان از وریستور استفاده کرد. شکل زیر کاربرد وریستورها را در مدارهای سرعت بالا نشان می دهد.
برای محافظت از ولتاژهای Surge در خطوط تغذیه از دیودهای TVS، تیوب های GDT ( مخفف Gas Discharge Tube ) و وریستورهای متال اکسید MOV ( مخفف Metal Oxide Varistor ) استفاده می شود. شکل زیر کاربردهای این قطعات را نشان می دهد.
منبع : کتاب Electromagnetic Compatibility Engineering اثر Henry Ott
دیدگاهتان را بنویسید