česky english Vítejte, dnes je neděle 29. listopad 2020

Výběr součástek při návrhu desky s ohledem na EMC

DPS 4/2015 | Vývoj - články
Autor: T. C. Lun, Freescale Semiconductor

Správný výběr součástek a kvalita návrhu desky jsou hlavními faktory, které ovlivňují chování desky plošných spojů z pohledu EMC. Každý typ součástky má svou vlastní charakteristiku, a proto její výběr vyžaduje při návrhu desky zvýšenou pozornost.

V tomto článku budou probrány otázky spojené s výběrem některých součástek s cílem omezit vznik elektromagnetické interference (EMI).

Pouzdra součástek

K dispozici jsou v podstatě jen dva typy –pouzdra s vývody a bez vývodů. Součástky s vývody mají parazitní efekty, zejména při vyšších frekvencích. Drátěný vývod vytváří indukčnost s malou hodnotou kolem 1 nH/mm na každý vývod. Zakončení vývodu způsobuje navíc malou kapacitu v hodnotě asi 4 pF. Z toho vyplývá, že délka vývodu by měla být co nejkratší.

V porovnání s vývodovými součástkami mají bezvývodové a SMD součástky menší parazitní účinky. Typicky se jedná o indukčnosti 0,5 nH s malou kapacitou pro zakončení spoje v hodnotě kolem 0,3 pF. Z pohledu EMC jsou SMD součástky preferované, následované radiálními vývodovými a teprve potom axiálními vývodovými.

Rezistory

Kvůli svým nižším parazitním vlastnostem jsou SMD rezistory vždy preferované před vývodovými. Z vývodových rezistorů mají přednost uhlíkové, následně metalické a nakonec drátové.

Metalické rezistory, které nabývají hlavních parazitních vlastností při relativně nízkých frekvencích (řádově v MHz), jsou vhodné ve výkonových obvodech nebo ve vysoce přesných obvodech.

Drátové rezistory mají vysokou indukčnost, a tak by neměly být použity v aplikacích citlivých na kmitočet. Jsou nejlepší ve výkonových obvodech.

V návrhu zesilovačů je volba rezistorů velmi důležitá. Při vyšších kmitočtech se impedance zvýší vlivem indukčnosti v rezistoru. Z tohoto důvodu by měly být rezistory určené pro nastavení zisku umístěné co nejblíže k zesilovacímu obvodu, čímž se minimalizuje indukčnost desky.

U obvodů s pull-up / pull-down rezistory vzniká zvonění signálu způsobené spínáním tranzistorů nebo IO. K omezení tohoto efektu pomůže umístění rezistorů co nejblíže k aktivní součástce a jejím napájecím vývodům, čímž se minimalizuje indukčnost plošného spoje.

V regulačních nebo referenčních obvodech musí být rezistor pracující se stejnosměrným proudem umístěn co nejblíže k aktivní součástce, aby se omezila vzájemná vazba, což vede ke zkrácení doby přechodové odezvy.

V síti RC filtrů musí být uvažován indukční efekt rezistorů, parazitní indukčnost drátového rezistoru může snadno způsobit místní oscilaci.

Kondenzátory

Výběr vhodného kondenzátoru není snadný pro jejich vlastnosti a široký sortiment. Nicméně kondenzátor je jednou ze součástek, která může vyřešit mnohé problémy s EMC. Dále si popíšeme jejich nejrozšířenější typy, charakteristiky a použití.

Hliníkové elektrolytické kondenzátory jsou většinou sestaveny ze spirálově navinuté metalizované fólie prokládané tenkou vrstvou dielektrika, což vede k vysoké kapacitě na jednotku objemu, ale zvyšuje vnitřní indukčnost součástky.

Tantalové kondenzátory jsou vyrobené z bloku dielektrika s přímou návazností na vývody, které zajišťují nižší vnitřní indukčnost, než je u hliníkových elektrolytických kondenzátorů.

Keramické kondenzátory jsou vytvořeny z vícenásobných paralelních kovových elektrod s keramickým dielektrikem. Dominantní parazitní veličinou je indukčnost elektrod, která výrazně ovlivňuje impedanci pro většinu typů v nižším MHz rozsahu.

Rozdíl ve frekvenční odezvě různých dielektrických materiálů rozhoduje o vhodnosti daného typu kondenzátoru pro určitou aplikaci. Hliníkové a tantalové elektrolytické kondenzátory jsou vhodné při velmi nízkých frekvencích jako zásobník energie a filtry. Keramické kondenzátory jsou vhodné pro střední frekvenční pásmo (od kHz do MHz) jako blokovací kondenzátory a filtry vyšších kmitočtů. Speciální keramické a Mica kondenzátory s velmi nízkou ztrátou (obvykle dražší typy) lze použít ve vysokofrekvenčních aplikacích a mikrovlnných obvodech.

Z pohledu EMC dosahují nejlepšího výsledku kondenzátory s nízkou hodnotou ESR (Equivalent Series Resistance), které zajišťují vyšší útlum signálů, zejména v oblasti frekvencí blízkých vlastnímu rezonančnímu kmitočtu daného kondenzátoru.

Filtrační kondenzátory

Hlavní úlohou filtračního kondenzátoru je odklonit nežádoucí AC složku tak, aby neovlivnila připojený obvod. Tento kondenzátor pracuje jako vysokofrekvenční filtr u napájecího zdroje. Obvykle jsou dobrou volbou hliníkové nebo tantalové kondenzátory. Jejich hodnota závisí na odběru proudu desky plošných spojů, ale většinou se pohybuje v rozsahu 10 až 470 μF. Větší hodnoty jsou vyžadovány na deskách s větším počtem integrovaných obvodů, rychle spínajících obvodů a u desek připojených k napájecímu zdroji přes delší vodiče.

Blokovací kondenzátory

Během spínání generuje součástka šum s vysokou frekvencí, který se šíří podél napájecích spojů. Úkolem blokovacích kondenzátorů je zajistit místní zdroj DC energie pro aktivní součástky, aby se omezil šum od rychlého spínání, který prostupuje celou deskou tak, že svede šum do země.

Ideálně by měly být filtrační a blokovací kondenzátory umístěny co nejblíže k přívodu napájení, aby pomohly odfiltrovat vysokofrekvenční šum. Hodnota blokovacího kondenzátoru bývá zhruba 1/100 až 1/1000 hodnoty filtračního kondenzátoru. Kvůli EMC by měly být blokovací kondenzátory umístěny co nejblíže ke každému IO, protože impedance plošného spoje zredukuje vliv blokovací funkce kondenzátoru.

Pro blokovací účely se obvykle vybírají keramické kondenzátory. Jejich správná hodnota závisí na době náběhu a sestupu nejrychlejšího signálu. Tak například při 33MHz hodinách použijte 4,7 až 100 nF, zatímco u 100MHz použijte 10 nF.

Při výběru blokovacího kondenzátoru hraje svoji roli kromě velikosti kapacity také nízká ESR. Pro blokovací účinky kondenzátoru je lepší použít kondenzátor s ESR hodnotou menší než 1Ω.

tab. 1

Vlastní rezonance kondenzátoru

Následující část stručně pojednává o způsobu výběru hodnoty filtračního a blokovacího kondenzátoru v závislosti na jejich vlastním rezonančním kmitočtu. Podle obr. 1 zůstává kondenzátor kapacitní až do vlastního rezonančního kmitočtu. Potom se kvůli délce svých vývodů a indukčnosti plošných spojů změní na indukční součástku. Tabulka 1 uvádí seznam vlastních rezonančních kmitočtů pro dva typy keramických kondenzátorů, jeden se standardními vývody o délce 6,5 mm s připojovací indukčností 3,75 nH a druhý SMT kondenzátor s připojovací indukčností 1 nH. Je vidět, že vlastní rezonanční kmitočet SMT provedení je dvakrát vyšší v porovnání s vývodovým kondenzátorem.

obr. 1

Jiným faktorem, který ovlivňuje účinnost blokovacího kondenzátoru, je jeho dielektrický materiál. Dva materiály běžně používané ve výrobě blokovacích kondenzátorů jsou barium titanate ceramic (Z5U) a strontium titanate (NPO). Z5U má větší dielektrickou konstantu s vlastním rezonančním kmitočtem od 1 do 20 MHz. NPO má nižší dielektrickou konstantu, ale vyšší vlastní rezonanční kmitočet (vyšší než 10 MHz). Z tohoto důvodu je Z5U vhodnější pro blokování nižší frekvence, zatímco NPO je lepší pro frekvence přes 50 MHz.

Je běžnou praxí použít dva blokovací kondenzátory paralelně. Takové provedení zajišťuje širší spektrální distribuci k potlačení spínacího šumu způsobeného rozvodem z napájecího zdroje. Vícenásobné blokovací kondenzátory zapojené paralelně mohou vylepšit potlačení VF proudů generovaných spínáním aktivní součástky o 6 dB.

Vícenásobné blokovací kondenzátory nezajišťují jenom širší spektrální distribuci, ale dodávají také širší plošný spoj, čímž se snižuje indukčnost vývodů. Účinnost blokování se tak výrazně zlepší. K zabezpečení účinného blokování se hodnoty obou kondenzátorů mají lišit o dva řády (například 0,1 μF + 0,001 μF zapojených paralelně).

V souvislosti s blokováním číslicového obvodu je třeba učinit poznámku. Nízká hodnota ESR je důležitější než vlastní rezonanční kmitočet, protože zajišťuje cestu k zemi přes nízkou impedanci, čímž umožňuje adekvátní blokování kondenzátorem, když ten začne být induktivní při kmitočtu vyšším, než je vlastní rezonanční kmitočet.

Indukčnosti

Indukčnost je součástka, která vytváří spojení mezi magnetickým a elektrickým polem, a je tudíž více ovlivnitelná než jiné součástky, protože má vlastní schopnost spolupracovat s magnetickým polem. Podobně jako kondenzátory mohou indukčnosti, pokud jsou rozumně použity, řešit problémy s EMC.

Existují v podstatě dva druhy indukčností: s otevřeným nebo uzavřeným magnetickým obvodem. Jejich rozdíl spočívá v toku magnetického pole ve smyčce. Při otevřeném magnetickém obvodu protéká magnetické pole vzduchem, zatímco u uzavřeného magnetického obvodu se magnetické pole uzavírá přes materiál jádra tak, jak je vidět na obr. 2.

obr. 2,3

Jednou z výhod indukčnosti v porovnání s kondenzátorem nebo rezistorem je, že nemá parazitní indukčnost, takže je velmi malý rozdíl mezi provedením s vývody a SMT.

Protože magnetické pole prochází u otevřeného magnetického obvodu vzduchem, způsobuje vyzařování do okolí a může způsobit EMI problémy. Při výběru tohoto druhu indukčnosti je klasický typ cívky (bobbin) lepší než cívka s válcovým jádrem nebo solenoidový typ (obr. 3), protože magnetické pole je kontrolováno jádrem.

V indukčnosti s uzavřeným magnetickým obvodem je magnetické pole zcela ovládáno jádrem. Proto je použití tohoto typu indukčnosti v návrhu obvodů vhodnější, i když se jedná o dražší řešení. Jednou z výhod toroidního tvaru indukčnosti s uzavřeným magnetickým obvodem není jen to, že se magnetické pole nachází pouze uvnitř jádra, ale také skutečnost, že je odolné vůči magnetickému poli, které se náhodně dostane k indukčnosti zvenku. Existují dva základní druhy materiálů jádra: železo a ferit. Cívky s železným jádrem jsou používány pro aplikace s nižším kmitočtem (desítky kHz), zatímco feritová jádra jsou používána ve vysokofrekvenčních aplikacích (do MHz). Z pohledu EMC jsou feritová jádra vhodnější.

Existují dva speciální typy indukčností, které jsou používány vyloženě v EMC aplikacích: cívky s průchozím feritovým jádrem ve tvaru válečku (feritové perly) a dělená feritová jádra pro přichycení na kabely a vodiče.

Cívka s feritovou perlou má jeden (nebo i několik) závitů navinutých skrze otvor jádra a přes vnější povrch s vývody na obou koncích jádra. Zajišťuje tlumení 10 dB na vyšších frekvenčních pásmech při nízkém útlumu na DC.

Dělená feritová jádra na kabelu či vodiči způsobují útlum 10 až 20 dB jak ve společném módu (common mode), tak v diferenčním módu ve vyšším MHz rozsahu.

V aplikacích DC-DC měničů musí mít indukčnosti nízké vyzařování a být schopné zvládnout vysoký saturační proud. Z tohoto důvodu mají indukčnosti tvaru klasické cívky (bobbin) pro tuto aplikaci vhodné charakteristiky. U napájecích zdrojů je potřeba použít LC filtr, který zajišťuje shodu impedancí mezi zdrojem s nízkou impedancí a digitálním obvodem s vysokou impedancí. Takový filtr je na obr. 4.

obr. 4,5

Jednou z nejpoužívanějších aplikací je síťový filtr AC, který je na obr. 5. Je zde tlumivka L1, která zajišťuje jak filtrování v režimu „common mode“pomocí své svodové indukčnosti, tak filtrování v diferenčním módu použitím své indukčnosti. L1, CX1a CX2tvoří diferenční filtr pro šum mezi napájecím vedením. L1, CY1a CY2tvoří filtr v režimu „common mode“, který snižuje šum od zemnicích smyček.

 

Partneři

eipc
epci
imaps
papouch
ep
mikrozone
mcu
projectik