Методы снижения уровня помех и их применение для снижения уровня помех в блоке питания системы кондиционирования воздуха на Международной космической станции

3.1 Измерение уровня помех в преобразователе тока

В данной работе было проведено исследование уровня помех платы управления, и их влияние на преобразователь тока блока питания. Из-за коммутационных процессов, которые происходят в рабочем режиме платы, возникают самые разные помехоэмиссиии.

Помехи распространяются очень быстро по цепи питания и как следствие сбивают работу компонентов. Так же по цепям питания протекает местами большой ток, который генерирует помеху.

Для проведения эксперимента использовался преобразователь тока БП СКВ и измерительный прибор - осциллограф Tektronix TDS 3054C.

Рисунок 28. Осциллограф Tektronix TDS 3054C.

Полоса частот 500 МГц; Частота дискретизации до 5 ГГц; 25 автоматических измерений; 9 битов разрешение по вертикали;

Поскольку нам необходимо определить влияние помех, исходящих из платы управления и влияющих на преобразователь тока, были определены контрольные точки для проведения измерений.

1. Измерения сигналов, поступающих от платы управления на затворы коммутирующих транзисторов. Осциллограммы сняты в контрольных точках силового моста.

Рисунок 29. Схема силового моста для проведения измерений.

На схеме силового моста отмечены контрольные точки, в которых были произведены измерения и сняты осциллограммы.

Рисунок 30.Напряжение между затвором истоком (Uзи) VT1

Рисунок 31. Напряжение между затвором и истоком (Uзи) VT2.

Рисунок 32. Напряжение между затвором и истоком (Uзи) VT3.

Рисунок 33. Напряжение между затвором и истоком (Uзи) VT4.

Чтобы узнать, не нарушается ли целостность управляющего сигнала, который поступает от драйверов ключей и идет к силовому мосту на транзисторы, мы сняли осциллограммы напряжений между затворами (на который приходит управляющий сигнал) и истоками транзисторов.

На осциллограммах (рис. 30 - 33) видны помехи на уровнях логического нуля и логической единицы. Фронты сигналов на транзисторах VT1 и VT2 заметно искажаются.

Рисунок 34. Напряжение между истоками VT1 и VT2.

.

Рисунок 35. Напряжение между истоками VT3 и VT4.

На осциллограммах снятых между истоками транзисторов видно, что при переключении из логического нуля в логическую единицу происходит сильный всплеск. На логических уровнях наблюдаются сильные искажения.

2. Измерение напряжения на выходе с датчика тока при мощности Рвых=208Вт.

Осциллограммы сняты с выхода блока трансформаторов и конденсаторов после повышения напряжения на вторичной обмотке повышающего трансформатора.

Рисунок 36. Датчик тока.

Рисунок 37. Сигнал с выхода датчика тока.

3.2 Анализ помех преобразователя тока

Проведя экспериментальные исследования и измерения, мы получили факты, подтверждающие, что плата управления не подходит под требования электромагнитной совместимости. На осциллограммах (рис. 30-35,37) видно, как сигнал искажается из-за помех. На уровне логической единице можно наблюдать всплески, которые превышают данное напряжение. Линии фронтов наблюдаются пологие, что говорит об увеличенном времени переключения. Увеличение времени переключения транзисторов может привести к запаздыванию сигнала и повлечь за собой недопустимый режим открывания данных транзисторов, работающих в противофазе. Сквозной ток, который возникает в таких недопустимых режимах, мгновенно выведет из строя весь прибор. блок питание помеха плата

Данные, полученные с помощью измерений, показывают, что на затворы в транзисторах поступает искаженных сигнал с платы управления.

Проведенные измерения показывают, что в системе распределения питания платы управления при разработке не были соблюдены требования по ЭМС и не применялись методики подавления помех. Из этого следует, что развязка на плате была произведена не корректно и требует доработки.

Печатная плата создана из пяти слоев, для того, чтобы распределить систему питания так, чтобы токоведущие дорожки не пересекались между собой. В плате созданы сквозные металлизированные отверстия. Они сделаны для того, что бы соединять слои между собой. Когда ток идет по трассам, он создает вокруг себя магнитное поле, которое ведет себя как паразитная индуктивность. Магнитные поля, создаваемые токоведущими дорожками, оказывают влияние друг на друга, которое в последствие оказывается негативным. Магнитное поле одного проводника может тормозить или ускорить сигнал, идущий по соседнему проводнику, что в свою очередь приводит к нарушению циклограммы всей схемы. Так как эта схема является управляющей для всего преобразователя тока БП СКВ, такие негативные воздействия могут привести к не поправимым последствиям. Учитывая то, что этот прибор особого назначения, с помощью него поддерживается кондиционирование воздуха в замкнутом пространстве на орбитальной станции МКС и от него напрямую зависит жизнь людей, он должен функционировать без перебоя. Такие нарушения как сбой циклограммы в работе платы управления могут привести к отказу прибора в целом.

Цифровые микросхемы в режиме переключения являются источниками помех. В проводниках появляются кондуктивные помехи во время процессов переключения. Они работают как случайные излучающие антенны. Такие помехи появляются как в системе распределения питания, так и в линиях передачи сигналов. В системе распределения питания цифровых устройств коммутационные помехи возникают при переключении интегральных микросхем, когда при поступлении управляющего сигнала происходит изменение логических состояний микросхем. Особенно от быстродействия зависит уровень кондуктивных и излучаемых помех.

Причиной возникновения помех могут стать гармоники, составляющие сигнал. Чем дольше длиться фронт цифрового сигнала, тем амплитуда гармонических составляющих меньше на высоких частотах. Интегральные микросхемы характеризуются динамическими и статическими параметрами помехоустойчивости. Поведение микросхемы при наличии импульсных помех определяет динамическая помехоустойчивость. Помехоустойчивость интегральной микросхемы снижается, при повышении тактовых частот и снижений питающих напряжений. Чем выше быстродействие микросхемы, тем ниже динамическая помехоустойчивость. Уровень помех увеличивается с увеличением частоты сигнала. В области высоких частот частотный интервал, в котором появляются помехи, расширяется. Возникшая в системе помеха распространяется по печатной плате и в некоторых случаях может излучаться.

При проведении анализа излучаемых помех нужно учесть множество факторов. Для излучения электромагнитной помехи нужен не только источник (микросхема), но и антенна, которая будет ее излучать. Такой антенной может служить контур, который образуют возвратные токи. На самой плате не бывает специальных антенн, но есть множество случайных. Случайными антеннами могут быть проводники, кабели, корпус микросхемы.

Из-за высокого уровня коммутационных помех, которые генерирует сама интегральная микросхема, большой вклад в уровень излучаемых помех вносит система распределения питания печатного узла. Основные причины при работе цифровых узлов, которые приводят к возникновению помех и их распространению по системе питания:

1. Коммутационные процессы интегральных микросхем;

2. Между цепями питания и сигнальными цепями существуют перекрестные взаимодействия;

3. Эффект антенны у проводников, которые приводит к помехоэмиссии.

Одна из самых важных проблем обеспечения ЭМС и целостности сигнала, которая оказывает влияние на функциональность и работоспособность всей системы - это коммутационные процессы, которые создают опасные помехи в системе распределения питания печатных узлов. Когда на вход микросхемы поступают сигналы, она будет переключаться от одного логического состояния в другое, при переключении вызываются резкие изменения токов потребления.

Возникающие в системе питания коммутационные помехи появляются в виде падения напряжения питания, скачка опорного напряжения (GND), сдвига динамического порога напряжения интегральной микросхемы. При коммутации токи очень быстро пульсируют, поэтому в них содержится широкий частотный диапазон компонентов, которые генерируют помехи и в цепях питания и в виде помехоэмиссии в окружающую среду. Так как при переключении токи резко изменяются, они же из-за индуктивности шины питания вызывают изменение напряжения питания, что приводит к неустойчивому рабочему состоянию печатной платы. Так же в системе питания возникновение сквозных токов - это проблема в применении цифровых микросхем. Всплески сквозного тока возникают при каждом фронте и спаде сигнала, поэтому их частота явления в два раза выше тактовой частоты.

При переключении, когда происходит изменение тока, происходит и падение напряжения на индуктивность питания. Оно становится равным самоиндукции контура шины питания и скорости изменения тока за время переключения. Также в самоиндукцию контура входит индуктивность выводов питания. Напряжение, которое поступает в микросхему, определяется формулой:

V_CC=V_SS - V_SB

V_CC - напряжение питания на определенном контакте; V_SS - напряжение источника питания; V_SB - напряжение, которое падает на шину питания;

Если падение напряжения окажется очень большое, микросхема может выйти за допустимые временные интервалы, помехозащищенность снижается и как следствие ухудшается работоспособность.

Скачок опорного напряжения так же может представлять угрозу для работы печатного узла. Это явление кратковременного возрастания напряжения на потенциале GND. Такой скачок появляется во время динамических коммутационных процессов. Во время переключения интегральной микросхемы изменяется состояние напряжения, которое изменяется от высокого значения к низкому. Ток, который течет через полупроводники выходного каскада, может вызывать падение напряжения на индуктивности в системе. В эту индуктивность входят выводы GND и индуктивности выводов сигнальных. При переключении из логической единицы, в логический ноль в микросхеме через вывод питания протекает суммарный ток, который изменяется. Это сигнальный ток, ток потребления и сквозной ток. Напряжение, которое падает на индуктивные цепи GND, при изменении суммарного тока при коммутационных процессах определяется формулой:

V_SB = L_SB

L_SB - индуктивность контуров потребляемого тока; - модуль разности потребляемых токов; t_r - фронт сигнала;

Возникновения скачка опорного напряжения зависит от множества факторов:

1. Уровень напряжения питания;

2. Скорость при переключении;

3. Количество выводов, которые переключаются одновременно;

4. Конструктивное исполнение выводов корпуса интегральной микросхемы;

5. Конструкция шин питания;

6. Количество металлизированных отверстий и монтажной топологии микросхемы;

7. Тип нагрузки;

8. Технология изготовления микросхемы и ее корпуса.

Главную роль в работе системе распределения питания, как и в обеспечении ЭМС играет индуктивность. Так же она является одним из основных электрических параметров, которые полноправно определяют уровень электромагнитных помех в системе распределения питания. Индуктивность можно рассмотреть с трех положений:

- Замкнутый контур линий магнитного поля существует вокруг любой нити, в которой течет ток.

- Количество линий магнитного потока при токе в проводнике - есть индуктивность 1А (Вб/А).

- Между концами проводника появляется индуцированное напряжение, когда изменяется число силовых линий магнитного поля вокруг проводника.

Магнитные поля двух проводников связаны между собой и как следствие это индуцирует напряжение. Индуктивная перекрестная помеха определяется по формуле:

M - Взаимная индуктивность между источником и приемником.

Помеха дельта - I появляется при протекании тока через проводники и обладает значительной индуктивностью. Во время переключения драйверов ток идет от шины через вывод питания и выходит через сигнальный вывод.

Помеха дельта - I определяется по формуле:

L - Индуктивность, возникающая по пути протекания тока; - время изменения тока.

В металлизированных отверстиях в печатных платах, когда по ним течет ток, возникает помеха. В шинах питания генераторами помех являются обратные токи или тактовые импульсы, которые идут через металлизированные отверстия во время перехода с одного слоя на другой. Возвратные токи протекают на минимальном расстоянии от сигнальных токов и GND. Когда ток сигнала протекает по металлизированным отверстиям между слоями, путь для возвратного тока прерывается. В таком случае ток может возвратиться к источнику только через ток смещения в слоях питания и GND. Именно такие токи создают в шине питания помехи.

4. Снижение уровня помех в преобразователе тока

Для того что бы снизить уровень помех в преобразователе тока БП СКВ, необходимо провести корректную разводку платы управления, рассмотреть взаимное влияние компонентов внутри блока, анализ и коррекцию системы распределения питания.

Система распределения питания в печатных платах состоит из развязывающих конденсаторов и проводников. Такая система отвечает за поставку заряда к компонентам на печатной плате. При неправильной разводке печатной платы в системе распределения питания могут генерироваться помехи, которые будут поступать по проводникам к компонентам и как следствие ухудшать их работу.

Для того что бы снизить уровень помех в преобразователе тока БП СКВ, необходимо провести корректную разводку платы управления.

4.1 Система распределения питания

В современных цифровых многослойных печатных платах система распределения питания формируется из одной или более проводящих плоскостей. Они используются как слои питания и как возвратные проводники (GND). В систему распределения питания так же входят набор конденсаторов для развязки, проводники для монтажа конденсаторов и микросхем. На развитие системы распределение питание повлияли некоторые факторы:

1. Рост скорости переключения интегральных микросхем и тактовой частоты;

2. Введение новых материалов в конструирование многослойных печатных плат и совершенствование их конструкций;

3. Появление SMT - компонентов (поверхностно - монтируемые компоненты, которые пришли на замену компонентам с выводами);

4. Конструктивное изменение микросхем (корпуса с шариковыми выводами BGA) и увеличение количества выводов;

Система распределения питания со временем усложнилась. Для нее требуется низкая индуктивность, чтобы не препятствовать распространению заряда по многослойной печатной плате, от этого зависит быстродействие. Система распределения питания отвечает за всю систему поставки питания многослойной печатной платы, в то время когда «шина питания» - это пара плоскостей, в которые входят только пинание и GND. При проектировании такой сложной структуры нужно понимать и принимать во внимание все нюансы такой системы. Нужно хорошо понимать процессы, которые происходят в печатных узлах, и владеть определенными методами.

Помехи, генерируемые шиной питания при переключениях интегральной микросхемы не единственная проблема, одновременно с этим в системе распределения питания возникают дополнительные помехи, которые вызываются протеканием сигнальных токов по линиям передачи. Эти линии передачи переходят со слоя на слой по металлизированным отверстиям, которые проходят сквозь слои питания и GND. Появляются так называемые токи смещения, которые попадают в систему распределения питания и как следствие появляется определенный уровень помех. Помехи, которые возникают в шине питания, быстро распространяются по печатной плате, могут нарушить работу компонентов и могут излучаться. Проектирование печатного узла должно быть на высоком уровне, чтобы генерируемые помехи не превышали допустимые уровни, что позволит цепям нормально работать на многослойной печатной плате. А возникающие эмиссии должны быть низкого уровня, что бы удовлетворить требованиям ЭМС.

К достижению поставленной цели одним из ключевых элементов являются развязывающие конденсаторы.

Коммутирующие состояния интегральной микросхемы между высокими и низкими состояниями порождают изменение потребляемого тока, что в свою очередь неизбежно приводит к падению напряжению на индуктивность шины питания. В такие моменты происходит импульсное изменение напряжения питания в микросхеме. Такие импульсы неизбежно становятся источниками помех в системе распределения питания.

При проектировании системы распределения питания нужно поставить две задачи. Первая задача - за счет поставки и хранения заряда обеспечить функциональные возможности системы, в моменты, когда интегральная микросхема переключается и требует дополнительного тока питания. Вторая задача заключается в том, что бы помехи были минимизированы, которые внедряются в шину питания от микросхемы. Например, если край платы разместить около щелей металлического отверстия корпуса или недалеко от вентилятора это позволит помехам выйти за экранирующий корпус. Помимо этого помеха может распространяться из металлического корпуса в кабели, если они связаны выводами. Существует множество путей связи для помех, и они плохо предсказуемы.

Что бы система распределения питания смогла выполнять свои функции нужно построить ее из нескольких элементов. В эти элементы входят: модуль VRM (модуль регулятора напряжения, выпрямитель, фильтр и др.), Конденсаторы электролитические, шины питания и развязывающие конденсаторы. Эффективность в поставке достаточного заряда к микросхеме у каждого компонента разная. Рассмотрим с иерархической позиции заряжение элементов системы распределения питания:

- VRM (вместе с фильтрами) - является самым большим источником заряда. Этот узел способен на хранение и отдачу большого заряда, но обладает маленькой скоростью разряда из-за большой индуктивности. На частотах от 1 МГц этот узел не выполняет требования по скорости доставки заряда к кристаллу.

- В иерархии системы распределения питания второе по ёмкости место занимают электролитические конденсаторы. Они обладают емкостями от нескольких сотен микрофарад до нескольких миллифарад. Эти компоненты выполняют требования по скорости доставки заряда к кристаллу. Они способны удовлетворять требованиям на уровне нескольких сотен наносекунд и меньше.

- Третьи по емкости это развязывающие конденсаторы SMT. Эти конденсаторы обладают емкость от десятков нанофарад до нескольких микрофарад. Они способны удовлетворять требования на уровне несколько десятков наносекунд.

- Планарный конденсатор (пара плоскостей питание и GND). Является последним компонентом в иерархии цепи заряжения на печатном узле. Поставляет заряд цепям по времени менее нескольких десятков наносекунд, частота потребляемого заряда выше нескольких сотен МГц.

- Завершают иерархию системы распределения питания конденсаторы, которые установлены на самом кристалле. Их емкость очень мала, но из-за близкого расстояния к кристаллу они способны очень быстро передавать заряд во время коммутационных процессов. Так же они обладают предельно низкой индуктивностью.

Одним из важных показателей системы распределения питания в печатной плате являются зависимость полного сопротивления системы от частоты. Полное сопротивление всей системы имеет допустимые и не допустимые значения. Допустимые значения зависят от качества питания компонентной базы и значения предельных частот в спектральном сигнале. Такой параметр - целевое полное сопротивление (Z_T) Системы распределения питания. Полное сопротивление системы распределения питания печатной платы (Z_pdn) не должно превышать Z_T в нужном для разработчика частотном диапазоне.

Еще одной составной частью системы распределения питания являются развязывающие конденсаторы. Основные виды конденсаторов на кристалле:

1. ПИП (поликремний - изоляция - поликремний);

2. MOS - конденсаторы;

3. МИМ (металл - изоляция - металл);

4. С латеральным (боковым) взаимодействием электродов;

Эти конденсаторы встроены в интегральную микросхему. К шине питания они подключены внутри корпуса самой микросхемы. Их малая индуктивность позволяет расширить частотный диапазон Z_T.

При нескольких, происходящих одновременно коммутационных процессов возникают синхронные коммутационные помехи. Для снижения таких помех необходимо использовать определенные правила при проектировании. Такие правила включают в себя описание синхронно коммутационных помех, механизм возникновения, способы снижения таких помех и специальные методики проектирования многослойных печатных плат.

У синхронно коммутационных помех механизм возникновения такой: между выводами микросхемы создается индуктивная перекрестная помеха, во время провала напряжения и образование помехи дельта - I в шине питания. Синхронно коммутационная помеха генерируется, когда одновременно переключаются все драйвера. Первичные механизмы, которые вызывают помехи при переключении микросхемы - это емкостная и индуктивная связь контуров, по которым протекают токи.

На стадии проектирования системы распределения питания в многослойных печатных платах создаются структуры распределения токов. Структуры делятся на два типа: горизонтальная и вертикальная. Горизонтальная структура распределения тока - это проводящие плоскости и линии передачи. Вертикальная структура распределения тока - это металлизированные отверстия, соединяющие слои питания; шариковые выводы, проводники. Эти структуры имеют перекрестные связи, по которым распространяется синхронно коммутационные помехи. Такие помехи, как правило, определяются количественно «абсолютным напряжением помех». Для количественного описания таких помех есть способ, с помощью которого определяются помехи в абсолютных значениях напряжения - милливольт. Но для различных стандартов этот способ не подходит, только для какой-то определенной технологии сигнала.

4.2 Допустимый уровень помех

Допустимый уровень помех формируется из определенных требований к системе распределения питания. Современные микросхемы работают на высоких частотах, время переключения у таких микросхем меньше наносекунды. Использование низкого напряжения питания при постоянном токе с высокими переходными токами позволяет минимизировать расход энергии. Влияние на функциональность электронного изделия и появлению помех оказывают большие переходные токи, которые протекают по цепям питания и GND. Такие помехи в системе распределения питания могут нарушить целостность сигнала. Более того, такие помехи могут проникать во внешние кабели или излучаться в окружающую среду.

Что бы интегральная микросхема нормально работала напряжение питание должно быть постоянное. Во время работы микросхемы напряжение питание изменяется и может пульсировать. Такое влияние оказывает монтажная работа между модулем питания и интегральной микросхемы, изменение характеристик модуля питания и влияние помех из периферийных цепей. Результатом таких воздействий являются уменьшение скорости обработки информации и нарушение целостности сигнала данного печатного узла. Чтобы избежать таких последствий применяю специальные меры, в которые входят расположение на печатном узле развязывающих конденсатов.

Цель проектирования системы распределения питания состоит в том, что бы цепь, по которой идет поставка энергии для необходимых напряжений была стабильной и не нарушала функционирования узла.

Проектирование системы распределения питания многослойной печатной платы подразумевает создание системы питания и ее развязки с помощью определенных методик. Эти методики должны обеспечивать минимальный уровень помех и как следствие приводить к обеспечению целостности сигнала и выполнению требований по ЭМС.

Допустимый уровень помех подразумевает под собой, как и внутрисистемную ЭМС, так и межсистемную ЭМС. При соблюдении правил проектирования печатного узла и использование методик снижения помех, можно на стадии разработки добиться нормального функционирования электронного изделия, которое будет удовлетворять требованиям ЭМС.

При разработке интегральных микросхем нужно стремиться к минимизации помехоэмиссии и восприимчивости, но одновременно с этим печатный узел может быть восприимчив пульсациям напряжения в системе распределения питания. Если принять во внимание следующие факты, можно снизить эффект пульсаций:

- размещение в многослойной печатной плате напряжение питания и GND;

- присутствие и расположение на многослойной печатной плате развязывающих конденсаторов;

- время, за которое повышается напряжение питания;

- рассеивание тока;

4.3 Влияние помех на БП СКВ в целом

В ходе исследования преобразователя тока БП СКВ по его отдельным частям стало ясно, что мы имеем дело c внутрисистемной ЭМС. Помехи генерирует сам прибор. Силовой мост, как было указано ранее, играет роль ключей, которые коммутируют ток для первичной обмотки трансформатора, находящегося в блоке трансформаторов и конденсаторов. На осциллограммах при совместной работе транзисторов мы наблюдаем дрожание сигналов. Эти экспериментальные данные говорят о том, что в плате управления есть сбой в работе. Неустойчивое рабочее состояние платы управления со временем может привести к непоправимым последствиям. Управляющие сигналы, идущие от платы управления по проводам, попадают в силовой мост асинхронно. Один сигнал поступает с опозданием, второй с опережением. Такая работа силового моста может привести к недопустимому режиму открывания транзисторов и как следствие может произойти ток утечки, что в свою очередь выведет из строя весь прибор. В плате управления сбивается циклограмма, что так же указывает на наличие помех в самой плате управления. Произошло нарушение целостности сигнала и целостности питания, что в свою очередь указывает на некорректную разводку в печатной плате. Кондуктивные помехи, которые возникают в линиях передачи управляющего сигнала силовым мостом, оказывают негативное влияние не только на работу транзисторов, но и на саму плату управления. Конструктивно в приборе плата управления располагается рядом с силовым мостом и блоком трансформаторов и конденсаторов. Повышающий трансформатор работает на больших токах и напряжениях, которые приводят к помехоэмиссии. Трансформатор работает как излучающая антенна электромагнитных помех, которые влияют на рядом находящиеся компоненты в приборе. Плата управления работает на небольших токах и мощностях, поэтому такие мощные помехи, которые излучаются от трансформатора, могут вывести ее из строя. Исследовав конструкцию прибора можно прийти к выводу, что конструктивно прибор собран не правильно с точки зрения ЭМС. Компоненты, которым требуется большая мощность и большой ток располагаются рядом с компонентами, которые работают на небольших токах.

4.4 Методы снижения уровня помех

1. Размещение плоскостей питания и GND.

Помехи, которые возникают в источнике питания и скачки напряжения GND необходимо минимизировать. Для этого необходимо выделить отдельные слои для каждого значения напряжения питания и отдельные слои для GND. Таким образом, мы создаем экранированные слои внутри многослойной печатной платы, которые будут защищать логические сигналы от негативных электромагнитных воздействий. Если при разработке невозможно выделить всю плоскость под питание и GND, то в таких случаях трассы питания и GND должны быть самые широкие и располагаться по всей длине платы. Трассы по ширине такие же, как и сигнальные, не могут использоваться для питания. В стеке многослойной печатной плате планарный конденсатор формируется из смежных плоскостей питания и GND. Это помогает уменьшить уровень помех в системе распределения питания.

1. Развязывающие конденсаторы.

У микросхемы каждый вывод питания и GND должны быть привязаны к слоям питания и GND. От числа переключающихся логических элементов и их параметров зависят требования к развязке в системе питания. Чем больше задействованных выводов (вход/выход) и емкостная нагрузка, тем больше потребуется развязывающих конденсаторов. Эти конденсаторы должны располагаться максимально близко к устройству.

Многослойная печатная плата должна иметь цепь электролитических конденсаторов большой емкости для стабилизации питания. Конденсатор 100 мкФ должен быть помещен туда, где место ввода линии источника питания в узле. При использовании регулятора напряжения или трансформатора конденсатор должен располагаться за последним каскадом источника питания. Когда в цепи одновременно переключаются множество элементов, этот конденсатор выравнивает напряжение и поставляет дополнительный ток. Минус конденсаторов с большой емкостью заключается в том, что ему необходимо больше времени, чтобы достичь рабочего уровня питания. Емкость таких конденсаторов не должна нарушать время нарастания напряжения питания.

2. Время нарастания напряжения электропитания.

Приближенное значение установки питания (Power - on, Reset - POR) примерно 1 - 2 В. Длительностью режим POR не превышает 100мс и существует только в том случае, если напряжение питания доходит до рекомендуемого рабочего предела в определенных промежутках времени. Длительное время нарастания влияет на инициализацию устройства и его функционал. Напряжение питания должно расти плавно, приближаясь к рабочему уровню.

3. Рассеивание тока

Многие интегральные схемы спроектированы для потребления минимальной мощности, но способные на высокую эффективность. Поскольку добиться минимального потребления мощности и высокой эффективности изделия достаточно сложно. Разработчик должен использовать программное обеспечение устройства, которое позволит контролировать и управлять потребляемый ток.

Одной из важнейших задач при борьбе с электромагнитными помехами является уменьшение индуктивности шин питания и цепей GND. Это достигается конструктивными методами во время разработки топологии и стека печатной платы. Так же важен выбор материала, который будет использован. Рассматривая индуктивность катушки и потока магнитных линий от нее, необходимо учитывать, что ток, протекающий в проводящем контуре, образует вокруг себя магнитное поле. Необходимо учесть положение индуктивности:

- замкнутый контур линий магнитного поля существует во всех нитях, которые проводят электрический ток;

- при протекании тока в проводнике количество линий магнитного поля (которое окружает проводник) - это и есть индуктивность;

- появление индуцированного напряжения между концами проводника обусловлено изменением количества силовых линий магнитного поля.

На стадии разработки многослойной печатной платы, необходимо принять во внимание индуктивности топологических сегментов цепей питания. Необходимо пользоваться специальными приемами и методами для максимальной минимизации такой индуктивности. В таких случаях необходимо снизить индуктивность контура питания.

Полное сопротивление системы распределения питания на частоте свыше 10 МГц зависит от ближайших к микросхеме конденсаторов. Это говорит о том, что над полным сопротивлением доминирует индуктивность монтажа. Поскольку такой конденсатор в высокочастотной зоне является доминирующим компонентом, необходимо проектировать его монтаж так, что бы снизить его индуктивность. При проектировании расположения конденсатора так, что бы снизить его индуктивность следует учесть следующие факты:

- трассировка: длинна, высота, ширина

- отверстия: длина, взаимное расположение, диаметр сверления.

Правила трассировки, расположения контактных площадок, конденсаторов и металлизированных отверстий.

Нерациональный монтаж приводит к нарушению работы системы распределения питания. Существует множество факторов, которые приводят неизбежно к повышенной индуктивности монтажа. Что бы этого избежать, необходимо выполнять следующие пункты:

- минимизация размеров контактных площадок;

- металлизированные отверстия необходимо располагать максимально близко к конденсаторам;

- диаметр сверления металлизированного отверстия нужно выбирать максимально возможным;

- необходимо располагать максимально близко друг к другу отверстия с токами, которые протекают в разных направлениях;

- отверстия, в которых протекают токи одного направления нужно располагать максимально далеко друг от друга;

- полигоны питания и GND необходимо расположить в печатной плате так, что бы они находились вблизи поверхности, где установлены конденсаторы;

При соблюдении выше перечисленных рекомендаций можно успешно добиться снижения индуктивности монтажа.

4.5 Методы подавления помех в системе распределения питания при проектировании многослойных печатных плат

1. Выбор емкостей конденсаторов для системы распределения питания.

Для того, что бы обеспечить стабильную работу микросхемы необходимо правильно рассчитать требуемую развязывающую емкость. При расчете необходимо учесть допустимые пульсации напряжения. Прежде чем приступать к расчетам, необходимо определить рабочий частотный диапазон, в котором будут использоваться развязывающие конденсаторы, поэтому необходимо определить максимальную частоту спектра сигнала: