Емкостные связи

Часть помехового тока на фиг.1  протекает через емкость связи Сх. Вспомним, что при испытании устройства на помехоустойчивость оно должно находиться на изолирующей подставке на высоте 100 мм над сплошной земляной поверхностью. Иногда одной только емкости связи с землей бывает достаточно для сбоя устройства.

Разделение земель на чистую и грязную само по себе не уменьшает суммарную величину емкостной связи. Соотношение емкостей связи для чистой и грязной земель соответствует отношению их площадей.

Вполне очевидными методами борьбы с емкостными связями является перераспределение земель,  уменьшение площадей проводников и частичное экранирование.

Обратите внимание на положение микроконтроллера на фиг.9. Он расположен в углу платы, поэтому за счет емкостной связи сквозь него будет течь сравнительно небольшой ток. На фиг.8 микроконтроллер расположен иначе. Большой полигон чистой земли справа от него имеет значительную емкостную связь с истинной землей, поэтому вероятность сбоя будет намного больше.

Пример 6

На фиг.12 показаны два варианта разводки земляного полигона под микроконтроллером. Вместо кварца и конденсаторов используется трехвыводной керамический резонатор для монтажа на поверхность Х1. Разводка выполнена для гипотетического "правильного" микроконтроллера, разработчики которого позаботились о помехоустойчивости и расположили земляной вывод между выводами генератора. Это не утопия, микроконтроллеры семейства M16C фирмы Ренесас, которые являются одними из самых помехоустойчивых 16-битных микроконтроллеров, действительно имеют подобное расположение выводов.

Фиг.12

Неиспользованные выводы микроконтроллера подключены к внутреннему земляному полигону.

На фиг.12 слева земляной полигон соединен с чистой землей платы несколькими переходными отверстиями. За счет этого устройство оказывается не помехоустойчивым. Помеховый ток, протекающий чистой земле и уходящий в истинную землю через емкостную связь, создает градиент потенциала ("перекос"). Переходные отверстия передают перекос на земляной полигон микроконтроллера. Помеховый ток частично протекает через ножки микроконтроллера, подключенные к полигону, что может вызвать сбой.

На фиг.12 справа земляной полигон микроконтроллера соединен с чистой землей в одной точке, рядом с земляной ножкой микроконтроллера. Помехоустойчивость устройства максимальна, т.к. чистая земля на противоположной стороне платы при этом становится разновидностью экрана, защищающего "сверхчистую" землю полигона.

Перекрестные помехи

Помимо внешних источников наносекундных помех, различные узлы внутри устройства сами могут генерировать взаимные помехи.

Современные цифровые микросхемы, особенно БИС, тоже являются источниками НП. В момент переключения сотни и тысячи транзисторов внутри БИС меняют свои состояния, в результате сотни и тысячи паразитных емкостей перезаряжаются (например, емкости затворов в КМОП микросхемах). В результате через ножки земли и питания микросхем протекают импульсные токи наносекундной и суб-наносекундной длительности и большой амплитуды. Распространяясь по шинам земли и питания платы, эти токи несколько ухудшают суммарную помехоустойчивость устройства, но сами по себе, как правило, причиной сбоев не являются.

Для уменьшения вредного влияния этих токов, в цепи питания рядом с микросхемами ставят керамические развязывающие конденсаторы. Конденсаторы должны стоять как можно ближе к ножкам земли и питания, чтобы уменьшить размер контура, по которому циркулируют токи перезаряда.

Сказанное является прописной истиной. Тем не менее, достаточно часто приходится слышать такие высказывания: "мое устройство сбоит, я поставил больше конденсаторов в питание, а оно все равно сбоит". Складывается впечатление, что некоторые разработчики считают, будто развязывающе конденсаторы ставятся для защиты от внешних помех. Это, конечно, заблуждение. Как следствие такого заблуждения, иногда встречаются платы, где развязывающие конденсаторы стоят вдалеке от микросхем, хотя ничто не мешало поставить их гораздо ближе к выводам питания.

Особого рассмотрения заслуживает микросхема супервизора питания. Как известно, срабатывает она нечасто, так что НП помех практически не создает. Однако она сама подвержена влиянию наносекундных помех, поэтому вблизи супервизора питания необходимо ставить керамический развязывающий конденсатор. Это редкий случай, когда такой конденсатор и в самом деле является фильтром для внешних помех.

Ссылки

1. ГОСТ Р 51317.4.4-99 "Устойчивость к наносекундным импульсным помехам"

2. ГОСТ Р 51317.4.2-99 "Устойчивость к электростатическим разрядам"

3. "Методы пректирования аппаратного обеспечения"

4. "The Keith Armstrong Portfolio"

5. "SZZA009: PCB Design Guidelines For Reduced EMI"

6. "SDYA011: Printed Circuit Board Layout for Improved Electromagnetic Compatibility"

7. "SCEA018: Comparison of Electromagnetic Interference Potential of Integrated Logic Circuits AVC, GTLP, BTL and LVDS"

8. "SLLA057: A Survey of Common-Mode Noise"

9. "ANM085: EMC Improvement Guidelines"

10. "AVR040: EMC Design Considerations"

11. "AN1050: Designing for Electromagnetic Compatibility (EMC) with HCMOS Microcontrollers"

Впервые опубликовано в журнале "Схемотехника", 2004 г., №8 и №9.