Kytkeytymismuodot: erillismuotoinen, yhteismuotoinen ja antennimuoto - säteilevän kentän sekä emissiossa että siedossa

Transkriptio

1 SUUNNITTELUPERIAATTEITA 8.3 Kytkeytymismuodot 8.4 Säteilevän kentän kytkeytymismuodot 8.5 Säteilevät emissiot 8.6 Johtuvat emissiot SUSKEPTIBILITEETTI: 9.1 RF-kentät 9.2 Johtuvat transientit 9.3 Sähköstaattinen purkaus (ESD), EPA-alue 9.4 Magneettikentät 9.5 Käyttöjännitehäiriöt SUUNNITTELUPERIAATTEITA SÄTEILEVÄN KENTÄN KYTKEYTYMISMUODOT Kytkeytymismuodot: erillismuotoinen, yhteismuotoinen ja antennimuoto - säteilevän kentän sekä emissiossa että siedossa Erillismuotoinen (differential mode) - johtimien virrat vastakkaissuuntaiset (go-return) - differentiaaalinen kytkeytyminen johtimista tai johtimiin - maatasolla ei ole merkitystä kytkeytymiseen Yhteismuotoinen (common mode) - johtimien virrat samansuuntaisia - eivät yleensä ole signaalinjoja, vaan ovat syntyneet ulkopuolisita kentistä, maatasosta ja impedansseista - kohinajännite aiheuttaa cm-emissioita - RF yhteismuotoiset virrat saattavat kytkeytyä kaikkiin kaapeleihin - hajakapasitanssien ja induktanssien vaikutus suuri cm-virtoihin * hajasuureet vaikeasti hallittavia - esim. RF-kentässä oleva laite - virrat -> impedanssierot -> DM tai CM virrat

2 SUUNNITTELUPERIAATTEITA SÄTEILEVÄN KENTÄN KYTKEYTYMISMUODOT Antennimuoto - virrat ja maavirrat samansuuntaisia * esim. RF-kentässä oleva laite - ei sinällään ongelma, mutta indusoitunut virta voi olla * virrat -> impedanssierot -> DM tai CM virrat Differentiaali - yhteismuotoinen konversio - common mode virran suuruus riippuu yl. kapasitiivisesta kytkeytymisestä * hajakapasitanssit: piirilevyalueet, kytkeytymiset metalliosiin (kotelot, suojat) - vaikutuksen pienentäminen * hajasuureet mahdollisimman samanlaisiksi (balansointi) * yhteismuotokuristin * komponenttivalinnat ja lay out -suunnittelu! Kytkeytymistavat eivät ainoastaan laitteiden/modulien välillä vaan myös piirilevyjen ja piirilevyn osien välillä SUUNNITTELUPERIAATTEITA SÄTEILEVÄN KENTÄN KYTKEYTYMISMUODOT

3 SUUNNITTELUPERIAATTEITA SÄTEILEVÄN KENTÄN KYTKEYTYMISMUODOT SUUNNITTELUPERIAATTEITA EMISSIOT Emissiot - säteilevät: koko systeemi - johtuvat: kaapelointi - standardit määrittelevät rajat: CISPR, IEC, EN, ETSI, FCC - myös asiakasvaatimukset määrittelevät rajat: esim. NEBS (USA) Säteilevät emissiot (Radiated emissions) - tyypillinen taajuusalue 30 MHz...1GHz... * tietoliikennelaitteille yläraja 12,75 GHz * FCC ylärajana 5xsuurin (kello)taajuus * EN55022:n kasvaa samantyyppiseksi - koko systeemin säteilemät emissiot * laitekotelo(t), piirilevyt, sisäiset johdotukset * laitteen kaapelointi - yhteismuotoiset virrat (I cm ) saatava pieniksi (jopa dekadeja < I dm )

4 SUUNNITTELUPERIAATTEITA EMISSIOT Säteily piirilevyltä (pcb, pwb) - aiheuttajina piirien virrat virtasilmukoiden välityksellä * kellot, prosessorit, ohjainkortit, oskillaattorit -> tietty toimintataajuus, sen harmoniset ja sekoitustulokset - pieni silmukka: dimensiot<lamda/4, yleinen tilanne kun f > 200 MHz - piirilevyn säteily kytkeytyy sisäiseen kaapelointiin -> kytkeytymistie kotelon ulkopuolelle - CM-virtojen hallinta vaikeaa hajakapasitanssien vuoksi - helpoin ja halvin EMC-ongelmien ratkaisu tapahtuu piirilevysuunnitelussa ja komponenttivalinnoissa SUUNNITTELUPERIAATTEITA Säteilevät emissiot piirilevyltä

5 SUUNNITTELUPERIAATTEITA Säteily kaapelista - dominoi yleensä kun f = MHz - häiriövirta kaapelissa tai suojavaipassa - suojatulla kaapelilla oltava suojatut liittimet, jotka kytkettävä oikein ("360 astetta") - kaapelit toimivat monopoliantenneina maatason päällä - kaapelin asento ja kulkureitti vaikuttavat emissiotasoihin merkittävästi - yhteismuotoinen virta saatava pieneksi (jopa < 5uA) kaapelin säteilyn pienentämiseksi SUUNNITTELUPERIAATTEITA Säteilevät emissiot kaapeleista

6 SUUNNITTELUPERIAATTEITA Johtuvat emissiot Johtuvat emissiot (conducted emissions) - yleensä standardit määrittelevät rajat tehonsyöttökaapeleille (AC, DC), mutta mahdollisesti myös muille kaapeleille (tele-, kontrolli-,...) * tehonsyöttökaapelien mittaus LISN:in avulla (keinoverkko) * muille kaapeleille eri tavoilla: klamppi, kapasitiivinen... - tyypillinen taajuusalue (9kHz)...150kHz...30MHz - tyypilliset häiriön aiheuttajat * hakkuriteholähteet (switching power supply) * jokin muu komponentti, jonka häiriö "läpäisee" virtalähteen - I dm, I cm tai yhdistelmä - torjunta suodattamalla SUUNNITTELUPERIAATTEITA Johtuvien emissioiden kytkeytyminen ( out )

7 SUUNNITTELUPERIAATTEITA SUSKEPTIBILITEETTI Suskeptibiliteetti, immuniteetti - laite alttiina muiden laitteiden, ympäristön ja luonnonilmiöiden aiheuttamille häiriöille - kytkeytyminen suoraan tai kaapeloinnin kautta Ilmiöt: - RF-kentät - johtuvat transientit - sähköstaattinen purkaus (ESD) - magneettikentät - käyttöjännitehäiriöt SUUNNITTELUPERIAATTEITA SUSKEPTIBILITEETTI RF-kentät - kytkeytyminen suoraan laitteelle tai piirilevylle (I dm tai kaapeleiden kautta (I cm ) - vaikutukset * analogisille laitteille: epälineaarisuus, ylikuormitus, DC-bias * digitaalisille laitteille: bittivirheet ja mahd. virhetoiminnot - moduloitu RF vaikuttaa pahemmin kuin moduloimaton (cw) - tyypilliset aiheuttajat: matkapuhelimet, langaton tiedonsiirto, tutkat - tyypilliset testien kenttävoimakkuudet V/m, taajuudet MHz... 4GHz

8 SUUNNITTELUPERIAATTEITA, SUSKEPTIBILITEETTI Säteilevien emissioiden kytkeytyminen SUUNNITTELUPERIAATTEITA SUSKEPTIBILITEETTI Virran injektointi - RF:n siedon testaus syöttämällä I cm tai U cm suoraan tuloporttiin - kuvaa todellista tilannetta, kun EUT:n dimensiot < lamda/2 - kytkeytymistie laitteessa riippuu impedansseista - kytkettävä jännite 1 V tai 3-10 ma, vastaavat 1 V/m säteilevää RFkenttää - ei kuitenkaan vastaa säteilevän RF-kentän sietotestiä, jossa kaikki kaapelit ja kotelo altistettuna Onteloresonanssit - suojatusta rakenteesta voi syntyä onteloresonanssi - seisovat aallot, lamda/2 monikerrat - sähkökenttä suurimmillaan ontelon keskellä, magneettikenttä reunoilla Resiprookkisuus: suskeptibiliteetti <-> emissio, resonanssitaajuus

9 SUUNNITTELUPERIAATTEITA SUSKEPTIBILITEETTI Transientit - jännitepiikit" aiheutuvat: ukkonen, vikatilanteet, jännitteiden katkeamiset - yleisyys riippuu käyttöympäristöstä: yli 1kV:n transientteja 0,1% kaikista - korkeaenergiset voivat tuhota teholähteen aktiivikomponentteja ( ukkostesti ) - nopeat nousunopeudet tuottavat suuria jännitteitä - U ~ nousunopeuden neliöön * esim: 3 V/ns -> 200 V:n pulssi 10 V/ns -> 2 kv:n pulssi SUUNNITTELUPERIAATTEITA SUSKEPTIBILITEETTI Bursti: - useita transientteja peräkkäin, syntyvät kytkinilmiöistä - lyhytkestoiset vaikutukset * analogialaitteet: yleensä ei vaikutusta * digitaalilaitteet: bittivirheet, rikkoutuminen - tasot: yleensä 1-2 kv, 4-6 kv - kytkeytymismuoto *differentiaalinen: vaiheen ja paluujohdon väliin *common mode: vaiheen/paluujohdon ja maan väliin - vaikeampi vaimentaa, koska vaiheen ja maan väliin kondensaattorit -> hajakapasitanssit kasvavat

10 SUUNNITTELUPERIAATTEITA SUSKEPTIBILITEETTI Transientit signaalijohdossa - yleensä kapasitiivinen kytkeytyminen, I cm - matalammilla tasoilla kuin käyttöjännitteeseen kytkeytyvät - hankalia, koska kytkeytyminen signaalijohtimiin * suojaus voi olla hankalaa, väylän/signaalin vaatimukset * bittivirheet - torjunta: suojaus, päättäminen, suodattaminen Autolaitteistoissa - rajuja transienttitestejä * load dump: kuorman irrotus latausvaiheessa * induktiivisten kuormien kytkemiset (sähkömoottorit, releet) * latauksen sammuttaminen SUSKEPTIBILITEETTI Autolaitteiden transienttimuotoja

11 SUSKEPTIBILITEETTI ESD (electrostatic discharge) "ESD-purkaus" - varaus syntyy, kun kahta ei johtavaa materiaalia "hangataan" toisiinsa ja erotetaan toisistaan -> elektronien siirtyminen materiaalista toiseen - varauksen suuruus: * materiaalien sijoittuminen tribolektronisessa sarjassa * hankauksen kontakti ja erottamisnopeus * ilman suhteellinen kosteus - ihminen varautuu useiden kilovolttien jännitteeseen - myös ilma varautuu virtauksessa (koneiden jäähdytys) ESD-aaltomuoto - lähestyttäessä maadoitettua kohdetta jännitteen purkautuminen - nopea piikki (<ns), sitten hitaampi purkaus * lähestymisnopeus, varausjännite, "geometria", ilmankosteus SUSKEPTIBILITEETTI, ESD Kytkeytymistie - nopean pulssin kytkeytymistie vaikea hallita * hajakapasitanssit, johdininduktanssit, kotelo - lisäksi magneettinen kytkeytyminen lähellä oleviin johtimiin - epäsuora purkaus metallipintojen kautta säteilevänä kenttänä eristekuorisenkin laitteen sisään - kriittiset kohdat: aukot, liittimet, "etupaneelikomponentit" - purkaus myös eristävän pinnan "läpi" - läpilyönti ilmassa 30 kv/cm; lika ym. -> 10 kv/cm ESD-suojaukset - metallikotelot, metallipinnat kytkettävä yhteen pieniohmisesti (<2,5 mohm), muodostettava virtatie maahan * varottava pitkiä kaapelivetoja -> säteilevä kenttä - kaapeleissa matalaimpedanssinen virtatie maahan (kuten I cm :lle) - liittimien oikea kytkentä ( 360 astetta ) - muovikoteloiden käytössä ESD-suojaus hankala * pieni-impedanssinen maataso, *epäsuoran purkauksen sieto

12 SUSKEPTIBILITEETTI, ESD SUSKEPTIBILITEETTI EPA-alue EPA-alue: ESD-suojattu alue - merkitty kyltein, tarroin (myös alueen loppuminen) - elektroniikkateollisuus, -huollot, -laboratoriot, tuote- ja komponenttivarastot jne... - puolijohtava lattia, EPA-kalusteet & vaatetus - keinokuituvaatteiden välttäminen, muovien välttäminen - oikeat pakkausmateriaalit! (suojaavat, antistaattiset) - oikeanlaiset työkalut, kolvit! - maadotusrannekkeiden käyttö, mittalaitekäsittely - vierailut: jalkinetesteri -> kenkien maadoitusliuskat, takit

13 SUSKEPTIBILITEETTI Magneettikentät - matalilla taajuuksilla kytkeytyminen silmukoihin - aiheuttajina: muuntajat ja hakkurit, suurivirtaiset laitteet, lääkintälaitteita, sähköjunat, raitiovaunut - suojautuminen vaikeaa * matala lähdeimpedanssi -> heijastushäviö pieni * silmukan suunnan vaihtaminen * käytetään materiaaleja, joilla suuri absorptiohäviö, my-metalli, permalloy, teräslaatuja * kun taajuus kasvaa (>100kHz) kupari ja alumiini SUSKEPTIBILITEETTI Verkkojänniteilmiöt: sähkönjakeluverkon häiriöt - harmoniset ja väliharmoniset * TV ja toimistotekniikka suurin aiheuttaja * max. sallittu särö 8%, kasvava ongelma - jännitevaihtelut, vajoamat ja katkokset 230V +10%/-15% - epätasapaino kolmivaiheverkossa - signalointi - taajuusvaihtelut

14 MAADOITUS JA LAYOUT 10.1 Pääperiaatteita 10.2 Systeemin ositus 10.3 Maadoitus 10.4 Siirtoimpedanssi 10.5 Maadoitusjärjestelmät 10.6 Suuret järjestelmät 10.7 Maadoitusjohdin MAADOITUS JA LAYOUT Perusajatuksena kontrolloida (häiriö)virtoja laitteen sisällä, sinne meneviä ja ulos tulevia -> osasijoittelu, reititykset, suojaukset Suojauksen toteutus - primary: piiri- ja layout-suunnittelu * kytkeytyminen, balansointi, kaistaleveys- ja nousunopeusrajoitukset, sijoittelu, maadoitukset - secondary: suodatus * ulkoiset kaapeloinnit, liittimet (suojaus) - tertiary: suojaus, kotelointi ("shielding ) * kallein toteutustapa * saattaa kuitenkin olla välttämätön Suunnittelu - layout ja maadoitusratkaisut tärkeimmät, usein myös halvimmat keinot

15 MAADOITUS JA LAYOUT Pääperiaatteita - laitteen jako osiin, osien sijoittelu - maadotus: pieniohminen * referenssimaa * virran paluutie * suojamaa - virtasilmukoiden välttäminen * varsinkin suurivirtaisten, nopeiden di/dt MAADOITUS JA LAYOUT Laitteen jako osiin EMC-mielessä - eri alueiden pitäminen erillään - yhteismuotoisten virtojen hallinta - jako kriittisiin ja ei-kriittisiin osiin * molemmat voivat häiritä tai häiriintyä * kriittisiä: mikroprosessorit, videopiirit (nopeita signaaleja) ja heikot analogiasignaalit * ei-kriittisiä: hitaat signaalit, lineaariteholähteet, tehovahvistimet Suojaus: tarvittava koko? - koko kotelo, huomattava aukot, liittimet - lohko (esim. piirikortti tai osa siitä) - yksittäisen komponentin Suojaus toimii säteilevien emissioiden pienentäjänä ja referenssimaana Yhtenäinen maataso on hyvä suojaustapa

16 MAADOITUS JA LAYOUT Systeemin ositus toiminnallisiin osiin MAADOITUS JA LAYOUT Maadoitus (grounding / earthing) Maadoitus (amer: grounding / engl: earthing ) 1. Suojamaa - sähköturvallisuuden vuoksi kaikki kosketeltavissa olevat metalliosat kytketty suojamaahan (ellei ole kaksoiseristetty laite) ("Williams: earthing ) - ei sovellu signaalitieksi, eikä referenssimaaksi * mahdolliset vikavirrat * verkkosuodattimen kondensaattorien läpi häiriövirtoja * ylijännitesuojien kytkentä - laitteet kytkeytyvät toisiinsa suojamaan kautta * joskus voidaan häiriöitä vähentää lisäämällä impedanssia signaalitaajuuksilla * tällä ei saa huonontaa suojamaadoitusta eikä transienttisuojien toimintaa - erotus isoloinneilla

17 MAADOITUS JA LAYOUT Maadoitus (grounding / earthing) 2. Referenssimaa - vertailupiste laitteen ja piirien jännitteille - ideaalinen olisi äärettömän jäykkä * jännitetaso vakiona virroista riippumatta -> ideaalinen johdin, ei impedanssia - johtimella aina impedanssi (taajuusriippuva) 3. Paluuvirtamaa - paluutie sähkönsyötölle ja signaaleille - koska aina impedanssia -> jännite-erot EMC:n kannalta maadoituksen tärkein tehtävä on minimoida häiriöjännitteet kriittisissä paikoissa toteuttamalla niille matalaimpedanssinen siirtotie. MAADOITUS JA LAYOUT Esimerkkipiirin maavirrat

18 MAADOITUS JA LAYOUT Siirtoimpedanssi - maadoitus muodostuu virtateistä, joille pyritään toteuttamaan matala siirtoimpedanssi (Z T ) - Z T riippuu maadoituksen rakenteesta, muodosta * putkirakenteella pienin Z T ( koaksiaalimalli ) * suurin rinnakkaisella johtimella * maatasorakenne hyvä - hajakapasitansien merkitys kytkeytymisessä MAADOITUS JA LAYOUT Siirtoimpedanssi

19 MAADOITUS JA LAYOUT Maadoitusjärjestelmät Maadoitusjärjestelmät - yksipistemaadoitus (tähtimaadoitus) - monipistemaadoitus (sarja-, puumainen maadoitus) - yhdistelmämaadoitus (hybridi) Yksipistemaadoitus - yksinkertaisin - sopii matalataajuisille laitteille * matalataajuinen: järjestelmän koko < lamda/10 * laitekaapit f < 1 MHz - jos osat "kaukana" toisistaan, taajuuden kasvaessa CM-potentiaalierot kasvavat * hajakapasitanssit alkavat muodostaa virtateitä (maasilmukoita) -RF:llä: jos etäisyys sama kuin lamda/2 parittomat monikerrat -> osat näkyvät eristettynä MAADOITUS JA LAYOUT Maadoitusjärjestelmät Modifioitu yksipistemaadoitus - yhdistetään samanlaiset yksiköt ensin toisiinsa ja ne yhteiseen maahan - häiriöisimmät lähimmäksi maapistettä - jos yksiköllä useampi maareitti, suojadiodien käyttö Monipistemaadoitus - useita maadoituspisteitä - suurille järjestelmillä tai kun osat ovat kaukana toisistaan tai korkeille taajuuksille (>100 khz)

20 MAADOITUS JA LAYOUT Maadoitusjärjestelmät Hybridimaadoitus - jos dimensiot ~ lamda/10 yksipiste- ja monipistemaadoitus käyvät - laajemmissa ja mutkikkaammissa laitteissa sekä matalia että korkeita taajuuksia -> hybridimaadoitus - laitteisto ja maadoitus jaotellaan osiin - korkeat taajuudet maadoitetaan kondensaattorien kautta * maadoituksen toiminta eri matalilla ja korkeilla taajuuksilla * vältettävä RF:n seisovia aaltoja * varottava resonansseja, kun lisätään kondensaattoreita ("LC") Maajärjestelmässä syntyvät silmukat - suojamaadoitusjohtimien kautta - kapasitiivisina kytkeytymisinä (esim. laiterunko, jopa betoniraudoitus) - signaalin suojavaippojen kautta (jos maadoitettu molemmista päistä) MAADOITUS JA LAYOUT Maadoitusjärjestelmät

21 MAADOITUS JA LAYOUT Maajärjestelmät Maajärjestelmä - sunnittelu osana johdotusta - samat säännöt kuin muussakin layout-suunnittelussa ja lisäksi erityispiirteitä - matala impedanssi -> leveät johtimet, liuskat, tasot * induktiivinen osa merkittävämpi kuin resistiivinen, kun d > lamda/20 Maajärjestelmien pito erillään - erilaiset toiminnat erillään (osittaminen, partitioning) - suojamaa "sähköturvallisuuskäyttöön" - referenssi ja paluuvirtamaa erillään (signaali & käyttöjännite) - suojauskomponenttien maa erillään signaali- ja referenssimaasta - tehopiirien ja signaalien maat erillään, jottei virran aiheuttamaa jännite-eroa - analogia- ja digitaalipiirien maat erilleen, kytkentä yhdestä pisteestä lähellä tehonsyöttöä * ei ole aina paras mahdollinen ratkaisu * suuri, yhtenäinen maataso voi olla parempi * ratkaisua pohdittava esim. A/D- ja D/A muuntimien yhteydessä * jos yhteiset käyttöjännitteet, erottaminen kuristimin tai suodattamalla MAADOITUS JA LAYOUT Maajärjestelmät Suuret järjestelmät - yleensä (vähintään) 2 erillistä maata ja suojamaa * paluuvirtamaa elektroniikalle * runkomaa: kotelot, laitetelineet - yhdistys yhdessä pisteessä - varottava pinnoitteita, maaleja, korroosiota, ruostetta Laitekaapit - rungot ja metalliosat yleensä yhdistetty suojamaahan - yksiköt yleensä yhdistetty runkoon - virransyöttö ja (osa) signaloinneista äitilevyn kautta ->pistoyksikkörakenne, varmistuttava maadoituksista - yksikön sisällä oma maadoitusratkaisu, liityntä yleensä yhdestä pisteestä runkoon

22 MAADOITUS JA LAYOUT Laitekehikon maadoitusrakenne MAADOITUS JA LAYOUT Maadoitusjohdin Maadoitusjohtimien impedanssi - matalilla taajuuksilla resistiivinen ja pieni - suurilla taajuuksilla induktanssit ja hajakapasitanssit määräävät impedanssin - johdon paksuuden merkitys pieni (skin-efekti) * ominaisinduktanssi (6-8 nh/cm), riippuu taajuudesta * litteä pyöreää parempi - johtimen pituus * sijaiskytkentä resistanssi + induktanssi + hajakapasitanssi * rinnakkaisresonanssivaara, jolloin impedanssi kasvaa suureksi * pituus alle lamda min /4 (suurinta taajuutta vastaava lamda) * jos lamda min /20 ei resonanssivaaraa

23 MAADOITUS JA LAYOUT Maadoitusjohdin - suurilla taajuuksilla eivät keskitetyt komponenttimallit käy, vaan tarvitaan siirtojohtotarkastelu -> oikosulku muuttuu taajuusriippuvaksi impedanssiksi Jos signaali käyttää maadoitusta paluutienä - impedanssin oltava paljon vaihtoehtoisia reittejä pienempi - jos impedanssi suuri, suuritaajuiset signaalit palaavat hallitsemattomasti -> häiriöitä MAADOITUS JA LAYOUT Pitkän johtimen impedanssi

24 MAADOITUS JA LAYOUT 10.8 Maarakenteet pcb:llä 10.9 Ylikuuluminen I/O maa-alue Suunnittelussa huomioon otettavaa MAADOITUS JA LAYOUT PCB layout Piirilevysuunnittelulla suuri merkitys EMC-ominaisuuksiin - ositus, johdotus- ja maadoitus - suunnitteluohjelmien rajoitukset huomattava * herkkien signaalien maavedot ensin, niiden signaalit lähelle Ohjeita piirilevysuunnittelijalle - ositus toiminnallisuuden mukaan - herkkien komponenttien ja I/O-linjojen paikkavaatimukset - kriittiset maadoitukset - missä maadoituspisteet saavat olla yhdessä, missä eivät - mitkä signaalilinjat pidettävä maavetojensa lähellä - muita signaalien reititysohjeita

25 MAADOITUS JA LAYOUT PCB layout Maadotus piirilevyllä, toteutustavat. - johtovedot (erilliset vedot, ilman maatasoa) - verkkomainen - maataso(t) Johdottamalla toteutettu maa (track) - mahdollisimman pieni impedanssi: leveät, lyhyet vedot - reititys rinnakkain, lähellä signaalia - PCB:llä vedon pituus dominoi, induktanssin suuruus (~f) ratkaisee MAADOITUS JA LAYOUT PCB layout Verkkomainen maa (grid) - yleensä digit. piireille, joille vaikea toteuttaa johtimin - leveät vedot, joiden yhdistyksessä käy kapeatkin siltaukset ( parempi kuin ei ollenkaan ) - nopeat (di/dt) signaalit lähellä maata - maaverkon suunnittelu ensin - läpivientien impedanssien vaikutus (via, vias) - matalataajuisilla, herkillä analogiasignaaleilla oltava eri maa kuin digitaalisignaaleilla - älä käytä "kamparakenteista" maadoitusta, siinä pitkät maavedot -> lisää tai muuta verkkomaaratkaisuksi

26 MAADOITUS JA LAYOUT PCB layout, verkkomaarakenne MAADOITUS JA LAYOUT PCB layout, kampamainen rakenne

27 MAADOITUS JA LAYOUT PCB layout Maataso - suuri, yhtenäinen (virran kulkusuunnassa) - ei tarpeettomia katkaisuja tai aukaisuja - siltaukset kriittisten signaalien kohdalla, jos taso katkaistu - voi olla ositettu erilaisille piireille (anal./digit.), ei aina * monikerroslevyllä erilaiset maatasot eivät saa mennä päällekkäin eri kerroksilla - maataso pienentää silmukoiden aloja -> pienemmät emissiot kortilta -> pienempi häiriintyminen - ellei erillistä maatasoa, signaali ja sen paluu vierekkäin - digit. piirien virransyötön decoupling-kondensaattori mahdollisimman lähelle piiriä MAADOITUS JA LAYOUT PCB layout Kaksipuolinen piirilevy - maatason (tai maalinjojen) oltava kriittisten vetojen alapuolella (näille matalaimpedanssinen paluutie) - ylimääräiset" kuparialueet: ei jätetä kellumaan, vaan kytketään maahan (tai käyttöjännitteeseen) - muistettava, että RF:n paluuvirta ei tule levyllä lyhintä tietä takaisin, vaan kytkeytyy ympäristöönsä (tasot, johtimet) siellä missä pienin impedanssi ko. taajuudella -> pieni silmukka: signaali - paluu - maavedot johtimien alla tai vieressä * virrat eri suuntiin L tot = L1+L2-2M M = keskinäisinduktanssi, riippuu johtimien etäisyydestä hyvin suunniteltuna M ~ L, jolloin L tot -> 0 * virrat samansuuntaiset: L tot = (L+M)/2

28 MAADOITUS JA LAYOUT PCB layout, paluuvirtatiet MAADOITUS JA LAYOUT PCB layout Maatasot (PCB:llä useita) - toteutettavissa monikerroslevyillä - helpoin tapa toteuttaa pieni impedanssi -> matalaimpedanssinen paluutie (ensisijainen tarkoitus) - myös suojausvaikutus (-toiminta) toteutettavissa (toissijainen) - esim. nelikerroslevy: signaalitaso1 / maa / tehotasot / signaalitaso 2 - maatasoja voi olla useitakin - monikerroslevyjen haittoja: * hinta korkeampi * testaus ja korjaus hankaloituvat - rakenne voi olla tehokas vaimentamaan häiriöitä * pienentävätkö komponenttien jalat/johdot suojausvaikutusta - suuri pakkaustiheys -> lyhyet vedot - soveltuu hyvin digitaalielektroniikalle ja RF:lle - myös maatasolla impedanssin kasvu taajuuden kasvaessa * rajataajuudesta ("skin") lähtien 10 db/dek, kun johtimella 20dB/dek - levyn reunojen lähellä induktanssi kasvaa ja impedanssi näkyy suurempana -> reunoille ei kriittisiä vetoja tai komponentteja

29 MAADOITUS JA LAYOUT PCB layout, katkottu maataso MAADOITUS JA LAYOUT PCB layout Ylikuuluminen (cross talk) - tahaton/ei toivottu sähkömagneettinen kytkeytyminen lähellä olevien johtojen (tai osien) välillä - kytkeytyminen induktiivisesti, kapasitiivisesti tai yhteisen maadoituksen kautta tai yhdistelmänä näistä - maatasolla pienennetään signaalin maaimpedanssia merkittävästi * teoriassa db, käytännössä vähemmän - samaa ilmiötä kuvaa myös isolaatio * crosstalk: [%] ,1 * isolaatio: [db] crosstalk yleensä aika-alueessa - isolaatio yleensä taajuusaluessa, käsitellään jännitteitä - yleensä alle 20 db:n isolaatiota ei kannata tehdä

30 MAADOITUS JA LAYOUT PCB layout: crosstalk, ylikuuluminen MAADOITUS JA LAYOUT PCB layout Silmukan ala - mahdollisimman pieniä, helpoin toteuttaa maatason avulla - (signaali)johto ja sen paluu vierekkäin/alekkain, varsinkin jos suuri di/dt - ala ratkaisee diff.mode-emissiot ja immuniteetin - pienikokoiset komponentit helpottavat tilannetta * ei turhan pitkiä jalkoja, eikä varsinkaan "jumpperitoteutuksia" * pintaliitoskomponentit hyviä

31 MAADOITUS JA LAYOUT PCB layout: silmukan ala, esimerkkejä MAADOITUS JA LAYOUT PCB layout Input/output (I/O) maa-alue - I/O:lle tarvitaan "puhdas", häiriötön, matalaimpedanssinen maa-alue * kytkennät, kaapeloinnit, suodatus, suojaukset * RF-suodatuksen kannalta välttämätön - piirikortin erillinen alue, jonne I/O-liitännät ryhmitellään tai metallilevy, jossa liittimet asennettuna - tällä alueella myös muiden maa-alueiden ja -johtimien yhdistäminen matalaimpedanssisesti yhdessä pisteessä (external ground, kuori- ja runkomaa, suojamaa) - jos I/O-linjoja tuotava laitteeseen muusta suunnasta, nekin kytkettävä tälle alueelle - vaikutus sekä emissioihin, että immuniteettiin -> transientti- ja ESD-suojien kytkentä - jos DC-isolaatiovaatimus, RF:lle kytkentä kondensaattoreilla (keraami/polyesteri) - tehonsyötön kytkentään suodatin

32 MAADOITUS JA LAYOUT PCB layout Kaapelointi - kaapelien suojavaipat kytkettävä häiriöttömään I/O - maahan - suodatus, isolointi, bufferointi - suojavaipan, suojauskomponenttien, suodatuksen jne. oikein suoritettu kytkentä MAADOITUS JA LAYOUT PCB layout: puhdas maa-alue pcb:llä

33 MAADOITUS JA LAYOUT PCB layout: I/O maa-alue MAADOITUS JA LAYOUT PCB layout: suojavaippojen kytkentä

34 MAADOITUS JA LAYOUT PCB layout Maadoituksen suunnittelussa huomioon otettavaa: - älä laajenna digitaalimaata analogiapiirien alle - analogia- digitaalimaiden yhdistäminen A/D-muuntimen luona - digit. piireille tulevien linjojen (I/O) bufferointi * optinen isolaattori tai rele: parhaat, kalleimmat * erillinen bufferointipiiri I/O-maahan * sarjavastuksella, kuristimella tai rinnakkaiskondensaattorilla puhtaaseen maahan - aloitetaan herkimmistä tai pahimmista * suuri di/dt: kellot, prosessorit, dataväylät, oskillaattorit, hakkuriteholähteet * häiriintyviä: herkät liipaistavat tulot, kellosignaalit, tarkat herkät analogiasignaalit - silmukka- ja maaimpedanssien pitäminen pienenä ->silmukoiden ja maavirtojen säteilyn pienentäminen myös kytkeytymisen pienentyminen -> suskeptibiliteetti kasvaa - puhdas I/O maa - eri tyyppisten maiden pitäminen erillään, yhdistäminen yhdessä pisteessä DIGITAALIPIIRIKORTTIEN SUUNNITTELU 11.1 Emissioiden hallinta, Fourier-sarjat 11.2 Aaltomuotojen spektrit 11.3 Logiikkapiirien valinta 11.4 Logiikkapiirien säteily (DM, CM) 11.5 Kellosignaali 11.6 Emolevyt 11.7 Siirtolinjojen soiminen 11.8 Decoupling-kondensaattorit

35 DIGITAALIPIIRIKORTTIEN SUUNNITTELU Emissioiden kontrollointi - digitaalipiirit yleensä häiriöisiä * korkeataajuiset kanttiaallot -> harmoniset leviävät kauas taajuusalueessa * mahdolliset kaapeliresonanssit - analogiapiirit yleensä hiljaisempia, poikkeuksia: * laajakaistaiset videopiiri (>1MHz) * korkeataajuiset oskillaattorit * nopeat di/dt * hakkurit Fourier sarjat - aikataso <-> taajuustaso -muunnos - oskilliskooppi <-> spektrianalysaattori DIGITAALIPIIRIKORTTIEN SUUNNITTELU Fourier sarjat - siniaalto: vain perustaajuus - kanttiaalto: parittomat harmoniset (kellot) - saha-aalto: molemmat harmoniset (parilliset ja parittomat) - trapetsi: parittomat harmoniset (kytkentäilmiöt) * harmonisten amplitudi pienenee 1/(π*t r ) asti 20 db/dek, sitten 40 db/dek - differentiaalinen trapetsi: impulssi * korkeilla taajuuksilla kuten trapetsi, perustaajuudella ja matalilla harmonisilla pienempi amplitudi - asymmetrinen trapetsi * sekä parilliset että parittomat harmoniset * yleensä piirillä eri nousu- ja laskuajat

36 DIGITAALIPIIRIKORTTIEN SUUNNITTELU Aaltomuotojen spektrit Y(f) Frequency (Hz) Y(f) Frequency (Hz) Y(f) Frequency (Hz) Figure 6.1. Frequency spectra for various waveforms DIGITAALIPIIRIKORTTIEN SUUNNITTELU Logiikkapiirien valinta Logiikkapiirien valinta - nopeat nousu- ja laskuajat -> emissiot * datasivuilla yleensä nopeimmat arvot, vaihtelu suurta - käytä mahdollisimman hitaita nousu-/laskuaikoja * osita nopeat sinne missä tarvitaan * useita "paikallisia" kelloja - osassa piirejä otettu emissiot huomioon * nousu- ja laskuaikoja optimoitu

37 DIGITAALIPIIRIKORTTIEN SUUNNITTELU Logiikkapiirien säteily Logiikkapiirien säteily Differential mode (DM) - aiheuttajana pieni kehäantenni * säteilytehokkuus kasvaa 40 db/dek lamda/2 asti, sitten resonanssi ja pieneneminen - trapetsin verhokäyrä puolestaan pienenee 1/(π*t r ) asti 20dB/dek sitten 40 db/dek -> emissio vakio tietyllä taajuusalueella - DM-emissiot aiheutuvat virtasilmukoista * sallittu silmukan koko laskettavissa tai silmukassa kulkevan virran aiheuttama kenttä laskettavissa - maatason layout olennainen DM:n hallintaan * usein suojaus ja suodatus välttämättömiä -> kustannusvertailu: yksi nopea, vai useampi hidas prosessori DIGITAALIPIIRIKORTTIEN SUUNNITTELU Logiikkapiirien säteily - yleensä muutamat vedot dominoivat, * summautuminen verrannollinen sqrt(n) * jos eri taajuudet kyseessä, ei summautumista - ellei differential mode -säteilyä saada kyllin pieneksi ei päästä alle standardi-rajojen * vaikka päästäisiin, ei takaa rajojen alitusta, sillä common mode -emissiot dominoivat

38 DIGITAALIPIIRIKORTTIEN SUUNNITTELU Logiikkapiirien säteily Yhteismuotoinen (CM) -häiriö - yleensä dominoiva (vrt. DM) - lähteenä kaapelointi ja metallirakenteet - kasvaa taajuuden kasvaessa - kaapelien säteily paljon tehokkaampaa kuin pienen silmukan (DMlähde) -> pienet CM-virrat aiheuttavat suuret emissiot - kaapeliresonanssien vaikutus (yl MHz) - "arviolaskenta" tehtävissä kuten DM:lle * kaapelipituus * kaapelin impedanssina käytetään yleensä 150 ohm -piirilevyllä olevan induktanssin merkitys suuri DIGITAALIPIIRIKORTTIEN SUUNNITTELU Logiikkapiirien säteily CM-virtojen välttäminen - ei virtoja referenssimaan ja kaapelivaippojen kytkentäpisteiden välille - I/O- piirien suodatus puhtaaseen maahan - kaapelivaippojen kytkentä puhtaaseen maahan - maan kohinajännitteiden minimointi matalilla impedanssitasoilla * maa / maataso - common mode dominoi f < 200 MHz

39 -20 db/dec DIGITAALIPIIRIKORTTIEN SUUNNITTELU Trapetsin verhokäyrä db Harmonic amplitude envelope -40 db/dec Amplitude db 8 MHz, t r = 32 ns 8 MHz, t r = 5 ns 1/T 1/πt r F t r 10 MHz 100 MHz log F T Figure 6.2. Harmonic envelope of a trapezoid DIGITAALIPIIRIKORTTIEN SUUNNITTELU Trapetsin emissiot db emission spectrum envelope +40 db/dec radiating efficiency loop resonance db emission spectrum envelope +20 db/dec radiating efficiency -20 db/dec -40 db/dec total emissions total emissions F1 1/πt r log F F1 1/πt r log F Differential mode radiation Common mode radiation Figure 6.4. Emissions from digital trapezoid waves via different paths

40 DIGITAALIPIIRIKORTTIEN SUUNNITTELU CM-emissiot radiated emission 0.5 mm separation L l I CM = V N /150Ω V N developed across allowable length -20 db Figure 6.5. Common mode emission model DIGITAALIPIIRIKORTTIEN SUUNNITTELU CM- ja DM- emissiot dbµv / m 60 common mode EN55022 Class A differential mode f / MHz Figure 6.6. Comparison of common mode and differential mode emissions

41 DIGITAALIPIIRIKORTTIEN SUUNNITTELU Kellosignaali Kellosignaali - prosessorin kello usein emissioiden lähteenä * kapeakaistainen, aiheuttaa voimakkaat harmoniset * yleensä db korkeampi kuin muut digitaalipiirit - torjunta: ensin kapeakaitaisten * kellolinjojen layout, maadotus, bufferointi - seuraavaksi emissioiden vähentäminen muilta nopeilta linjoilta * data/osoitelinjat, emolevyt, videosignaalit - kellot usein "liian nopeita" (nousu-/laskuajat) - hidastamalla harmoniset pienenevät * sarjaimpedanssi * rinnakkaiskapasitanssi (saattaa kasvattaa kapasitiivista kuormitusta) -> di/dt kasvaa ja aiheuttaakin huononnusta * bufferointi - usein linjaan pieni resistanssin ja/tai pienihäviöinen kela tai ferriitti DIGITAALIPIIRIKORTTIEN SUUNNITTELU Kelloharmoniset Figure 6.7. Typical emissions plot showing clock harmonics