Projektowanie systemów cyfrowych z wykorzystaniem izolatorów

Prowadzenie ścieżek

Wskazówki dotyczące prowadzenia ścieżek na PCB i umieszczaniu podzespołów są potrzebne, by zachować integralność sygnału, uniknąć przechwytywania szumów i zmniejszyć EMI. Choć stosowane są niezliczone ilości środków zapobiegawczych, w tym rozdziale przedstawiono jedynie kilka głównych wskazówek odnośnie topologii.

1. Ścieżki sygnałowe powinny mieć 3 razy większą odległość od podłoża, niż wysokość (d = 3h), w szczególności by zmniejszyć przesłuchy do 10%. Ponieważ gęstość prądu powrotny pod ścieżką sygnałową zanika jak funkcja 1/[1+(d/h)²], jego gęstość w punkcie d > 3h jest wystarczająco mała, by zapobiec wywoływaniu istotnego przesłuchu w ścieżce sąsiedniej.

   

   Rys. 17. Rozsunięcie ścieżek zmniejsza przesłuchy

2. Zaleca się użycie kątów 45º (sfazowane rogi), zamiast katów 90º. Kąty proste zwiększają efektywną długość ścieżki, a zatem też jej impedancję. To wywołuje dodatkowe niedopasowanie impedancyjne, które może prowadzić do zwiększonych odbić.

   

   Rys. 18. Należy stosować zakręty 45º, zamiast zakrętów 90º

3. W przypadku ciągłej pracy w zaszumionym środowisku należy podłączyć wejścia Enable izolatora przez przelotkę do odpowiedniej warstwy odniesienia, tzn. wejścia High-Enable do warstwy Vcc, a wejścia Low-Enable do warstwy masy.
4. Podczas prowadzenia ścieżek w pobliżu przelotek lub pomiędzy szeregami przelotek należy upewnić się, że obszar przelotek nie przerywa ścieżki powrotnej prądu w niższej warstwie uziemienia. Jeśli przelotka lub pole montażowe znajdzie się na ścieżce powrotnej, prąd odnajdzie omijającą drogę o najmniejszej indukcyjności. W ten sposób może on przebiegać pod innymi ścieżkami sygnałowymi, generując tym samym przesłuchy i zwiększając EMI.

   

   Rys. 19. Unikanie bliskości ścieżek z przelotkami

5. Należy unikać zmiany warstw ścieżek sygnałów, gdyż prowadzi to do wzrostu indukcyjności ścieżki.
6. W przypadku, gdy prowadzenie sygnału przez różne warstwy jest nieuniknione, każdej przelotce na ścieżce sygnału powinna towarzyszyć przelotka ścieżki powrotnej. W takim wypadku, należy stosować najmniejszy możliwy rozmiar przelotki, by zachować minimalny wzrost indukcyjności.
7. Stosowanie jednolitego podłoża i warstwy zasilania pozwalają kontrolować impedancję i zminimalizować szum zasilana.
8. Stosować krótkich ścieżek pomiędzy izolatorem a sąsiednimi obwodami pozwala zmniejszyć przenikanie szumów. Izolatorom cyfrowym towarzyszą zazwyczaj izolowane konwertery DC-DC, dostarczając zasilania poprzez barierę izolacyjną. Ponieważ jednostronna transmisja sygnałów jest wrażliwa na przenikanie szumów, częstotliwości przełączana konwerterów DC-DC mogą być z dużym prawdopodobieństwem przechwycone przez długie ścieżki sygnałowe.
9. Należy umieszczać kondensatory podłożowe (np. 10 µF) w pobliżu źródeł zasilania, takich jak regulatory napięcia lub miejsca, gdzie dołączone jest zasilanie PCB.
10. Mniejsze kondensatory przepustowe 0,1 µF lub 0,01 µF powinny być umieszczone w układzie poprzez podłączenie jednego z zacisków kondensatora do wejścia zasilającego układ i poprzez dwie przelotki do warstwy zasilania, a drugiej – uziemionej strony kondensatora przez przelotki do warstwy uziemienia.

    

    Rys. 20. Podłączenie kondensatora przepustowego bezpośrednio do wejścia Vcc

Przelotki

Termin „przelotka” jest powszechnie używany na określenie platerowanej dziurki w płytce drukowanej. Choć niektóre zastosowania wymagają przelotek o wystarczająco szerokiej średnicy, by zmieścić w nich wyprowadzenia komponentów, w projektowaniu płytek wysokich szybkości z reguły używa się ich do prowadzenia ścieżek przy zmianie warstwy sygnałowej, a także przy łączeniu przelotek w celu podłączenia elementów SMT do zadanej warstwy odniesienia i do łączenia warstw odniesienia na tym samym potencjale.

Warstwy połączone z przelotką uzyskuje się poprzez stworzenie bezpośredniego kontaktu z polem otaczającym przelotkę (polem przelotki). Warstwy, które nie powinny być połączone, są rozdzielane pierścieniem izolacyjnym. Każda przelotka stanowi pojemność do podłoża, która może zostać przybliżona następującym równaniem:

Gdzie
D2 = średnica dziury przelotki w warstwie uziemiającej [cale]D1 = średnica pola otaczającego przelotkę [cale]T = grubość płytki drukowanej [cale]Er – stała dielektryczna płytki drukowanej
C – pojemność pasożytnicza przelotki