Mark Cantrell, Analog Devices
מבודדים דיגיטליים iCoupler® בעלי הספק משולב מבודד (isoPower®) משתמשים בממירי dc-to-dc מבודדים הממתגים זרמים של 700~ מילי-אמפר בתדרים של עד 300 מגה-הרץ. פעולה בתדרים גבוהים אלה מחייבת שיקולים אודות פליטות קורנות (radiated emissions) ורעש מודרך(conducted noise) . תכנון ובניה של מעגלים מודפסים מהווים כלי חשוב לבקרה על פליטות קורנות ורעש מיישומים המכילים רכיבי isoPower. מאמר זה מזהה את מנגנוני הקרינה ומציע הכוונה ספציפית על אופן הטיפול בהם.
קיימים מספר תקנים עבור פליטות קורנות. בארה”ב, ה-Federal Communications Commission מפקחת על התקנים ושיטות הבדיקה. באירופה, ה-International Electrotechnical Commission מפיקה תקנים, ושיטות הבדיקה של CISPR משמשות להערכת הפליטות. השיטות וגבולות העובר/נכשל הם שונים במקצת על-פי שני התקנים. אם כי מאמר זה מתייחס לתקן FCC, כל התוצאות ישימות לשני התקנים.
עם בחירות תכנון נכונות, התקני isoPower יכולים לענות בנקל על תקני הפליטות FCC Part 15, Subpart B, Class A (FCC Class A). בצורה זהירה, מוצרים אלה יכולים לענות גם לתקני FCC Part 15, Subpart B, Class B (FCC Class B) בסביבה ללא סיכוך. מאמר זה בוחן טכניקות אפחות (mitigation) ה-EMI המתייחסות למעגלים מודפסים, כולל תכנון כרטיסים וסוגיות stack-up. ביקורת על קרינות מכבלי אותות וטכניקות סיכוך אושיות הן מחוץ למטרות מאמר זה.
סקירה כללית isoPower
משפחת המוצרים ADuM5xxx מהווה צעד משמעותי קדימה בטכנולוגיית הבידוד. Analog Devices, Inc. ניצלה את ניסיונה בתכנון מיקרו-שנאים כדי ליצור ממירי הספק dc-dc בגודל שבב. ממירי הספק אלה כלולים בתוך מוצרי בידוד האותות של Analog Devices. רמות הספק של עד חצי ואט זמינות, במתחי מוצא הנעים מ-3.3 וולט עד 15 וולט. isoPower משמש להזנת הצד המשני של ערוצי הנתונים iCoupler כמו גם להספקת הספק לעומסים מחוץ-לשבב.
Analog Devices משתמשת במספר ארכיטקטורות הספק כדי להשיג את מטרות התכנון הרצויות, כגון יעילות, ממדים קטנים או מתח מוצא גבוה (ראה איור 1). לארכיטקטורות אלה שלושה מרכיבים משותפים: שנאי לחיבור ההספק לצד המשני של ה-iCoupler, מעגל מאגר (tank) מתנד הממתג את הזרם בתוך השנאי בתדר מיטבי לשם העברת הספק יעילה, ומיישר היוצר מחדש רמת dc בצד המשני. כמה שיטות רגולציה משמשות במוצרים אלה.
הפיזיקה של השנאי דורשת שמעגל המתנד ימתג זרם אל השנאי בקצב הנע בין 180 מגה-הרץ עד 300 מגה-הרץ. מעגל היישור בצד המשני מכפיל למעשה את התדר במהלך תהליך היישור. פונקציות אלו הן מקובלות בספקי כוח ממותגים; אולם תדר ההפעלה הוא בשלושה סדרי גודל יותר גבוה מאשר בממיר dc-dc רגיל.
הרעש הנוצר על-ידי פעולת הממיר בתחום מ-30 מגה-הרץ עד 1 גיגה-הרץ מדאיג מבחינת הפליטות הקורנות.
מקורות של פליטות קורנות
קיימים שני מקורות של פליטות במעגלים מודפסים בהם משתמשים ב-isoPower: פליטות קצה ופליטות דיפול מבוא-למוצא.
פליטות קצה
פליטות קצה קורות כאשר זרמים לא מתוכננים פוגשים את הקצוות של משטחי ההארקה וההספק. זרמים בלתי מתוכננים אלה יכולים לנבוע מ:-
•רעש הארקה והספק (ground and power noise), המופק על-ידי מעקף לא מתאים של מעגלים לייצוב זרם בהספק גבוה.
•שדות מגנטיים בעלי פליטה גלילית הנובעים מחדירות השראתיות המוקרנות החוצה בין שכבות הכרטיס והפוגעות לעתים בקצות הכרטיס.
•זרמי מטען הדמיה בקו רצועה המתפשטים מקווי אותות בתדר גבוה העוברים קרוב מידי לקצות הכרטיס.
פליטות קצה מופקות (ראה איור 2) כאשר רעש הפרשי ממקורות רבים פוגע בקצה הכרטיס ויוצר דיפול. פליטות הקצה מופיעות לרוב במישור הכרטיס.
פליטות דיפול מבוא-למוצא
קרינת דיפול מבוא-למוצא נוצרת על-ידי העברת מקור זרם דרך חריץ בין מישורי ההארקה. זהו המנגנון השולט עבור יישומי isoPower. ספקי כוח מבודדים מעבירים, מטבעם, זרם דרך חריצים במישורי ההארקה. חוסר היכולת של מטעני הדמיה בתדר גבוה הכרוכים באות ההספק לחצות את הגבול יוצר אותות הפרשיים בחריץ המזין את הדיפול. במקרים רבים, זהו דיפול גדול מאוד כמוצג באיור 3. מנגנון דומה גורם לקווי אותות בתדר גבוה להקרין כאשר הם חוצים פיצולים במישור ההארקה וההספק. סוג זה של קרינה הוא לרוב ניצב למישורי ההארקה.
ההתקן ADuM540x משמש כדוגמה טובה לסוגיות הכרוכות בהפקה וריסון הפליטות. מעגל המתנד ב-ADuM540x רץ בכ-180 מגה-הרץ. הוא יכול לווסת את המוצא שלו ל-5 וולט או 3.5 וולט על-פי בקרה של פין בצד המשני. מתח המבוא יכול להיות בתחום 3 עד 5 וולט. מוד הפעולה בהספק הגבוה ביותר הוא 5 וולט מבוא ו-5 וולט מוצא. תצורה זו נבחנת במאמר זה.
כאשר הפעולה היא במלוא 100 מילי-אמפר עומס מוצא, זרם המבוא הממוצע הוא כ-290 מילי-אמפר. זה אומר שזרם השיא במעגל התהודה הוא יותר מכיפליים ערך זה בקצב מיתוג של 180 מגה-הרץ.
קבל המעקף של הרכיבים אמור לספק זרם בתדר גבוה זה בצורה מקומית. זהו זרם גדול מאוד בטיפול של קבל מעקף. הקבל צריך לספק מאגרי מטען גדולים. באותו הזמן, לקבל צריכה להיות התנגדות מאוד נמוכה ב-180 מגה-הרץ. אף עם קבלי ESR נמוך מרובים ליד הפינים, המעקף המוגבל השראתית יוצר מתחי מעבר והרעש מוזרק לתוך מישורי ההארקה וההספק.
ההספק מועבר לצד המוצא, שם הוא מיושר ל-dc. תהליך היישור מכפיל את תדר התהודה ל-360 מגה-הרץ. הפליטות מבוא למוצא נמצאות לרוב בתדר היישור עם תרומות מסוימות מתדר התהודה וההרמוניקות הגבוהות. איור 4 מציג נתוני המקרה הגרוע ביותר הנאספים בכרטיס הערכה דו-שכבתי, ונאספים בעזרת פרוב שדה קרוב.
כרטיס בעל פליטות של שדה קרוב , כמתואר באיור 4, וללא סיכוך אושיה, ייכשל בתקני פליטותFCC Class B בכ-40 dB בשיא של 360 מגה-הרץ.
מקורות של רעש מודרך
הזרמים והתדרים הגבוהים מפיקים גם רעש מודרך (conducted) במישורי ההארקה וההספק. בעיה זו מטופלת בעזרת הסוגיה של פליטות קורנות מאחר שהסיבות והתרופות עבור שני סוגי ה-EMI יכולות להשתפר בעזרת המבנים של מעגלים מודפסים של הארקה והספק.
אי-היכולת של קבלי המעקף ומישורי ההארקה/הספק לספק זרם מתאים עבור הממיר dc-dc isoPower יוצרת רעש VDD. הממיר dc-dc ממתג הספק בפרצים של 2.5 ננו-שניות באמפליטודה של -700 מילי-אמפר. קבל מעקף אידיאלי של כמה מיקרו-פרדים יוכל לספק זרם זה. הבעיה היא שקבלי המעקף אינם אידיאליים והם מתחברים לפחות לאחד ממישורי ההספק על-ידי השראה. בנוסף, מרחק גדול בין מישורי ההארקה וההספק יוצר השראות גדולה ביניהם ומצמצם את יכולתם לספק זרם במהירות. גורמים אלה תורמים לרעש בתדר גבוה במישור VDD בחלק גדול של וולט.
טכניקות אפחות של EMI
טכניקות אפחות רבות זמינות למתכנן. בפרק זה מזוהות טכניקות אחדות המתאימות ישירות להתקני isoPower. הבחירה של מידת הנמרצות בה יש לתקוף את ה-EMI עבור תכנון המיועד לעבור את רמות הפליטות של ה-FCC תלויה בדרישות התכנון כמו גם בפשרות העלות והביצועים. טכניקת האפחות של EMI קורן הקלה ביותר למימוש היא להעמיד את בכרטיס על אושיה מוארקת בעלת מרכיבי סינון המגבילים את הרעש הנפלט מסיכוכי הכבלים. אם כי מאמר זה איננו דן באופציה זו, יש לרשום שכאשר טכניקות הקשורות למעגל המודפס אינן אפשריות או מעשיות, שיטה זו נשארת תקפה.
נוהלי האפחות ב-EMI מסתמכים על מישורי הארקה והספק רציפים יחסית, והיכולת לקבוע את המצבים והמרחקים היחסיים ב-stack-up. דבר זה מכתיב שהמספר המזערי הכולל של מישורים הוא שלושה: מישור ההארקה, ההספק והאותות.
בשל שיקולים מעשיים בייצור הכרטיסים, כרטיס בעל 4 שכבות הוא ה-stack-up המזערי. יותר שכבות אפשריות כאשר הן אינן מפריעות למישורי ההארקה וההספק הבסיסיים.
הטכניקות הבאות הן יעילות להקטנת קרינת ה-EMI והרעש על הכרטיס:
•תפירת (stitching) מישור ההארקה מבוא-למוצא
•שמירת הקצוות
•עקיפת קיבול שקוע (buried)
•בקרת הספק
כרטיסי מעגלים בעלי מבנה בדיקתי הוכנו כדי להעריך כל אחת מטכניקות אפחות ה-EMI תוך שימוש ב-ADuM540x. התכנון של כל כרטיס שונה במידה מזערית כדי לאפשר השוואה נכונה של התוצאות. הבדיקות נערכו במתקן לבדיקת EMI תחת תנאים תקניים של הרישוי FCC Class B. כמצופה, במהלך בדיקת ה-EMI, נקבע שהפליטות בתדר המאגר (180 מגה-הרץ) היו בעיקר במישור הכרטיס, דבר הרומז שהמנגנון הראשוני של קרינה טמון בקצות הכרטיס. פליטות היישור (360 מגה-הרץ) הן בעיקר ניצבות לכרטיס כך שמניחים קרינת דיפול מבוא-למוצא.
תפירת מבוא למוצא
כאשר זרם עובר לאורך עקבות הכרטיס, מטען הדמיה מופיע לאורך מישור ההארקה מתחת לעקבות. אם העקבה חוצה חיץ במישור ההארקה, מטען ההדמיה אינו יכול לעקוב אחריו. דבר זה יוצר זרמים ומתחים הפרשיים במעגל המודפס, וגורם לפליטות קורנות ומולכות. הפיתרון הוא לספק נתיב עבור מטען ההדמיה כדי שיעקוב אחר האות. נוהל מקובל הוא להציב קבל תפירה קרוב לאותות לאורך החיץ במישור ההארקה (ראה פרק הסימוכין). אותה הטכניקה פועלת למזעור הקרינה בין מישורי ההארקה בשל הפעולה של ה-isoPower.
קבל תפירה ניתן לבנות עם תבניות נחושת על הכרטיס. איור 5 מציג תבנית מתכת הבנויה על מישור הספק שקוע. מישורי ההארקה, המוצגים באיור 5 כקווים מקווקווים, חורגים ממבני המתכת הצפים ויוצרים גשר קיבולי בעל השראות נמוכה ביותר בין ה-GNDi וה-GNDISO. ביישומים מעשיים, למישורי ההארקה צריך להיות היקף חיצוני זהה לזה של מישורי ההספק; אולם הם מוצגים כגדולים יותר כדי להבליט את צורתם. יש לבנות מבנים אלה על מישורי הכרטיס הפנימיים כדי לשמור על שלמות המרחק החופשי על מישור הכרטיס. מטעני הדמיה בתדר גבוה יכולים עתה להתחבר לצד המשני תוך הקטנה דרסטית של קרינת הדיפול.
כאשר מוסיפים גדלים שונים של קיבול בין מישורי המבוא והמוצא, קרינת הדיפול ב-360 מגה-הרץ ומעל זה מוקטנת דרסטית. תוצאות בדיקה עבור כמויות שונות של קיבול מבוא-למוצא מוצגים באיור 6. שים לב שההקטנה העיקרית בקרינות מושגת בעזרת קיבול תפירה של כ-100 pF. זאת כנראה בגלל שלקיבול הקרוב יותר ל-ADuM540x יש ההשפעה הגדולה ביותר בהקטנת הקרינות. להרחבת המבנים הקיבוליים הרחק מה-ADuM540xיש פחות השפעה. ההשפעה של מבנה תפירה של 100 pF היא הפחתה ב-25 dB בפליטות הקורנות. ניתן להעריך את הקיבול בנקל בעזרת הקשר הבא. כדי למקסם את הצימוד, משוואה זו מניחה שאזור החפיפה בין המבנה הצף ומישור ההארקה הוא זהה בכל צד של חריץ השחרור של המעגל המודפס.
שמירת הקצוות
רעש במישורי ההספק וההארקה המגיע לקצוות של מעגל מודפס עלול להקרין כמתואר באיור 2. אם הקצה מטופל במבנה מסוכך, הרעש מוחזר חזרה לתוך המרחב בין המישורים (ראה פרק הסימוכין). דבר זה עשוי להגדיל את רעש המתח במישורים, אך להקטין את קרינת הקצוות. ניתן לבצע טיפול הולכה מוצק על כרטיס, אך זהו תהליך יקר. פיתרון פחות יקר הפועל היטב הוא לטפל בקצות הכרטיס עם מבנה של טבעת שמירה המחובר יחד בעזרת מוליכים (vias). בכרטיסי הניסוי של ה-ADuM540x, המרחק בין המוליכים היה 2 ממ’. מבנה זה מוצג באיור 7 ואיור 8.
הטיפול בקצוות היה אמור להשפיע במידה המודגשת ביותר על פליטות הקצה ממעגל המאגר ב-180 מגה-הרץ.
. גרף זה מציג את הקטנת פליטות המאגר עם הוספת קיבול תפירה. העקומה היא שטוחה יחסית; דבר שה מאשר שתדר המאגר איננו הקורן הבולט מדיפול המבוא למוצא. אולם, כאשר מוסיפים גדר מוליכים של 2 ממ’ לאותו סוג של כרטיס, הפליטות פוחתות בבמעט 10 dB. דבר זה מאשר שטיפולי קצה מפחיתים משמעותית את פליטת הקצה.
מעקף של הקיבול השקוע
מעקף הקיבול השקוע הוא טכניקה המיועדת להקטין הן את הפליטות המולכות והן את הקורנות של הכרטיס על-ידי שיפור סכימת המעקף בתדרים גבוהים. לכך יש שתי השפעות חיוביות. ראשית, הוא מקטין את המרחק בו רעש בתדר גבוה יכול להתפשט בזוג המישורים של הארקה והספק. שנית, הוא מקטין את הרעש ההתחלתי הנשלח לתוך מישורי ההארקה וההספק על-ידי יצירת קיבול עקיפה יעיל בין 900 מגה-הרץ ו-1 גיגה-הרץ (ראה פרק הסימוכין).
הקטנת רעש ההספק וההארקה מספקת סביבת עבודה טובה יותר עבור הרכיבים הרגישים לרעש בקרבת התקן ה-isoPower. שתי הפליטות, המולכת והמוקרנת מוקטנות יחסית להקטנת רעש ההספק וההארקה. ההקטנה בפליטות המוקרנות איננה כה משמעותית כמו זו המושגת בטכניקות של תפירה או שמירת קצוות, אולם היא משפרת משמעותית את סביבת ההספק של הכרטיס.
