מאת: אלי רכט, אל-אופ/אלביט
מגבלת פליטה בקרינה (RE-RADIETED EMMISSION) הינה דרישה מנדטורית עבור כל ציוד אלקטרוני לפני שווקו.
כתבה זו מתארת כלים פשוטים להארכה אנליטית ומהירה יחסית של רמת הפליטה ממעגלים אלקטרוניים והשוואתם לרמת התקן.
פליטה במוד דיפרנציאלי.
פליטה במוד דיפרנציאלי
זו היא פליטה מלולאה נשאת זרם. במעגלים אלקטרוניים כל מעגל מהווה לולאה המורכבת ממקור אות, הקו המוליך לעומס, ומשטח האדמה בין העומס למקור.
רמות הפליטה בשדה קרוב של שדה חשמלי E ושדה מגנטי H נתונים (ראה ציור מספר 1):
– שדה חשמלי קרוב בו שדה המגנטי קרוב.
– אימפדנס האינטרינזי של הריק.
– פרמביליות של ריק
– זרם של לולאה נמדד ב- 
– שטח לולאה ב- 
– אורך גל במטרים
– תדר ב- 
– מרחק ממקור הקרינה במטרים
קרינה E ו- H עבור שדה רחוק כאשר:
– מהירות האור 
המקורות הדומיננטיים בדרך כלל הינם שעונים ועבורם יש לבצע ניתוח הקרינה.
חוק אצבע:
הקטן תמיד את שטח הלולאה A ע”י שימוש בשכבות אדמה צמודות לשכבות מוליכים. דיאגרמת בודה של פליטה דיפרנציאלית (ציור מספר 2). דיאגרמת בודה של ספקטרום של אות דיגיטלי נתון בציור 3. השוואת הגבול של תקני התאלמ”ג ביחס לגרף בציור 2 מספק את רמת הסיכוך – אם בכלל – שיש לדרוש מהמעגל או התיבה של הכרטיס.
פליטה במוד משוף (CM-Common Mode).
דוגמא למצב בו קיימת פליטה במוד משותף מתוארת בציור 4. המודל מתואר בציור 5.
בשדה קרוב קיים:
– אורך המוליך
בשדה רחוק:
ציור מספר 6 מתאר את דיאגרמת בודה של רמות הקרינה כתלות בתדר. השוואת הגרף לרמת התקן מאפשרת קביעת עילות הסיכוך של הכרטיס או של התיבה או של הכבל.
לסיכום ע”י שימוש במודלים שהוצגו ניתן במהירות יחסית לקבוע את מצב פליטת הכרטיס עבור מקרה המצב הגרוע (שעונים), ומכאן להבין האם קיימת בעיה ואם כן מה היא רמת הבעיה (רמת הסיכוך הנדרשת). לדוגמא עבור קו באורך כ-m1 בתדר של 100MHz מספיק זרם באופן משותף הקטן מ-10μA כדי לחרוג מתקן (EN ו-FCC (μV/m 100.
להלן מספר הנחיות ברמת כרטיס וברמת תיבה המאפשרות עמידה בדרישות הפליטה בהולכה כמן גם דרישות תאלמ”ג נוספות.
להלן הנחיות תאלמ”ג ברמת כרטיס
1. בכניסת ההזנות לכרטיס יש למקם קבל של 10µF לפחות בין המתח לאדמה ובמקביל אליו קבל קרמי של 0.1µF-1µF.
2. ליד כל רכיב יש למקם קבל נטילת צימוד (Decoupling) בצמוד לרגל ההזנה ולרגל האדמה של הרכיב. יש להשתמש בקבלים קרמיים SMT.
מרחק הדקי הקבל מצידי האדמה והמתח לא יעלה על 2 מ”מ.
3. שכבת מוליכים דיגיטליים מהירים תהיה מעל או מתחת למשטח האדמה הדיגיטלית בכרטיס.
4. מוליכים איטיים יהיו מעל או מתחת שכבת הספקות של הכרטיס.
5. מוליכים אנלוגיים רגישים יהיו בין שתי שכבות אדמה אנלוגית או בין שכבת מתח אנלוגי לאדמה אנלוגית.
6. במקביל לקווים אנלוגיים רגישים יש למקם פסי אדמה בשכבת המוליכים (Guard Traces). פסי האדמה יחוברו לשכבת האדמה האנלוגית במספר נקודות.
המרחק בין הנקודות לא יעלה על 20 מ”מ. מרחק קווי האדמה ממוליכים רגישים יהיה 3W כאשר W הוא רוחב המוליך.
7. קווי שעון (Clock) יועברו כשבמקביל אליהם יעברו קווי אדמה (Guard Traces).
קווי האדמה יוארקו למשטח האדמה הדיגיטלית כל 20 מ”מ. מרחק בין קווי אדמה לשעון יהיה W3 כאשר W רוחב המוליך.
8. בכרטיס המכיל מעגלים אנלוגיים רגישים ומעגלים דיגיטליים יוקצה שטח נפרד לאזור המעגלים האנלוגיים ושטח נפרד לאזור המעגלים הדיגיטליים.
משטחי אדמה אנלוגיים יהיו מעל או מתחת לאזור הרכיבים האנלוגיים ומשטחי האדמה הדיגיטליים יהיו מעל או מתחת לאזור הרכיבים הדיגיטליים.
שכבת האדמה בכרטיס Mix Signals תחולק למשטחי אדמה אנלוגית ומשטחי אדמה דיגיטלית תוך יצירת “גשרים” בין המשטחים.
ה”גשרים” ימוקמו מעל או מתחת למוליכים העוברים בין האזור האנלוגי לדיגיטלי.
המרחק בין משטחי האדמה האנלוגית למשטח האדמה הדיגיטלית יהיה 2 מ”מ – הכוונה לפס מבדד בין המשטחים פרט לאזור ה”גשרים”.
במידה והכרטיס מכיל גם מעגל Power כגון דוחפי מנוע PWM או ספקי כח יש להקצות אזור נפרד למעגלי הכוח ומשטח אדמה נפרד להם.
מומלץ לספק אספקה נפרדת למעגלים אנלוגיים ואספקה נפרדת למעגלים דיגיטליים. ניתן להשתמש גם ביציאות נפרדות של אותו ספק לשתי קבוצות המעגלים.
במידה והמעגלים האנלוגיים והדיגיטליים ניזונים מאותה יציאת ספק, יש לפצל את קווי האדמה והמתח לכל אחת מקבוצות המעגלים כאשר נקודת הפיצול תהיה בצמוד ליציאת הספק.
יש למקם מסנן LC במוצאי המתחים האנלוגיים והדיגיטליים. ערך “ברירת מחדל”: הסליל יהיה 10µH והקבל יהיה 4.7µF ובמקביל אליו קבל 0.1µF.
רכיבי A/D ו-D/A ימוקמו באזור האנלוגי בצמוד למשטח הגבול בינו לבין האזור הדיגיטלי. האדמה הדיגיטלית (DGND) והאדמה האנלוגית (AGND) של הרכיב יחוברו שתיהן למשטח האדמה האנלוגית. קבלי Decoupling של רכיבי A/D ו-D/A יחוברו בין המתח האנלוגי ושכבת האדמה האנלוגית.
9. בחר תמיד זמני עלייה/ירידה איטיים ביותר המאפשרים פעולה פונקציונאלית תקינה.
לדוגמא בקווי RS422 בקצב אין טעם לעבוד בזמני עלייה/ירידה של מספר ננו שנייה ניתן להאט זמנים אלה עד
השתמש בקבלים בין הקווים או בין קו לאדמה כדי להאט את זמני המעבר.
10. אין להעביר מוליכים בקצוות הכרטיס.
המרחק בין המוליכים לקצוות הכרטיס יהיה לפחות H20 כאשר H גובה שכבת המוליכים משכבת האדמה.
11. במוליך גמיש יש לספק שכבת אדמה מעל ומתחת לעלי המוליך הגמיש החיצוניים. יש להאריק שכבות אדמה דיגיטליות במוליכים גמישים באמצעות הברגים המחברים את המוליך לאשיית התיבה. אדמה אנלוגית במוליך גמיש תהיה מבודדת מאדמת האשיה של התיבה. מוליכי שעון ומוליכים אנלוגיים רגישים יהיו מבודדים בפסי אדמה במקביל אליהם. הפסים יחוברו לאדמת המוליך הגמיש כל 30 מ”מ. במידה ובאותה שכבת מעגל גמיש יש מוליכים אנלוגיים ודיגיטליים יש לדאוג שהמרחק ביניהם כולל פסי האדמה יהיה לפחות W3 כאשר W רוחב המוליך.
12. במידה וממוקם ספק כוח על הכרטיס יש למקם מסנן EMI בכניסת קווי ההזנה לספק.
המסנן יכלול סינון ב-C.M וסינון ב-D.M (מומלץ מסנן PI לכל אחד מהסינונים).
ערכי רכיבי המסנן יקבעו ע”י מהנדס התאלמ”ג בהתאם לתדר המיתוג וצריכת הזרם של הספק.
13. במידה והכרטיס מכיל קווי I/O היוצאים לעולם החיצוני יש למקם רכיבי סינון SMT (תוצרת MURATA לדוגמא) בין כל קווי ה-I/O לאדמה.
הסינון יבוצע בצמוד למחבר החיצוני של הכרטיס.
יש לבחור את המסנן באופן שלא יפגע באות.
קווים מהירים LVDS לדוגמא – יסוננו באמצעות מסנן (C.M SMT (MURATA או שווה ערך ללא קבל מקבילי.
14. משטחי אדמה דיגיטליים יאורקו לאשיית התיבה בכמה שיותר נקודות באמצעות הברגים או הקלמרקים המחברים את הכרטיס לאשייה.
במיוחד חשוב לתת נקודת הארקה בצמוד למחברים החיצוניים של הכרטיס.
15. קווי I/O חיצוניים ימוקמו קרוב ככל האפשר למחברים החיצוניים של הכרטיס.
יש להרחיק קווים דיגיטליים במיוחד מקווי שעון מקווי I/O חיצוניים במרחק של 20 מ”מ לפחות כדי למנוע Cross Talk ביניהם.
16. בכרטיס המכיל מספר מחברי I/O מומלץ למקם את כל המחברים בצד אחד או בפינה אחת של הכרטיס. יש להימנע מלמקם רכיבים בין מחברי ה-I/O.
17. יש להשתדל להעביר קווי I/O היוצאים לעולם החיצוני באותו מחבר ולא לפצל אותם למספר מחברים.
18. אותות קריטיים ואנלוגיים רגישים וקווי שעון יש למקם ב-Strip Line בין שכבות אדמות והזנות.
19. אין למקם קווים שאינם קווי I/O בין המחבר החיצוני ובין רכיבים השולחים/מקבלים מידע מקווי ה-I/O המנותבים דרך המחבר.
20. אין למקם מוליכי אות ובקרה בתוך שכבת האדמה או שכבת ההזנות.
21. במעגל בעל מספר שכבות אדמה זהות יש לחבר VIAS בין שכבות האדמה במספר רב ככל האפשר של נקודות.
22. קווי אדמת הזנה לסוגי המעגלים השונים (אנלוגי, דיגיטלי וכד’) יחוברו ביניהם באמצאות נגד קצר. כמו כן יש לחבר נגד קצר בין האדמות הנ”ל לאשיית התיבה. החיבור יבוצע בצמוד ליציאת ספק הכח.
קווים דיגיטליים מהירים כגון קווי שעון, Bus וכדומה יועברו באמצעות קווי העברה בעלי אימפדנס אופייני מבוקר (יחס מוגדר בין רוחב המוליך לגובה מעל משטח אדמה).
אורך המוליך עבורו אין חובה להשתמש בקו תמסורת בעל אימפדנס מבוקר נתון עפ”י הקריטריון הבא:
זמן עליה/ירידה 100pS אורך קו מירבי 5 מ”מ
זמן עליה/ירידה 1nS אורך קו מירבי 50 מ”מ
זמן עליה/ירידה 10nS – אורך קו מירבי 500 מ”מ
קווים לא דיפרנציאליים יועברו בקווי תמסורת בעלי אימפדנס אופייני נומינלי של 50Ω. יש להשתמש בנגדי טרמינציה טוריים בטור לדרייברים או נגדי טרמינציה מקביליים במקביל לרסיברים. קווים דיפרנציאלים מהירים יועברו באימפדנס אופייני נומינלי של 100Ω עם נגד טרמינציה במקביל לרסיבר של 100Ω. קווי שעון היוצאים למספר עומסים יועברו דרך מעגלי חוצץ (Buffer) לכל אחד מהעומסים. יש להשתמש בנגד טרמינציה ובד”כ טורי לחוצץ.
23. במעגלי ספק יש לשקול שימוש בדיסקת מתכת בטרנזיסטור המיתוג בין הקולקטור למפזר החום או בין ה DRAIN למפזר החום.
הדיסקה תחובר לאמיטר או ל-SOURCE של טרנזיסטור המיתוג.
24. בשנאי ספק הכח מומלץ למקם ליפוף קצר מנחושת.
יש לחבר את הליפוף הקצר לאדמת הספק.
25. יש לבחון את הצורך בסיכוך מודול הספק (במיוחד בספקים האזרחיים) ברמת כרטיס.
דפנות הסיכוך יולחמו אל משטח האדמה של הספק.
הנחיות תאלמ”ג ברמת תיבה
1. מהנדס התא”מ יבהיר לצוות הפרויקט את הדרישות המפרטיות מהתיבה ואת ההשלכות הנובעות מהן על התיכון.
2. יש למקם מסנן EMI מסיבי בצמוד למחבר ההאזנות של התיבה. המסנן יספק ניחות ב-C.M וב-D.M ויכיל דרגות סינון בהתאם.
3. המסנן יורכב ממסנני Feed thru בעלי ניחות:
D.M dB@200kHz40
M.C dB@100MHz50
ניתן לתכנן מסנן מרכיבים דיסקריטיים שיספק את הניחותים הנ”ל.
4. במידה והמסנן מורכב מרכיבים בדידים על כרטיסון יש לספק משטח אדמה מלא לכרטיסון.
המשטח יחובר לאשייה באמצעות הברגים המחזקים את הכרטיסון לגוף.
5. יש למקם כרטיס קשיח בצמוד לכל המחברים. על הכרטיס יורכבו מסנני SMT (או שווה ערך MURATA ) המסננים יורכבו על כל הקווים המנותבים דרך המחברים אל העולם החיצוני. יש לספק שכבת אדמה המאורקת לאשייה לכל הכרטיסים הקשיחים הצמודים למחבר.
6. בפרויקטים עם החמרה בדרישות RE או RS יש לשקול שימוש במחברים מסוננים (עדיף על הנחיה 6). לצורך הארקת משטחי האדמה הדיגיטלית, כרטיס המסנן והקשיחים צמודי מחבר, יש לעגן את הכרטיס לאשייה באמצעות ברגים ותותבים. התותבים יהיו בציפוי כרומטי מוליך. התותבים ייצמדו אל הכרטיס במגע ישיר ל-PAD המחובר לשכבת האדמה הדיגיטליית של הכרטיס.
7. לצורך הארקת משטחי האדמה הדיגיטלית, כרטיס המסנן והקשיחים צמודי מחבר, יש לעגן את הכרטיס לאשייה באמצעות ברגים ותותבים. התותבים יהיו בציפוי כרומטי מוליך.התותבים ייצמדו אל הכרטיס במגע ישיר ל PAD המחובר לשכבת האדמה הדיגיטליית של הכרטיס.
8. בין הרזולבר והמנוע תורכב דיסקית µmetal בקוטר הגדול ב-2 מ”מ מקוטר גוף המנוע.
9. קווי מאוורר משאבות ומנועים יסוננו בצמוד להתקנים הנ”ל על החיווט הנכנס להתקנים.יש למקם קבל של µF1 קרמי בין הקווים וקבלים של µF 0.1 קרמיים בין כל קו לאשייה.
10. בהעברת וידאו חיצוני באמצעות מחבר BNC יש לדאוג שגוף המחבר יאורק אל פנל התיבה.לחילופין ניתן להשתמש במחבר BNC המכיל קבל בין סיכוך המחבר לבין האשיה ואז ניתן להציף מבחינת DC ותדר נמוך את גוף המחבר וכנ”ל התיבה.
יש להעדיף שימוש במחברי וכבלי TRIAX על COAX. הסיכוך החיצוני של מחבר ה TRIAX יאורק לפנל התיבה והסיכוך הפנימי יהיה צף ויחובר לאדמת הוידאו.
11. כאשר אות הוידאו מתחבר במחבר רב פינים יש להעדיף פין קואקסיאלי לחיבור קו הוידאו.
12. במידה והוידאו עובר דרך פינים רגילים יש לבודד את קווי הוידאו בפיני אדמה (אדמת וידאו סביב הפין ה”חם” של אות הוידאו).
13. כל גופי המחברים החיצוניים יהיו מחוברים חשמלית בכל שטח המגע בינם לבין פנל התיבה. יש להשתמש במחבר בעל גוף מוליך ומשטח נגדי בציפוי כרומטי בתוך התיבה (רצוי גם בצד החיצוני).
14. יש להבטיח מגע חשמלי רציף בכל משטח המגע בין גוף התיבה למכסה. בגוף התיבה יהיה FLANGE ברוחב של 5 מ”מ לפחות ובעל ציפוי כרומטי מוליך בכל משטחי המגע בין גוף התיבה למכסים. שולי המכסה יהיו בציפוי כרומטי מוליך בכל משטח המגע אל גוף התיבה.
15. ככלל יש להעדיף ציפוי כרומטי על ציפוי אנודייז או צבע בכל המשטחים הפנימיים של התיבה.
16. המרחק בין הברגים המחברים את מכסה התיבה לגוף התיבה לא יעלה על 60 מ”מ.
17. במידה והמרחק גדול יותר יעשה שימוש באטם EMI מוליך (רצוי בעל חתך “O” בתוך חריץ). יש לסגור את כל הברגים במומנט מבוקר.
סימוכין:
HIGH SPEED DIGITAL SYSTEM DEDIGN HALL HALL AND MCCALL
