حفاظت از بردهای الکترونیکی در برابر نویز

در مقاله نویز در بردهای الکترونیکی دیجیتال، با نشانه‌های وجود نویز در مدار، منابع نویز در برد الکترونیکی و انواع آسیب‌های ناشی از نویز در سیستم‌های الکترونیکی آشنا شدید. با وجود چنین مواردی چطور می‌توان طراحی برد الکترونیکی را انجام داد و در عین حال از اثرات نویز هم در امان ماند؟ در ادامه می‌خواهیم به روش‌های حفاظت در برابر نویز در بردهای الکترونیکی دیجیتال بپردازیم. در این مقاله، قصد داریم حفاظت (Shielding) در مدارات الکترونیکی را معرفی کرده و انواع روش‌های مرسوم آن در مدارات الکترونیکی را معرفی کنیم. با ما همراه باشید!

انواع روش های حفاظت الکتریکی

به طور کلی، انوع روش­‌های حفاظت در مدار، در سه نوع اساسی طبقه بندی می­شوند:

• حفاظت در برابر کوپلینگ خازنی
• حفاظت در برابر کوپلینگ القایی
• حفاظت RF

کوپلینگ خازنی، در واقع همان کوپلینگ میدان الکتریکی و درنتیجه حفاظت در برابر آن حفاظت در برابر میدان­‌های الکتریکی است. کوپلینگ القایی نیز در واقع همان کوپلینگ میدان مغناطیسی است، بنابراین برای حفاظت در برابر آن باید در برابر میدان مغناطیسی حفاظت صورت گیرد. البته برخلاف تصور در این روشِ حفاظت، از مواد مغناطیسی استفاده نمی­‌شود! حفاظتRF، یا اصطلاحا سد فلزی برابر انواع میدان­‌های الکترومغناطیسی، همان چیزی است که بیشتر افزاد در مورد حفاظت متصور می­‌شوند. اثربخشی آن تا حدودی به انتخاب ماده حفاظ بستگی دارد. در ادامه به تفضیل به هر یک از انواع روش‌­های حفاظت پرداخته خواهد ‌شد.

حفاظت در برابر کوپلینگ خازنی

کوپلینگ خازنی شامل عبور سیگنال­ها در ظرفیت خازنی نامطلوب بین سیم‌­های مدار یا سیم­ها و قطعات الکترونیکی در مدار است. این ظرفیت‌های خازنی که ناخواسته در مدار وجود دارند به عنوان خازن دیده نمی‌شوند اما اثری مشابه حضور خازن دارند. به عنوان مثال، کوپلینگ خازنی با بدن یک فرد باعث ایجاد نوسانگر ناپایدار می­‌شود به طوریکه با عبور دست فرد از روی مدار، فرکانس مدار تغییر می­‌کند. هم‌چنین این اثر در یک سیستم دیجیتالی می‌­تواند باعث ایجاد تداخل سیگنال در کابل­‌های چند سیمه شود.

راه حفاظت در برابر کوپلینگ خازنی، محصور کردن مدار و یا قطعه رسانای خاص در مدار، در یک حفاظ فلزی است. که به آن حفاظ الکترواستاتیک یا فارادی گفته می­‌شود. اگر پوشش حفاظ ۱۰۰٪ باشد، حفاظ نیازی به زمین شدن ندارد، اما معمولاً برای اطمینان از اینکه ظرفیت خازن مدار حتما به زمین مرجع سیگنال می­‌رود، زمین می­شود. علاوه بر این، از دیدگاه مکانیکی، این موضوع تقریباً اجتناب ناپذیر بوده و اغلب موارد باید زمین شود. همانطور که در شکل زیر نشان داده است، یک حفاظ فارادی زمین شده می­‌تواند برای شکستن کوپلینگ خازنی بین یک مدار نویزی و یک مدار دیگر(که تحت تاثیر نویز حاصل از مدار اول قرار می­گیرد) استفاده شود.

شکل a دو مدار را نشان می­‌دهد که توسط یک خازن بهم کوپل شده­اند. در شکلb  ظرفیت خازنی توسط یک حفاظ فارادی زمین شده خنثی می­شود، به طوریکه جریان­‌های تداخل به زمین بروند. به عنوان مثال، با اتصال یک صفحه زمین شده بین PCB­ها، می­‌توان اثر کوپلینگ خازنی را حذف کرد. از کاربردهای دیگر حفاظ فارادی، می‌توان به حفاظت الکترواستاتیکی ترانسفورماتور­ها اشاره کرد. به طوریکه یک فویل رسانا بین سیم پیچ­‌های اولیه و ثانویه قرار داده شده می‌شود تا از کوپلینگ خازنی بین آنها جلوگیری شود.

 حفاظت در برابر کوپلینگ القایی

طبق قانون فارادی هنگامی که یک مدار، تحت تاثیر یک چگالی شار مغناطیسی B از یک منبع خارجی باشد، ناخواسته ولتاژی در مدار القا خواهد‌شد و به کمک قانون لنز می‌توان جهت جریان حاصل از این ولتاژ القا شده را یافت. این مقدار در یک حلقه جریان در مدار برابر  v=-NA (dB / dt)است که در این حالت N =1 و A مساحت حلقه جریان است.

حفاظت از یک مدار در برابر چنین جریان القایی، در واقع تلاش برای به حداقل رساندن می‌دان­‌های مزاحم است. این کار با به حداقل رساندن مساحت حلقه جریان در مدار انجام می­‌شود تا موجب از بین رفتن میدان شود. بنابرایت حفاظت در برابر کوپلینگ القایی می‌تواند به عبارتی به معنای کنترل ابعاد حلقه­‌های جریان در مدار باشد. به عنوان مثال می‌­توان به کابل کواکسیال، جفت پیچ خورده، صفحه­ی زمین شده و پالی گان مشبک در یک لایه PCB اشاره کرد.

شکل زیر، یک کابل کواکسیال حامل جریانI ، از یک منبع سیگنال به یک بار دریافت کننده را نشان می­‌دهد. حفاظ همان جریان سیم را حمل می­‌کند. در خارج از حفاظ، میدان مغناطیسی تولید شده توسط +I که در سیم، جریان دارد توسط میدان تولید شده توسط -I در حفاظ خنثی می­‌شود. (البته تا جایی که کابل در تولید میدان مغناطیسی خارجی صفر ایده آل و از جریان القایی از منابع خارجی مصون باشد.) در نتیجه کابل به طور موثر به مساحت حلقه اضافه نمی­‌کند. البته این موضوع تنها در صورتی صحیح است که حفاظ حامل همان جریان سیم باشد.

در واقعیت، هر دو منبع سیگنال و بار گیرنده، در یک انتها به یک سیگنال زمین مشترک متصل­اند. در این حالت، آیا کابل حفاظ باید در یک انتهای، هر دو انتها، یا هیچ یک از آنها، زمین شود؟ پاسخ صحیح این است که باید در هر دو انتها زمین شود در شکل زیر قسمت a که کابل حفاظ فقط در یک انتها زمین شده است. در این حالت حلقه جریان مطابق شکل برقرار است و در نتیجه اثر میدان­ها خنثی نشده است. در این حالت حفاظ هیچ تاثیری در تولید EMI و یا حساسیت نسبت به آن ندارد.

 

 

در شکل b نشان داده شده است که حفاظ از هر دو طرف زمین شده است. سوالی که در اینجا مطرح می­‌شود این است که آیا حفاظ تمام جریان برگشتی را حمل می­‌کند، یا فقط بخشی از آن را به دلیل اثر جابجایی اتصال زمین مشترک؟ پاسخ به این سوال بستگی به میزان فرکانس سیگنال دارد. به طور کلی، حلقه جریان مسیر حداقل امپدانس را دنبال خواهدکرد. در فرکانس‌های کم، صفر تا چند کیلوهرتز، جایی که رآکتانس القایی ناچیز است، جریان، مسیر با مقاومت کمتر را دنبال می­‌کند. بالاتر از چند کیلوهرتز، که در آن رآکتانس القایی غالب است، جریان مسیر کمترین اندوکتانس را دنبال می­‌کند. مسیر حداقل اندوکتانس، همان مسیر حداقل مساحت حلقه است. از این رو، برای فرکانس­‌های بالاتر، حفاظ تقریباً همان جریان سیم مرکز را حمل می‌­کند، بنابراین در مقابل تولید و دریافت EMI مؤثر است.

روش‌های کاهش مساحت حلقه جریان

در ادامه روش‌های مختلفی که برای کاهش مساحت حلقه جریان مورد استفاده قرار می‌گیرد را بررسی می‌کنیم.

اپتوکوپلر

قبلا در مقاله نویز در بردهای الکترونیکی دیجیتال، با مسئله ی حلقه زمین آشنا شده‌اید. و می‌دانیم خوشبختانه، یک سیستم دیجیتال می‌تواند در برابر نویزهای حلقه زمین متوسط مصون بماند. با این وجود، در یک محیط نویزی، می­‌توان با استفاده از یک اپتوکوپلر، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، حلقه زمین را شکسته و همچنان اثر حفاظتی کابل کواکسیال را حفظ کرد. اپتوکوپلر (Optocoupler) یک قطعه الکترونیکی است که وظیفه آن کوپل کردن و یا اتصال دو نقطه از مدار با استفاده از فرمان‌های نوری می‌باشد. آنچه که اساساً یک اپتوکوپلر انجام می­‌دهد جلوگیری از تاثیر ولتاژ زیاد بر روی سیستم دریافت سیگنال است. به این ترتیب انتهای کابل نیازی به زمین شدن ندارد و همچنان به حفاظ اجازه می­‌دهد تا همان جریان سیم مرکزی را حمل کند.

زوج سیم به هم تابیده شده

 راه ارزان­تر برای به حداقل رساندن مساحت حلقه جریان، قرار گرفتن سیم­‌های رفت و برگشت جریان، درست در کنار یکدیگر است. البته این روش به اندازه یک کابل کواکسیال در به حداقل رساندن ناحیه حلقه موثر نیست. یک کابل کواکسیال ایده آل مساحتی را به حلقه جریان اضافه نمی­‌کند، در حالی که صرفاً نگه داشتن سیم‌­های رفت و برگشت جریان در کنار یکدیگر، باعث ایجاد مساحت هرچند کوچک و محدودی خواهدشد.

 با این حال، دو نکته می­‌تواند این روش را علاوه بر ارزانی قیمت، دارای عملکردی خوب تقریبا به اندازه یک کابل کواکسیال کند. اولا، کابل­‌های کواکسیال واقعی ایده آل نیستند. اگر جریان حفاظ به طور مساوی، در هر مقطع سیم حفاظ در اطراف سیم توزیع نشود، از بین بردن اثر میدان در خارج از حفاظ به طور کامل صورت نمی­گیرد و در نتیجه منطقه مؤثر که توسط کابل به حلقه اضافه می‌­شود صفر نیست. ثانیا، در روش ارزان­تر در هم تابیده شدن سیم‌­های رفت و برگشت، نه تنها نزدیکی آنها را حفظ می­‌کند، بلکه می‌تواند نویز را نیز به مقدار زیادی کاهش دهد. بنابراین، زوج سیم در هم تابیده نیز همانند کابل کواکسیال یک حفاظ در برابر کوپلینگ القایی است.

یک زوج سیم در هم تابیده حفاظ الکترواستاتیکی را فراهم نمی­‌کند (یعنی حفاظت در برابر کوپلینگ خازنی). هم­چنین نسبت به کابل کواکسیال در فرکانس­‌های بالاتر عملکرد ضعیف تری دارد. این امر در درجه اول به این دلیل است که زوج سیم در هم تابیده بارگذاری خازنی بیشتری را به منبع سیگنال نسبت به کابل کواکسیال اضافه می­‌کند. این زوج سیم در هم تابیده معمولاً تنها در حدود ۱ مگاهرتز مفید است، در حالی که از کابل کواکسیال حدود یک گیگاهرتز هم می‌­توان استفاده کرد.

صفحه زمین

بهترین راه برای به حداقل رساندن مساحت حلقه هنگامی که بسیاری از حلقه­‌های جریان درگیر هستند استفاده از صفحه زمین است. یک صفحه زمین، یک سطح رسانا است که به عنوان یک رسانای برگشتی برای تمام حلقه­‌های جریان در مدار است. به طور معمول، می‌­تواند یک یا چند لایه از یک PCB چند لایه باشد. تمام نقاط زمین در مدار نه به یک مسیر‌(trace) زمین در PCB بلکه به طور مستقیم به صفحه زمین می­‌روند. این باعث می­‌شود مساحت حلقه جریان حداقل شود و این به نوبه ی خود باعث می­‌شود حداقل قطعات در این حلقه قرار گیرد و تاثیرگذاری آن در مدار به حداقل برسد.

 حفاظت در برابر RF

یک میدان الکتریکی متغیر با زمان، میدان مغناطیسی متغیر با زمان ایجاد می­‌کند و بالعکس. در فاصله‌ای از یک منبع میدان EM متغیر با زمان ، نسبت دامنه­‌های میدان الکتریکی و مغناطیسی(E / H) همیشه ۳۷۷ اهم است. و نزدیک به منبع این نسبت می‌­تواند کاملاً متفاوت و متناسب با ماهیت منبع باشد. جایی که این نسبت (که امپدانس موج wave impedance نام دارد) در آن ۳۷۷ اهم باشد، میدان دور far fieldو جایی که نسبت آن متفاوت با ۳۷۷ باشد، میدان نزدیک near field نامیده می­‌شود.

میدان نزدیک حدود  طول موج از منبع خارج می­‌شود. در ۱ مگاهرتز، حدود ۱۵۰ فوت و در ۱۰ مگاهرتز حدود ۱۵ فوت است. این بدان معناست که اگر یک منبع EMI در نزدیکی مدار قرار داشته باشد، احتمالاً یک مشکل میدان نزدیک ایجاد خواهدکرد. در واقع در یک میدان نزدیک، یک مشکل تداخل RF می­‌تواند تقریباً به دلیل کوپلینگ میدان الکتریکی یا کوپلینگ میدان مغناطیسی باشد و این می‌تواند در انتخاب نوع حفاظ RF و یا در حالت کلی آیا یک حفاظ RF موثر است، تأثیر بگذارد.

در نزدیکی یک آنتن میله‌­ای، نسبت E / H بالاتر از ۳۷۷ اهم است، بدان معناست که عمدتا با یک تولید کننده میدان E مواجه­‌ایم. یک سیم پیچ می‌­تواند آنتن میله‌­ای و تداخل از آنتن میله‌­ای می­‌تواند از کوپلینگ میدان الکتریکی باشد، که اساسا کوپلینگ خازنی است. روش­هایی برای حفاظت از مدار در برابر کوپلینگ خازنی، مانند حفاظ فارادی، در برابر تداخل RF از آنتن میله­‌ا­ی مؤثر است.

در نزدیکی یک آنتن حلقه­‌ای، نسبت E / H پایین­تر از ۳۷۷ اهم است، به این معنی است که عمدتا با یک تولید کننده میدان H مواجه‌ایم. هر حلقه جریان، یک آنتن حلقه است. تداخل از آنتن حلقه­‌ای می‌­تواند توسط کوپلینگ میدان مغناطیسی باشد که اساساً همان کوپلینگ القایی است. روش­‌هایی برای حفاظت از مدار در برابر کوپلینگ القایی، در برابر تداخل RF از یک آنتن حلقه ای مؤثر است. در این حالت شیلد فارادی کمتر موثر خواهدبود.

حفاظت در برابر EMI

در موارد دشوارتر از تداخلRF، میدان نزدیک و یا میدان دور، ممکن است به یک حفاظ RF فلزی واقعی نیاز داشته باشد. ایده حفاظتRF، از القای جریان در حفاظ توسط میدان­‌های  (Electromagnetic Interference)EMIمتغیر با زمان، نشئت می‌­گیرد. جریان‌های القایی ناشی از آن، انرژی را از دو طریق تلف می­‌کنند:

• تلفات I^۲R در ماده حفاظ
• تلفات پرتویی به خاطر تابش میدان­‌های EM

انرژی تلف شده در هر دو مکانیزم، ازEMI حاصل می‌­شود. EMI و یا تداخل الکترومغناطیسی ، عبارت است از تداخل حاصل از القای الکترومغناطیسی یا برهم‌نهی با دیگر امواج الکترومغناطیسی منتشر شده در فضا. این پدیده می‌تواند باعث ایجاد نویز روی موج شده و یا به کلی آن را از بین ببرد.EMI همان تداخل رادیویی یا Radio Frequency Interference می‌باشد که به اختصار RFI خوانده می‌شود.

به اتلاف­‌های I^۲R ، اتلاف جذب  Absorption loss گفته می­‌شود که مکانیزم حفاظت اولیه برای میدان H است. هم چنین مکانیزم حفاظت اولیه برای میدان E یا تشعشع مجدد، اتلاف بازتاب  Reflection loss نامیده می‌­شود. اتلاف بازتاب یک پدیده سطحی، تقریباً مستقل از ضخامت ماده حفاظ است. درحالیکه هر دو مکانیزم اتلاف، به فرکانس (w) از میدان EMI، رسانایی( ) و خاصیت نفوذپذیری( ) ماده ی حفاظ وابسته است.

مکانیزم­‌های اتلاف به شرح زیر است:

• • اتلاف بازتاب یک میدان E (به dB)
  • اتلاف جذب یک میدان H (به dB) که در آن t ضخامت ماده حفاظ است

اولین عبارت نشان می‌­دهد که حفاظت میدان E در صورتی که فلز حفاظ از ماده بسیار رسانا باشد بسیار موثر خواهدبود و اگر ماده حفاظ فرومغناطیسی باشد تاثیر کمی خواهد داشت. هم چنین میدان­‌های فرکانس پایین نسبت به میدان­‌های فرکانس بالا راحت­تر بلاک می­‌شوند. جزئیات در شکل زیر نشان داده شده است.

مس و آلومینیوم هر دو از نفوذپذیری یکسانی برخوردار هستند، اما مس کمی رسانا­تر است و بنابراین اتلاف بازتاب بیشتری نسبت به میدان E دارد. فولاد به دو دلیل تاثیر کمتری دارد. اول، به دلیل دارا بودن آهن، نفوذ پذیری آن کمی بالاتر است و دوم اینکه، با توجه به مواد مغناطیسی، از رسانایی کمتری برخوردار است.

از طرف دیگر، با توجه به تعریف اتلاف جذب در میدانH، برای حفاظت میدان H در فرکانس‌­های بالاتر، مواد حفاظ که هم رسانایی و هم نفوذپذیری بالایی دارند موثر­تر‌اند. در عمل برای انتخاب فولاد، مصالحه ای بین نفوذپذیری بالا و رسانایی پائین آن وجود دارد. چرا که افزایش نفوذپذیری باعث کاهش رسانایی است همانطور که در شکل زیر نیز مشاهده می‌شود . این شکل همچنین اثر ضخامت حفاظ را نیز نشان می­‌دهد.

تاثیر هندسه در حفاظت الکتریکی

تا اینجا نکات زیادی در مورد انتخاب جنس ماده‌ی حفاظ بیان شده است اما انتخاب جنس حفاظ از وجود درزها، اتصالات و سوراخ­‌های موجود در ساختار فیزیکی حفاظ اهمیت کمتری دارد. مکانیزم‌­های حفاظت به القای جریانات در ماده حفاظ مرتبط است، اما جریان­ها باید مجاز باشند تا آزادانه جریان پیدا کنند. اگر آن­ها مجبور به دور زدن اطراف شکاف­ها و سوراخ­ها شوند، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، حفاظ بیشتر اثر خود را از دست می‌­دهد.در شکل زیر شدت تغییر جهت در مقایسه با هندسه سوراخ، ارتباط کمتری با مساحت سوراخ دارد. مقایسه شکل­‌های c و d نشان می‌­دهد که ناپیوستگی باریک طولانی مانند درز می­‌تواند باعث نشت بیشتر RF نسبت به یک خط سوراخ با مساحت کل بیشتر، شود.

در این مقاله با کوپلینگ‌های خازنی و القایی، اثرات میدان‌های الکترومغناطیسی بر بردهای الکترونیکی و روش‌های حفاظت (Shielding) در برابر آن‌ها آشنا شده اید. مباحث ارائه شده، در طراحی بردهای الکترونیکی حائز اهمیت است چرا که می‌توان با رعایت برخی نکات ظاهرا ساده از مشکلات احتمالی جلوگیری کرد، همچنین حالا می‌توانید علت درست کار نکردن برخی مدارات را نیز توجیه و رفع کنید. در مطلب بعد در مورد تکنیک های زمین کردن در طراحی برد الکترونیکی صحبت خواهیم کرد.

از اینکه نظرات‌تان را با ما در میان می‌گذارید متشکرم!