Elektronisches Design - Die Rolle des geschichteten Stapeldesigns von Leiterplatten bei der Unterdrückung von EMI

Es gibt viele Möglichkeiten, EMI-Probleme zu lösen. Moderne EMI-Unterdrückungsmethoden umfassen: Verwendung von EMI-Unterdrückungsbeschichtungen, Auswahl geeigneter EMI-Unterdrückungsteile, und EMI Simulation Design. Ausgehend von den grundlegendsten Leiterplattenlayout, Dieser Artikel diskutiert die Rolle und Designtechniken des Schichtstapelns von Leiterplatten bei der Steuerung von EMI-Strahlung.

Strombus

Die richtige Platzierung eines Kondensators mit angemessener Kapazität in der Nähe des Netzteilstifts des IC kann die IC-Ausgangsspannung schneller springen lassen. Hier endet das Problem jedoch nicht. Aufgrund des begrenzten Frequenzgangs des Kondensators kann der Kondensator nicht die Oberschwingungsleistung erzeugen, die erforderlich ist, um den IC-Ausgang sauber im vollen Frequenzband anzutreiben. Darüber hinaus bildet die auf dem Leistungsbus gebildete transiente Spannung einen Spannungsabfall über die Induktivität des Entkopplungspfades, und diese transienten Spannungen sind die wichtigsten Gleichtakt-EMI-Störquellen. Wie sollen wir diese Probleme lösen?

Was den IC auf unserer Leiterplatte betrifft, kann die Leistungsschicht um den IC als ausgezeichneter Hochfrequenzkondensator angesehen werden, der den Teil der Energie sammeln kann, die durch den diskreten Kondensator austritt, der Hochfrequenzenergie für saubere Ausgabe bereitstellt. Darüber hinaus sollte die Induktivität einer guten Leistungsschicht klein sein, so dass das transiente Signal, das durch die Induktivität synthetisiert wird, auch klein ist, wodurch Gleichtakt-EMI reduziert wird.

Natürlich muss die Verbindung zwischen der Leistungsschicht und dem IC-Power-Pin so kurz wie möglich sein, da die steigende Kante des digitalen Signals immer schneller wird, und es ist am besten, es direkt mit dem Pad zu verbinden, auf dem sich der IC-Power-Pin befindet. Das muss gesondert diskutiert werden.

Um Gleichtakt-EMI zu steuern, muss die Leistungsebene zur Entkopplung beitragen und eine ausreichend niedrige Induktivität aufweisen. Diese Leistungsebene muss ein gut entworfenes Paar von Leistungsebenen sein. Jemand mag fragen, wie gut ist gut? Die Antwort auf die Frage hängt von der Schichtung der Stromversorgung, den Materialien zwischen den Schichten und der Betriebsfrequenz (d.h. einer Funktion der Anstiegszeit des IC) ab. Im Allgemeinen ist der Abstand der Leistungsschicht 6mil, und die Zwischenschicht ist FR4-Material, die äquivalente Kapazität der Leistungsschicht pro Quadratzoll ist etwa 75pF. Je kleiner der Schichtabstand, desto größer die Kapazität.

Es gibt nicht viele Geräte mit einer Anstiegszeit von 100 bis 300 ps, aber entsprechend der aktuellen IC-Entwicklungsgeschwindigkeit nehmen Geräte mit einer Anstiegszeit im Bereich von 100 bis 300 ps einen hohen Anteil ein. Für Schaltungen mit einer Anstiegszeit von 100 bis 300ps ist der 3mil-Schichtabstand für die meisten Anwendungen nicht mehr geeignet. Damals galt es, Schichttechnik mit einem Schichtabstand von weniger als 1 Mio zu verwenden und dielektrische FR4-Werkstoffe durch Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante zu ersetzen. Jetzt können Keramik und keramische Kunststoffe die Designanforderungen von 100 bis 300 ps Anstiegszeitkreisen erfüllen.

Obwohl in Zukunft neue Materialien und neue Methoden verwendet werden können, reicht es für heutige gängige 1- bis 3ns Anstiegszeitschaltungen, 3- bis 6mil-Schichtabstände und dielektrische FR4-Materialien in der Regel aus, High-End-Oberschwingungen zu handhaben und das transiente Signal niedrig genug zu machen, das heißt, Gleichtakt-EMI kann sehr niedrig reduziert werden. Die in diesem Artikel genannten PCB-Schichtstapel-Designbeispiele nehmen einen Schichtabstand von 3 bis 6 Millionen an.

Elektromagnetische Abschirmung

Aus der Perspektive von Signalspuren sollte eine gute Schichtstrategie darin bestehen, alle Signalspuren auf eine oder mehrere Schichten zu legen, und diese Schichten befinden sich neben der Leistungsschicht oder Masseschicht. Für die Stromversorgung sollte eine gute Schichtstrategie darin bestehen, dass die Leistungsschicht an die Bodenschicht angrenzt und der Abstand zwischen der Leistungsschicht und der Bodenschicht so klein wie möglich ist. Das nennen wir die "Layering"-Strategie.

Leiterplattenstapel

Welche Stapelstrategie hilft, EMI abzuschirmen und zu unterdrücken? Das folgende geschichtete Stapelschema geht davon aus, dass der Stromversorgungsstrom auf einer einzigen Schicht fließt und die einzelne Spannung oder mehrere Spannungen in verschiedenen Teilen derselben Schicht verteilt sind. Der Fall mehrerer Leistungsschichten wird später diskutiert.

4-lagige Platte

Es gibt mehrere potenzielle Probleme mit dem 4-Lagen Board Design. Zunächst einmal ist die traditionelle vierschichtige Platte mit einer Stärke von 62 mils, selbst wenn die Signalschicht auf der äußeren Schicht ist und die Energie- und Masseschichten auf der inneren Schicht sind, der Abstand zwischen der Leistungsschicht und der Bodenschicht ist immer noch zu groß.

Wenn die Kostenanforderung zuerst ist, können Sie die folgenden zwei traditionellen 4-Lagen-Plattenalternativen in Betracht ziehen. Diese beiden Lösungen können die Leistung der EMI-Unterdrückung verbessern, eignen sich aber nur für Anwendungen, bei denen die Bauteildichte auf der Platine niedrig genug ist und genügend Fläche um die Komponenten herum vorhanden ist (Platzieren Sie die erforderliche Power-Kupferschicht).

Die erste ist die bevorzugte Lösung. Die äußeren Schichten der Leiterplatte sind Masseschichten, und die mittleren beiden Schichten sind Signal-/Leistungsschichten. Die Stromversorgung auf der Signalschicht wird mit einer breiten Linie geführt, die die Wegimpedanz des Netzteilstroms niedrig machen kann, und die Impedanz des Signalmikrostreifenpfads ist auch niedrig. Aus Sicht der EMI-Steuerung ist dies die beste 4-lagige PCB-Struktur auf dem Markt. Im zweiten Schema verwendet die äußere Schicht Strom und Masse, und die mittleren beiden Schichten verwenden Signale. Verglichen mit der traditionellen 4-Schicht-Platte ist die Verbesserung kleiner, und die Zwischenschicht-Impedanz ist so schlecht wie die traditionelle 4-Schicht-Platte.

Wenn Sie die Leiterbahnimpedanz steuern möchten, muss das obige Stapelschema sehr vorsichtig sein, um die Leiterbahnen unter den Strom- und Erdkupferinseln anzuordnen. Darüber hinaus sollten die Kupferinseln auf der Stromversorgung oder Erdungsschicht so weit wie möglich miteinander verbunden sein, um Gleich- und Niederfrequenz-Konnektivität zu gewährleisten.

6-lagige Platte

Wenn die Dichte der Komponenten auf einer 4-Lagen-Platine relativ hoch ist, ist eine 6-Lagen-Platine am besten. Einige Stapelschemata im 6-Lagen-Board-Design sind jedoch nicht gut genug, um das elektromagnetische Feld abzuschirmen und haben wenig Einfluss auf die Reduzierung des transienten Signals des Leistungsbusses.

Das allgemeine Hochleistungs-6-Lagen-Board-Design weist im Allgemeinen die erste und sechste Schicht als Bodenschichten auf, und die dritte und vierte Schicht werden für Energie und Boden verwendet. Da sich in der Mitte zwischen der Leistungsschicht und der Masseschicht zwei doppelte Mikrostreifen-Signalleitungsschichten befinden, ist die EMI-Unterdrückungsfähigkeit hervorragend. Der Nachteil dieser Konstruktion ist, dass es nur zwei Routing-Layer gibt. Wie bereits erwähnt, wenn die äußeren Leiterbahnen kurz sind und Kupfer im spurlosen Bereich verlegt wird, kann die gleiche Stapelung auch mit einer traditionellen 6-Lagenplatte erreicht werden.

Ein anderes 6-schichtiges Brettlayout ist Signal, Masse, Signal, Energie, Masse, Signal, das die Umgebung realisieren kann, die für fortschrittliches Signalintegritätsdesign erforderlich ist. Die Signalschicht grenzt an die Masseschicht, und die Leistungsschicht und die Masseschicht sind gekoppelt. Offensichtlich ist der Nachteil das unausgewogene Stapeln von Schichten.

Dies bringt in der Regel Probleme in die Fertigung. Die Lösung des Problems besteht darin, alle leeren Bereiche der dritten Schicht mit Kupfer zu füllen. Wenn sich die Kupferdichte der dritten Schicht nach dem Füllen des Kupfers in der Nähe der Leistungsschicht oder der Masseschicht befindet, kann diese Platine nicht streng als strukturell ausgeglichene Leiterplattenlösung gezählt werden. Der kupfergefüllte Bereich muss mit Strom oder Masse verbunden werden. Der Abstand zwischen den Verbindungsdurchführungen ist immer noch 1/20 Wellenlänge, und es ist möglicherweise nicht notwendig, überall anzuschließen, aber es sollte unter idealen Bedingungen angeschlossen werden.

Zusammenfassen

Die Dicke, über den Prozess und die Anzahl der Schichten der Leiterplatte in der Leiterplattendesign sind nicht der Schlüssel zur Lösung des Problems. Ausgezeichnete Schichtstapelung gewährleistet die Bypass- und Entkopplung des Strombusses, und minimieren Sie die transiente Spannung auf der Leistungsschicht oder Masseschicht. Und der Schlüssel zum Abschirmen des elektromagnetischen Feldes des Signals und der Stromversorgung. Idealerweise, Es sollte eine isolierende Isolationsschicht zwischen der Signalleitungsschicht und der Rückleitungsschicht vorhanden sein, and the paired layer spacing (or more than one pair) should be as small as possible. Basierend auf diesen Grundkonzepten und Prinzipien, Eine Leiterplatte, die die Designanforderungen immer erfüllen kann, kann entworfen werden. Jetzt, da die Anstiegszeit des IC sehr kurz ist und kürzer sein wird, Die in diesem Artikel diskutierte Technologie ist wesentlich, um das Problem der EMI-Abschirmung zu lösen.