PCB-Neuigkeiten - Verdrahtungsdesign basierend auf elektromagnetischer Verträglichkeit Technologie

Mehrschichtige Leiterplatte Verkabelung PCB-Designmethod based on electromagnetic compatibility technology
Electromagnetic Compatibility (Electro-Magnetic Compatibility, EMC for short) is an emerging comprehensive discipline, das hauptsächlich elektromagnetische Störungen und Anti-Interferenz-Probleme untersucht. Elektromagnetische Verträglichkeit bedeutet, dass das elektronische Gerät oder System den Leistungsindex aufgrund elektromagnetischer Störungen unter dem angegebenen elektromagnetischen Umgebungsniveau nicht verringert, und die von ihnen erzeugte elektromagnetische Strahlung ist nicht größer als der begrenzte Grenzwert, und beeinträchtigt nicht den normalen Betrieb anderer Systeme. Und erreichen Sie das Ziel der Nichtinterferenz zwischen Ausrüstung und Ausrüstung, System und System, und zuverlässig zusammenarbeiten. Electromagnetic interference (EMI) is caused by electromagnetic interference sources transmitting energy to sensitive systems through coupling paths. Es umfasst drei Grundformen: Leitung durch Drähte und öffentliche Erdungsdrähte, und durch Weltraumstrahlung oder Nahfeldkopplung. Die Praxis hat bewiesen, dass auch wenn der Schaltplan richtig ausgelegt ist und die Leiterplatte nicht richtig ausgelegt ist, Es wird sich nachteilig auf die Zuverlässigkeit elektronischer Geräte auswirken. Daher, Die Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit der Leiterplatte ist der Schlüssel zum gesamten Systemdesign. This article mainly discusses electromagnetic compatibility Technology and its application in multi-layer printed circuit board (Printed Circuit Board, PCB for short) design. Der Artikel wird von Shenzhen Honglijie Electronics zitiert!

Leiterplatte ist die Unterstützung von Schaltungskomponenten und Geräten in elektronischen Produkten. Es stellt elektrische Verbindungen zwischen Schaltungskomponenten und Geräten zur Verfügung und ist die grundlegendste Komponente verschiedener elektronischer Geräte. Heutzutage, Große und sehr große integrierte Schaltungen sind weit verbreitet in elektronischen Geräten verwendet worden, und die Montagedichte von Bauteilen auf Leiterplatten wird immer höher, und die Signalübertragungsgeschwindigkeit wird immer schneller. EMV-Probleme sind immer prominenter geworden. PCB has single-sided board (single-layer board), double-sided board (double-layer board) and multi-layer board. Einzel- und Doppelplatten werden im Allgemeinen für Verdrahtungskreise niedriger und mittlerer Dichte und Schaltkreise mit geringer Integration verwendet, Mehrschichtige Leiterplatten verwenden Verdrahtung mit hoher Dichte und hochintegrierte Schaltungen. Aus Sicht der elektromagnetischen Verträglichkeit, einseitige und doppelseitige Platinen sind nicht für Hochgeschwindigkeitsschaltungen geeignet. Einseitige und doppelseitige Verdrahtung kann die Anforderungen an Hochleistungsschaltungen nicht mehr erfüllen. Die Entwicklung von mehrschichtigen Verdrahtungsschaltungen bietet eine Möglichkeit, die oben genannten Probleme zu lösen. Die Anwendung wird immer umfangreicher.

1 Eigenschaften der mehrschichtigen Verkabelung

Die Leiterplatte besteht aus organischen und anorganischen dielektrischen Materialien mit einer mehrschichtigen Struktur. Die Verbindungen zwischen den Schichten werden durch Löcher realisiert. Die Durchgangslöcher sind plattiert oder mit Metallmaterialien gefüllt, um eine elektrische Signalleitung zwischen den Schichten zu realisieren. Der Grund, warum mehrschichtige Verdrahtung weit verbreitet ist, hat die folgenden Eigenschaften:

(1) Eine dedizierte Leistungsschicht und Erdungsschicht sind innerhalb der Mehrschichtplatte vorgesehen. Die Leistungsschicht kann als Rauschschleife verwendet werden, um Störungen zu reduzieren; Gleichzeitig bietet die Leistungsschicht auch eine Schleife für alle Signale im System, um häufige Impedanzkupplungsstörungen zu beseitigen. Reduzieren Sie die Impedanz der Stromversorgungsleitung, wodurch die allgemeine Impedanzstörung reduziert wird.

(2) Die mehrschichtige Platine verwendet eine spezielle Erdungsschicht, und es gibt spezielle Erdungsdrähte für alle Signalleitungen. Die Eigenschaften der Signalleitung: stabile Impedanz und einfache Anpassung, Verringerung der Wellenformverzerrung durch Reflexion; Gleichzeitig erhöht die Verwendung einer speziellen Masseschicht die verteilte Kapazität zwischen Signalleitung und Masseleitung und reduziert Übersprechen.

2 Laminiertes Design der Leiterplatte

2.1 PCB Verdrahtungsregeln

Die elektromagnetische Verträglichkeitsanalyse von Mehrschichtplatinen kann auf Kirchhoffs Gesetz und Faradays Gesetz der elektromagnetischen Induktion basieren. Nach Kirchhoffs Gesetz muss jedes Zeitbereichssignal von der Quelle zur Last einen Pfad mit der niedrigsten Impedanz aufweisen.

Leiterplatten mit mehreren Schichten werden häufig in Hochgeschwindigkeitssystemen verwendet, in denen mehrere Schichten für Gleichstrom- (Gleichstrom-) Leistung oder Bodenbezugsebenen verwendet werden. Diese Ebenen sind normalerweise feste Ebenen ohne jede Teilung, da es genügend Schichten für Strom oder Masse gibt, so dass es keine Notwendigkeit gibt, verschiedene Gleichspannungen auf der gleichen Schicht zu legen. Diese Schicht wird als Stromrücklaufpfad für Signale auf den benachbarten Übertragungsleitungen verwendet. Die Konstruktion niederohmiger Stromrücklaufwege ist das wichtigste EMV-Ziel dieser Ebenenschichten.

Die Signalschichten sind zwischen den physikalischen Bezugsebenen verteilt und können symmetrische und asymmetrische Streifen sein. Nehmen Sie ein 12-lagiges Board als Beispiel, um die Struktur und das Layout der mehrlagigen Platine zu veranschaulichen. Die Schichtstruktur ist T-P-S-P-S-P-S-S-S-P-B, "T" ist die oberste Schicht, "P" ist die Referenzebene und "S" ist die Signalschicht. "B" ist die untere Schicht. Von der obersten zur unteren Schicht sind die erste, die zweite und die zwölfte Schicht. Die obere und untere Schicht werden als Pads für Bauteile verwendet. Signale sollten nicht zu lange zwischen der oberen und unteren Schicht übertragen werden, um die direkte Strahlung von den Leiterbahnen zu reduzieren. Inkompatible Signalleitungen sollten voneinander isoliert werden. Dadurch sollen Kopplungsstörungen untereinander vermieden werden. Hoch- und Niederfrequenz-, Hochstrom- und Kleinstromleitungen, digitale und analoge Signalleitungen sind inkompatibel. Im Bauteillayout sollten inkompatible Bauteile an verschiedenen Positionen auf der Leiterplatte platziert werden. Die Anordnung der Signalleitungen ist noch notwendig. Sei vorsichtig, sie zu isolieren. Achten Sie beim Entwerfen auf die folgenden 3-Punkte:

(1) Bestimmen Sie, welche Referenzebene mehrere Stromversorgungsbereiche für verschiedene Gleichspannungen enthält. Unter der Annahme, dass die elfte Schicht mehrere Gleichspannungen hat, bedeutet dies, dass der Konstrukteur das Hochgeschwindigkeitssignal so weit wie möglich von der zehnten Schicht und der unteren Schicht fernhalten muss, da der Rückstrom nicht durch die Referenzebene über der zehnten Schicht fließen kann und Nähkondensatoren erforderlich sind. Die Lagen 5, 7 und 9 sind Signalschichten für Hochgeschwindigkeitssignale. Die Spuren wichtiger Signale sollten so weit wie möglich in eine Richtung ausgelegt werden, um die Anzahl möglicher Spurenkanäle auf der Schicht zu optimieren. Die auf verschiedenen Schichten verteilten Signalspuren sollten senkrecht zueinander liegen, was die Kopplungsstörungen elektrischer und magnetischer Felder zwischen den Leitungen verringern kann. Die dritte und siebte Ebene können als "Ost-West" Spuren gesetzt werden, und die fünfte und neunte Ebene werden als Route die Linien für "Nord und Süd" gesetzt. Die Schicht des Routingtuchs hängt von der Richtung ab, in die es das Ziel erreicht.

(2) Schichtänderungen während des Hochgeschwindigkeitssignalrouterings und welche verschiedenen Schichten für ein unabhängiges Routing verwendet werden, um sicherzustellen, dass der Rückstrom bei Bedarf von einer Referenzebene in eine neue Referenzebene fließt. Dies ist, den Signalschleifenbereich zu reduzieren und die differentielle Mode Stromstrahlung und Gleichtaktstromstrahlung der Schleife zu reduzieren. Schleifenstrahlung ist proportional zur Stromintensität und Schleifenbereich. Tatsächlich erfordert das beste Design keinen Rückstrom, um die Bezugsebene zu ändern, sondern ändert sich einfach von einer Seite der Bezugsebene zur anderen. Beispielsweise kann eine Kombination von Signalschichten als Signallagenpaare verwendet werden: Schicht 3 und Schicht 5, Schicht 5 und Schicht 7, Schicht 7 und Schicht 9, die eine Ost-West-Richtung und eine Nord-Süd-Richtung ermöglicht, eine Verkabelungskombination zu bilden. Aber die Kombination aus Schicht 3 und Schicht 9 sollte nicht verwendet werden, da dies erfordert, dass der Rückstrom von Schicht 4 zu Schicht 8 fließt. Obwohl ein Entkopplungskondensator in der Nähe des Durchgangs platziert werden kann, ist der Kondensator bei hohen Frequenzen aufgrund des Vorhandenseins von Blei und über Induktivität nutzlos. Und diese Art der Verkabelung vergrößert die Fläche der Signalschleife, was ungünstig ist, um die Stromstrahlung zu reduzieren.

(3) Wählen Sie die Gleichspannung für die Referenzebene. In diesem Beispiel gibt es aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Signalverarbeitung innerhalb des Prozessors viel Rauschen auf dem Power/Masse Referenzstift. Daher ist es sehr wichtig, Entkopplungskondensatoren zu verwenden, um dem Prozessor die gleiche Gleichspannung bereitzustellen und Entkopplungskondensatoren so effizient wie möglich zu verwenden. Der beste Weg, die Induktivität dieser Komponenten zu reduzieren, besteht darin, die Leiterbahnen so kurz und breit wie möglich zu verbinden und die Durchkontaktierungen so kurz und dick wie möglich zu machen.

Wenn die zweite Schicht als "Masse" zugewiesen wird und die vierte Schicht als Stromversorgung des Prozessors zugewiesen wird, sollten die Durchkontaktierungen so kurz wie möglich von der obersten Schicht sein, in der der Prozessor und die Entkopplungskondensatoren platziert sind. Der verbleibende Teil des Raumes, der sich bis zur unteren Schicht der Platine erstreckt, enthält keine wichtigen Ströme, und die kurze Entfernung hat keinen Antenneneffekt. Tabelle 1 listet die Referenzkonfiguration des gestapelten Designlayouts auf.

2.2 20-H Regel und 3-W Regel

In the electromagnetic compatibility design of the Mehrschichtige Leiterplatte, Es gibt zwei Grundprinzipien, um den Abstand zwischen der Leistungsschicht der Mehrschichtplatte und der Kante zu bestimmen und den Abstand zwischen den bedruckten Streifen zu lösen: 20-H-Regel und 3-W-Regel.

20-H Prinzip: Durch die Verbindung zwischen dem magnetischen Fluss, HF-Strom liegt normalerweise am Rand der Leistungsebene vor. Diese Zwischenschicht-Kopplung wird Kanteneffekt genannt. Wenn Hochgeschwindigkeits-digitale Logik und Taktsignale verwendet werden, die Energieebenen werden miteinander interagieren. Kopplung des HF-Stroms, wie in Abbildung 1 gezeigt. Um diesen Effekt zu verringern, the physical size of the power plane should be at least 20H smaller than the physical size closest to the ground plane (H is the distance between the power plane and the ground plane). Der Kanteneffekt des Netzteils tritt normalerweise bei ca. 10H auf, 20H Wenn etwa 10% des magnetischen Flusses blockiert ist, Wenn Sie 98% des magnetischen Flusses erreichen wollen, wird blockiert, Sie benötigen einen 100% Grenzwert, wie in Abbildung 1 gezeigt. Die 20-H-Regel bestimmt den physikalischen Abstand zwischen der Leistungsebene und der nächsten Bodenebene. Dieser Abstand schließt Kupferdicke ein, Vorfüllung, und isolierende Trennschicht. Mit 20-H kann die Resonanzfrequenz der Leiterplatte selbst erhöht werden.
3-W Regel: Wenn der Abstand zwischen zwei gedruckten Linien klein ist, elektromagnetisches Übersprechen zwischen den beiden Leitungen, die dazu führen wird, dass der zugehörige Stromkreis nicht funktioniert. Um diese Störung zu vermeiden, Ein beliebiger Zeilenabstand darf nicht kleiner als das 3-fache der Drucklinienbreite sein, das ist, not less than 3W (W is the printed line width). Die Breite der gedruckten Linie hängt von den Anforderungen der Linienimpedanz ab. Zu breit wirkt sich auf die Verdrahtungsdichte aus, und zu eng beeinflusst die Integrität und Stärke des Signals, das an das Terminal gesendet wird. Die Verdrahtung von Taktkreisen, Differentialpaare, und ich/O-Ports sind alle grundlegenden Anwendungsobjekte des 3-W-Prinzips. Das 3-W-Prinzip stellt nur die Grenze der elektromagnetischen Flusslinie dar, an der die Übersprechenergie um 70%abschwächt. Wenn die Anforderungen höher sind, wie die elektromagnetische Flussgrenze, an der die Übersprechenergiedämpfung um 98%abgeschwächt wird, das Intervall von 10W muss angenommen werden.

2.3 die Anordnung des Erdungskabels

Zunächst einmal müssen wir das Konzept der verteilten Parameter etablieren. Wenn die Frequenz höher als eine bestimmte Frequenz ist, muss jeder Metalldraht als eine Vorrichtung angesehen werden, die aus Widerstand und Induktivität besteht. Daher hat die Erdungsleitung eine bestimmte Impedanz und bildet eine elektrische Schleife. Ob Einpunkt- oder Mehrpunkt-Erdung, es muss eine niederohmige Schleife bilden, um in den realen Boden oder Rack zu gelangen. Eine typische gedruckte Linie mit einer Länge von 25mm zeigt etwa 15-20nH Induktivität. Zusammen mit dem Vorhandensein verteilter Kapazität wird ein Resonanzkreis zwischen der Erdungsplatte und dem Geräterack gebildet. Zweitens, wenn der Bodenstrom durch die Erdungsleitung fließt, erzeugt er Übertragungsleitungseffekt und Antenneneffekt. Wenn die Länge der Linie 1/4 Wellenlänge ist, zeigt sie eine hohe Impedanz, der Erdungsdraht ist tatsächlich ein offener Kreis, und der Erdungsdraht wird zu einer Antenne, die stattdessen nach außen strahlt. Schließlich wird die Erdungsplatte mit Wirbelströmen gefüllt, die durch hochfrequente Ströme und Störungen entstehen. Daher bilden sich viele Schleifen zwischen Erdungspunkten. Der Durchmesser dieser Schleifen (oder der Abstand zwischen Erdungspunkten) sollte kleiner als 1/20 der Wellenlänge der höchsten Frequenz sein. Die Wahl des richtigen Gerätes ist ein wichtiger Faktor für den Designerfolg. Besonders bei der Auswahl eines Logikgerätes versuchen Sie, ein Logikgerät mit einer Anstiegszeit länger als 5ns zu wählen. Wählen Sie niemals ein Logikgerät mit einem Timing schneller als die Schaltung erfordert.

2.4 Die Anordnung des Netzkabels

Bei Mehrschichtplatinen wird die Schicht-Boden-Schichtstruktur für die Stromversorgung verwendet. Die charakteristische Impedanz dieser Struktur ist viel kleiner als die des Gleispaares, die kleiner als 1Ω sein kann. Diese Struktur hat eine bestimmte Kapazität, und es besteht keine Notwendigkeit, Hochfrequenz-Entkopplungskondensatoren neben jedem integrierten Chip hinzuzufügen. Auch wenn die Kapazität des Schichtkondensators nicht ausreicht, sollte bei Bedarf ein externer Entkopplungskondensator nicht neben dem integrierten Chip hinzugefügt werden, sondern kann überall auf der Leiterplatte hinzugefügt werden. Der Stromstift und der Erdungsstift des integrierten Chips können direkt mit der Stromschicht und der Erdungsschicht durch metallisierte Durchgangslöcher verbunden werden, so dass die Stromversorgungsschleife immer die kleinste ist. Aufgrund des Prinzips "Strom nimmt immer den Weg der geringsten Impedanz" verläuft der hochfrequente Rückfluss auf dem Boden immer nahe an der Spur, es sei denn, es gibt eine Barriere, die den Boden blockiert, so dass die Signalschleife immer die kleinste ist. Es kann gesehen werden, dass die Leistungsschicht-Schicht-Struktur die Vorteile eines einfachen und flexiblen Layouts und einer guten elektromagnetischen Verträglichkeit gegenüber der Stromversorgung der Flugbahn hat.