Leiterplattentechnisch - EMI/EMV Design Lecture: Die Bildebene von Leiterplatten (Teil 1)

An image plane is a layer of copper conductors (or other conductors) that is located inside a printed circuit board (PCB). Es kann eine Spannungsebene sein, oder eine 0V-Referenzebene neben einer Schaltung oder Signalleitungsschicht. In den 90er Jahren, Das Konzept der Bildebene wurde weit verbreitet, und jetzt ist es ein richtiger Begriff für Industriestandards. In diesem Artikel wird die Definition erläutert, Prinzip und Gestaltung der Bildebene.

Definition der Bildebene

Der HF-Strom muss über einen vorher definierten Pfad oder einen anderen Pfad zur Stromquelle zurückkehren; Kurz gesagt, dieser Rückweg ist eine Art Bildebene. Die Bildebene kann ein Spiegelbild der ursprünglichen Verdrahtung (Spiegelbild) oder ein anderer Pfad in der Nähe sein----das heißt, Übersprechen; Die Bildebene kann eine Energieebene, eine Bodenebene oder ein freier Raum (freier Raum) sein. Raum). HF-Strom wird mit jeder Übertragungsleitung in Form von Kapazität oder Induktivität gekoppelt, solange die Impedanz dieser Übertragungsleitung kleiner als die Impedanz des zuvor definierten Pfades ist. Um EMV-Normen zu erfüllen, muss jedoch Freiraum als Rückweg vermieden werden.

Obwohl einseitig PCB kann Kosten senken, Diese einfache Struktur entspricht möglicherweise nicht den EMV-Normen. Meistens 2-Schicht oder 4-Schicht PCBs haben eine relativ hohe Signalintegrität und können EMV-Tests bestehen. The high-density (multi-layer board) PCB Stapel kann 6dB bis 8dB Hochfrequenz Unterdrückung für jedes Paar Bildebenen zur Verfügung stellen, was auf den Effekt der Beseitigung des magnetischen Flusses zurückzuführen ist. Es gibt eine einfache Regel, die verwendet werden kann, um festzustellen, wann eine Mehrschichtkarte verwendet werden soll: Wenn die Frequenzrate 5MHz überschreitet, oder die Anstiegszeit ist schneller als 5 ns, Es muss eine Mehrschichtplatte verwendet werden.

Definition der Induktivität

Sowohl Leiterbahnen als auch Kupferebenen weisen eine begrenzte Anzahl von Induktivitäten auf. Wenn eine Spannung auf die Leiterbahnen oder Übertragungsleitungen angelegt wird, verbieten diese Induktivitäten die Stromerzeugung, so dass die beiden Drähte zu unausgewogener Gleichtaktstrahlung werden und der magnetische Fluss nicht reduziert werden kann. In der Leiterplattenstruktur gibt es drei verschiedene Arten von Induktivität:

.Teilinduktivitätdie Induktivität, die im Draht vorhanden ist oder PCB Spur.

Selbstinduktivität: die Induktivität von einem Abschnitt des Drahtes, im Gegensatz zu einem unendlich langen Abschnitt.

Gemeinsame partielle Induktivität: die Wirkung eines Induktivitätsabschnitts auf den zweiten Induktivitätsabschnitt.

Verglichen mit Kapazität und Widerstand ist die Induktivität am schwierigsten zu messen. Die Induktivität stellt die dynamischen Eigenschaften einer geschlossenen Stromschleife dar. Induktivität ist das Verhältnis des magnetischen Flusses, der durch eine geschlossene Schleife fließt, und des Stroms, der den magnetischen Fluss erzeugt. Sein mathematischer Ausdruck ist: Lij=Ψij/li, Ψ ist der magnetische Fluss und I ist der Strom in der Schleife. In einer geschlossenen Schleife hängt der Induktivitätswert von der Form und Größe der Schleife ab. Beim Entwurf einer Leiterplatte ignorieren Ingenieure oft die Induktivität der Leiterbahn. Die Induktivität hängt immer mit dem geschlossenen Kreislauf zusammen. Der Induktivitätseffekt einer geschlossenen Schleife kann durch die partielle Induktivität und den gemeinsamen partiellen Induktivitätseffekt beschrieben werden.

Teilinduktivität

Die interne Induktivität eines Leiters, die durch den magnetischen Fluss innerhalb des Leiters erzeugt wird. Die Summe der Teilinduktivitäten eines geschlossenen Kreislaufs ist gleich der Summe der Teilinduktivitäten jedes Abschnitts, das heißt,. Und das Li jedes Abschnitts ist gleich Ψi, Ψi repräsentiert den magnetischen Fluss, der mit der Schleife im i-ten Abschnitt gekoppelt ist, I ist die Strommenge im i-ten Abschnitt und Li ist die partielle Induktivität. Daher haben verschiedene Schaltkreise unterschiedliche Werte der partiellen Induktivität. Uns geht es um den partiellen Induktivitätswert, nicht um den Gesamtinduktivitätswert der Spur. Darüber hinaus kann die Teilinduktivität verwendet werden, um die gemeinsame Teilinduktivität abzuleiten.

Gemeinsame partielle Induktivität

Der Hauptfaktor, der es der Bildebene ermöglicht, magnetischen Fluss zu eliminieren, liegt in der "gemeinsamen partiellen Induktivität". Nachdem der magnetische Fluss eliminiert ist, können die magnetischen Kraftlinien angeschlossen werden und der beste Rückweg für den Hochfrequenzstrom gefunden werden. Ein Teil der Induktivität an sich bezieht sich auf die Induktivität eines bestimmten Schleifenabschnitts und hat nichts mit anderen Schleifenabschnitten zu tun. Abbildung 1 zeigt eine eigene partielle Induktivität. Der Strom in einer Leiterschleife ist I, und Lp ist seine eigene partielle Induktivität des Leiterabschnitts. Nehmen wir an, dass sich diese Spur von einem Ende des Endlichen bis zum anderen Ende der Unendlichkeit erstreckt.

Theoretisch, obwohl ein Teil der eigenen Induktivität nichts mit benachbarten Drähten zu tun hat, werden benachbarte Drähte mit einem kleinen Abstand die eigenen partiellen Induktivitätswerte des anderen ändern. Dies liegt daran, dass ein Draht mit anderen Drähten interagiert, so dass die Stromverteilung über die gesamte Länge des Drahtes nicht mehr gleichmäßig ist. Besonders wenn das Verhältnis des Abstandes zwischen den beiden Drähten zum Radius kleiner als 5:1 ist, wird diese Situation offensichtlicher sein.

Abbildung 1: Teil der eigenen Induktivität

Zwischen den beiden Drähten gibt es eine gemeinsame Teilinduktivität. Die übliche Teilinduktivität Mp basiert auf paralleler Führung oder dem Abstand (s) zwischen Drahtabschnitten. Mp ist das Verhältnis von "dem magnetischen Fluss, der durch den Strom im ersten Draht erzeugt wird (zu einem weit entfernten Ort durch den zweiten Draht)" und "dem Strom, der durch den ersten Draht erzeugt wird". Abbildung 2 zeigt eine gemeinsame partielle Induktivität. Seine äquivalente Schaltung ist in Abbildung 3 dargestellt, und der mathematische Ausdruck dieser Schaltung ist wie folgt:

Abbildung 2: Gemeinsame partielle Induktivität

Abbildung 3: Gemeinsame partielle Induktivität zwischen zwei Drähten

Nun mit dem Konzept einer gemeinsamen partiellen Induktivität, erwägen Sie die Übertragung eines Signals auf der Schaltung von Abbildung 3, wie ein Frequenzsignal. V1 befindet sich auf dem Signalpfad und V2 auf dem HF-Stromrücklaufpfad. Nehmen wir an, dass diese beiden Drähte einen Signalweg und seinen Rückweg bilden, also I1 bis I und I2 =I. Wenn es nicht eine gemeinsame Teilinduktivität gäbe, wären die beiden Drähte nicht in der Lage, miteinander zu koppeln, die Schaltung würde nicht normal funktionieren und würde keine geschlossene Schleife bilden. Der Spannungsabfall in Abbildung 3 wird:

Aus der obigen Formel ist bekannt, dass, wenn der Spannungsabfall reduziert werden soll, der gemeinsame Teil der Induktivität (Mp) erhöht werden muss.

Der einfachste Weg, den gemeinsamen Teil der Induktivität zu erhöhen, besteht darin, den Weg des HF-Rückstroms so nah wie möglich an der Signalspur zu machen. Die beste Entwurfsmethode besteht darin, eine Hochfrequenz-Rücklaufebene in der Nähe der Signalspur zu verwenden. Der Abstand zwischen ihnen sollte im erreichbaren Bereich so klein wie möglich sein.

Ein Teil der Induktivität existiert immer im Draht, es ist derselbe wie der Standardwert. Daher entspricht es einer Antenne mit einer bestimmten Resonanzfrequenz. "Gemeinsame Teilinduktivität" kann den Effekt der "Teilinduktivität" verringern. Durch die Verringerung des Abstandes zwischen den beiden Drähten kann die Induktivität einzelner Teile reduziert werden, was die Anforderungen der EMI-Kompatibilitätsstandards erfüllen kann.

Um die Wirkung des gemeinsamen Teils der Induktivität zu maximieren, müssen die Ströme in den beiden Drähten die gleiche Größe, aber in entgegengesetzte Richtungen sein. Deshalb kann die Bildebene (oder Erdungskabel) so effektiv sein. Zwischen zwei parallelen Drähten gibt es einige gemeinsame Induktivitäten, und diese Induktivitätswerte variieren mit dem Abstand und der Länge der beiden Drähte (siehe technische Spezifikationen der Drähte). Wenn der Abstand und die Länge der beiden parallelen Drähte am kleinsten sind, ist der Induktivitätswert ihres gemeinsamen Teils der größte.

Wenn ein dielektrisches Material verwendet wird, um die Leistungs- und Masseebene zu trennen, welche Rolle wird die "gemeinsame Teilinduktivität" zu diesem Zeitpunkt spielen? Solange der Abstand zwischen den beiden Ebenen klein ist, wird der Induktivitätswert des gemeinsamen Teils groß sein. Zu diesem Zeitpunkt sollte der auf der Leistungsebene gemessene HF-Signalstrom Null sein.

Weil er durch den HF-Rückstrom gleicher Größe und entgegengesetzter Richtung versetzt wird.

Darüber hinaus sollte beachtet werden, dass, wenn der Induktivitätswert des gemeinsamen Teils zwischen den beiden Drähten reduziert wird, nicht nur die Wirkung der Bildebene reduziert wird, sondern der Kapazitätswert zwischen den beiden Ebenen zunimmt.