Leiterplattentechnisch - Verwenden Sie das geschichtete Stapeln von Leiterplatten, um EMI-Strahlung zu steuern

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 Gestaltungstechniken von PCB Schichtstapelung zur Steuerung der 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.

Für den IC auf der Leiterplatte 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.

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.

Welche Stapelstrategie für PCB Stapeln hilft EMI abzuschirmen und zu unterdrücken? Das folgende Schichtstapelschema setzt voraus, dass der Stromversorgungsstrom auf einer einzigen Schicht fließt, und die einzelne Spannung oder mehrere Spannungen sind in verschiedenen Teilen der gleichen Schicht verteilt. Der Fall von mehreren 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 alle 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. Im Folgenden werden zwei Beispiele erläutert.

Im ersten Beispiel werden Stromversorgung und Erdung auf der zweiten und fünften Schicht platziert. Aufgrund der hohen Kupferimpedanz des Netzteils ist es sehr ungünstig, die Gleichtakt-EMI-Strahlung zu steuern. Aus Sicht der Signalimpedanzsteuerung ist diese Methode jedoch sehr korrekt. Im zweiten Beispiel werden Stromversorgung und Erdung auf der dritten und vierten Schicht platziert. Dieses Design löst das Problem der Stromversorgung Kupferimpedanz. Aufgrund der schlechten elektromagnetischen Abschirmleistung der ersten und sechsten Schicht wird die Differenzmodus-EMI erhöht. Wenn die Anzahl der Signalleitungen auf den beiden äußeren Schichten am wenigsten ist und die Spurenlänge sehr kurz ist (kürzer als 1/20 der Wellenlänge der höchsten Oberschwingung des Signals), kann dieser Entwurf das Differenzmodus-EMI-Problem lösen. Füllen Sie den Bereich ohne Komponenten und Spuren auf der äußeren Schicht mit Kupfer und mahlen Sie den kupferplattierten Bereich (jede 1/20 Wellenlänge als Intervall), der besonders gut zur Unterdrückung differentieller Mode EMI ist. Wie bereits erwähnt, ist es notwendig, den Kupferbereich an mehreren Punkten mit der inneren Masseebene zu verbinden. 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.

10-lagige Platte

Da die isolierende Isolationsschicht zwischen den Mehrschichtplatinen sehr dünn ist, ist die Impedanz zwischen den 10- oder 12-Lagen der Leiterplatte sehr gering. Solange es kein Problem mit der Schichtung und Stapelung gibt, kann eine ausgezeichnete Signalintegrität erwartet werden. Es ist schwieriger, 12-Lagen-Platten mit einer Stärke von 62mil herzustellen, und es gibt nicht viele Hersteller, die 12-Lagen-Platten verarbeiten können.

Multi-Power Layer Design

Wenn die beiden Leistungsschichten derselben Spannungsquelle große Ströme ausgeben müssen, sollte die Leiterplatte in zwei Sätze von Leistungsschichten und Masseschichten ausgelegt werden. In diesem Fall wird zwischen jedem Paar Strom- und Bodenschichten eine isolierende Schicht gelegt. Auf diese Weise erhalten wir die beiden Paare von Leistungsbusstäben mit gleichen Impedanzen, die den erwarteten Strom teilen. Wenn das Stapeln der Leistungsschichten dazu führt, dass die Impedanz ungleich ist, wird der Shunt nicht einheitlich sein, die transiente Spannung wird viel größer sein, und das EMI wird stark zunehmen.

Sind mehrere Versorgungsspannungen mit unterschiedlichen Werten auf der Leiterplatte vorhanden, sind entsprechend mehrere Versorgungsschichten erforderlich. Denken Sie daran, ihre eigenen gekoppelten Netzteile und Erdungsschichten für verschiedene Netzteile zu erstellen. Beachten Sie in den beiden oben genannten Fällen bei der Bestimmung der Position der gekoppelten Leistungsschicht und der Masseschicht auf der Leiterplatte die Anforderungen des Herstellers an die ausgewogene Struktur.

Die Dicke, über den Prozess und die Anzahl der Schichten der Leiterplatte in der Leiterplatte Design sind nicht der Schlüssel zur Lösung des Problems. Excellent layered stacking is to ensure the bypass and decoupling of the Leistung bus, and minimize the transient voltage on the power layer or Boden layer. And the key to shielding the electromagnetic field of the Signal and power supply. Idealerweise, there should be an insulating isolation layer between the Signal routing layer and the return Boden layer, and the paired layer spacing (or more than one pair) should be as small as possible. Basierend auf diesen Grundkonzepten und Prinzipien, a Leiterplatte Die Entwurfsanforderungen können immer erfüllt werden.