Noticias de PCB - Diseño de cableado basado en la tecnología de compatibilidad electromagnética

El método de diseño de PCB de cableado de placas de circuito multicapa basado en la tecnología de compatibilidad electromagnética, la compatibilidad electromagnética (emc, por sus siglas en inglés), es una disciplina emergente e integral que estudia principalmente la interferencia electromagnética y la antiinterferencia. La compatibilidad electromagnética se refiere a que los equipos o sistemas electrónicos no reducen los indicadores de rendimiento debido a la interferencia electromagnética al nivel prescrito del entorno electromagnético, y la radiación electromagnética que generan no excede el nivel límite limitado y no afecta el funcionamiento normal de otros sistemas. Y lograr el propósito de que el equipo y el equipo, el sistema y el sistema no interfieran entre sí y trabajen juntos de manera confiable. La interferencia electromagnética (emi) es causada por la transmisión de energía de una fuente de interferencia electromagnética a un sistema sensible a través de una ruta de acoplamiento. Incluye tres formas básicas: la conducción de cables y líneas de tierra comunes, y la conducción a través de la radiación espacial o el acoplamiento de campo cercano. La práctica ha demostrado que incluso si el diseño del esquema del circuito es correcto y el diseño de la placa de circuito impreso no es adecuado, afectará negativamente la fiabilidad de los equipos electrónicos. Por lo tanto, garantizar la compatibilidad electromagnética de la placa de circuito impreso es la clave para el diseño de todo el sistema. Este artículo discute principalmente la tecnología de compatibilidad electromagnética y su aplicación en el diseño de placas de circuito impreso multicapa (pcb). ¡¡ este artículo es citado de Shenzhen honglijie Electronics co., ltd.!

La placa de circuito impreso es el soporte de los componentes y dispositivos de circuito en los productos electrónicos. Proporciona conexiones eléctricas entre componentes de circuitos y equipos, y es el componente más básico de varios dispositivos electrónicos. Hoy en día, los circuitos integrados a gran escala y muy grandes se han utilizado ampliamente en equipos electrónicos, y la densidad de instalación de los componentes en placas de circuito impreso es cada vez mayor, y la velocidad de transmisión de la señal es cada vez más rápida. Los problemas de EMC se han vuelto cada vez más prominentes. Los PCB tienen un solo panel (placa de una sola capa), una placa de doble cara (placa de dos capas) y una placa de varias capas. Las placas individuales y dobles se utilizan generalmente en circuitos de cableado de baja y media densidad y circuitos integrados bajos, y las placas multicapa utilizan cableado de alta densidad y circuitos integrados altos. Desde el punto de vista de la compatibilidad electromagnética, las placas unilaterales y dobles no son adecuadas para circuitos de alta velocidad. El cableado único y doble cara ya no puede cumplir con los requisitos de los circuitos de alto rendimiento. El desarrollo de circuitos de cableado multicapa ofrece la posibilidad de resolver los problemas anteriores. Las aplicaciones son cada vez más amplias.

Características del cableado de varias capas

El PCB está compuesto por materiales dieléctrico orgánicos e inorgánicos de estructura multicapa. La conexión entre las capas se realiza a través de agujeros. Los agujeros a través están recubiertos o llenos de materiales metálicos para lograr la transmisión de señales eléctricas entre las capas. Las razones por las que el cableado multicapa es ampliamente utilizado tienen las siguientes características:

(1) se proporciona una capa de alimentación especial y una formación de tierra en el interior de la placa multicapa. La capa de potencia se puede utilizar como bucle de ruido para reducir la interferencia; Al mismo tiempo, la capa de potencia también proporciona un circuito para todas las señales en el sistema para eliminar la interferencia de acoplamiento de resistencia común. Reducir la resistencia del cable de alimentación, reduciendo así la interferencia de resistencia pública.

(2) las placas multicapa adoptan una formación de puesta a tierra especial, y todas las líneas de señal tienen líneas de puesta a tierra especiales. Características de la línea de señal: la resistencia es estable, fácil de coincidir y reduce la distorsión de la forma de onda causada por la reflexión; Al mismo tiempo, el uso de formaciones especiales de puesta a tierra aumenta la capacidad de distribución entre las líneas de señal y las líneas de puesta a tierra, reduciendo la conversación cruzada.

2 diseño laminado de placas de circuito impreso

2.1 reglas de cableado de PCB

El análisis de compatibilidad electromagnética de las placas de circuito multicapa puede basarse en las leyes de Kirchhoff y Faraday de la inducción electromagnética. Según la Ley de kirchhoff, cualquier señal de dominio de tiempo desde la fuente de alimentación hasta la carga debe tener una ruta de resistencia mínima.

Los PCB multicapa se utilizan generalmente en sistemas de alta velocidad y Alto rendimiento, en los que los multicapa se utilizan para fuentes de alimentación de corriente continua (dc) o planos de referencia de tierra. Estos planos suelen ser planos sólidos sin ninguna división, ya que hay capas suficientes para el suministro de energía o la puesta a tierra, por lo que no es necesario aplicar diferentes tensiones de corriente continua en la misma capa. Esta capa se utilizará como ruta de retorno de corriente para señales de líneas de transmisión adyacentes. La construcción de una ruta de retorno de corriente de baja resistencia es el objetivo EMC más importante de estas capas planas.

Las capas de señal se distribuyen entre las capas del plano de referencia física, que pueden ser líneas de banda simétricas y líneas de banda asimétricas. Tomemos como ejemplo las placas de 12 pisos para ilustrar la estructura y el diseño de las placas de varios pisos. La estructura jerárquica es T - P - S - P - S - P - S - P - b, "t" es la capa superior, "p" es la capa plana de referencia y "s" es la capa de señal. "B" es el fondo. Desde la planta superior hasta la planta inferior se encuentran la primera, segunda y duodécima planta. La planta superior e inferior se utilizan como almohadillas para componentes. La señal no debe transmitirse entre la planta superior e inferior durante demasiado tiempo para reducir la radiación directa del rastro. Las líneas de señal incompatibles deben aislarse entre sí. El objetivo es evitar la interferencia de acoplamiento entre sí. Las líneas de señal de alta y baja frecuencia, grandes y pequeñas corrientes, digitales y analógicas no son compatibles. En el diseño de los componentes, los componentes incompatibles deben colocarse en diferentes lugares de la placa de impresión. El diseño de las líneas de señal sigue siendo necesario. Aislarlos cuidadosamente. En el diseño se deben prestar atención a los siguientes tres problemas:

(1) determinar qué capa plana de referencia contendrá varias áreas de alimentación para diferentes tensiones de corriente continua. Suponiendo que la capa 11 tenga múltiples tensiones de corriente continua, esto significa que el diseñador debe mantener la señal de alta velocidad lo más alejada posible de la capa 10 y la capa inferior, ya que la corriente de retorno no puede fluir a través del plano de referencia por encima de la capa 10 y es necesario empalmar el capacitor. Las capas 5, 7 y 9 son capas de señal para señales de alta velocidad. Los rastros de señales importantes deben colocarse en la medida de lo posible en una dirección para optimizar el número de posibles canales de rastreo en la capa. Los rastros de señal distribuidos en diferentes capas deben ser perpendiculares entre sí, lo que puede reducir la interferencia de acoplamiento entre campos eléctricos y magnéticos entre líneas. Las capas 3 y 7 se pueden configurar en direcciones "este - oeste", y las capas 5 y 9 se pueden configurar en direcciones "norte - sur". La capa de la tela de ruta depende de la dirección en la que llegue a su destino.

(2) cambios de capa durante el enrutamiento de la señal de alta velocidad y qué capas diferentes se utilizan para el enrutamiento independiente para garantizar que la corriente de retorno fluya del plano de referencia al nuevo plano de referencia según sea necesario. Esto es para reducir el área del bucle de señal y reducir la radiación de corriente de modo diferencial y la radiación de corriente de modo común del bucle. La radiación del circuito es proporcional a la intensidad de la corriente y el área del circuito. De hecho, el mejor diseño no requiere una corriente de retorno para cambiar el plano de referencia, sino simplemente cambiar de un lado del plano de referencia al otro. Por ejemplo, la combinación de capas de señal se puede utilizar como par de capas de señal: capas 3 y 5, capas 5 y 7, capas 7 y capas 9, lo que permite formar una combinación de cableado en las direcciones este - oeste y Norte - Sur. Sin embargo, no se debe utilizar una combinación de capas 3 y 9, ya que esto requiere que la corriente de retorno fluya de la capa 4 a la capa 8. Aunque los condensadores de desacoplamiento se pueden colocar cerca del agujero, a alta frecuencia, los condensadores son inútiles debido a la presencia de cables e inductores a través del agujero. Y este cableado aumentará el área del Circuito de señal, lo que no es propicio para reducir la radiación de corriente.

(3) seleccione el voltaje de corriente continua de la capa del plano de referencia. En este ejemplo, debido a la alta velocidad de procesamiento de señales dentro del procesador, hay mucho ruido en el pin de referencia de alimentación / tierra. Por lo tanto, es muy importante utilizar condensadores de desacoplamiento para proporcionar el mismo voltaje de corriente continua al procesador y utilizar condensadores de desacoplamiento lo más eficazmente posible. La mejor manera de reducir la inducción de estos elementos es conectar el rastro lo más corto y ancho posible y hacer que el agujero de paso sea lo más corto y grueso posible.

Si la segunda capa se asigna como "tierra" y la cuarta como fuente de alimentación del procesador, el agujero de paso debe ser lo más corto posible de la capa superior donde se colocan el procesador y el capacitor de desacoplamiento. El resto del espacio que se extiende hasta la parte inferior de la placa de circuito no contiene ninguna corriente importante, y las distancias cortas no tienen efecto antena. La Tabla 1 enumera las configuraciones de referencia para el diseño de apilamiento.

2.2 reglas 20 - H y 3 - w

En el diseño de compatibilidad electromagnética de las placas de PCB multicapa, hay dos principios básicos para determinar la distancia entre la capa de potencia de las placas multicapa y el borde y resolver la distancia entre las cintas impresas: la regla 20 - H y la regla 3 - W.

Principio 20 - h: debido a la conexión entre los flujos magnéticos, la corriente de radiofrecuencia suele estar presente en el borde del plano de potencia. Este acoplamiento entre capas se llama efecto de borde. Cuando se utilizan lógicas digitales de alta velocidad y señales de reloj, el plano de Potencia interactuará. Corriente de radiofrecuencia acoplada, como se muestra en la figura 1. Para reducir este efecto, el tamaño físico del plano de la fuente de alimentación debe ser al menos 20h menor que el tamaño físico más cercano al plano del suelo (h es la distancia entre el plano de la fuente de alimentación y el plano del suelo). El efecto de borde de la fuente de alimentación suele ocurrir alrededor de 10h, 20h. cuando se bloquea alrededor del 10% del flujo magnético, si quieres alcanzar el 98% del flujo magnético necesitas un valor límite del 100%, como se muestra en la figura 1. La regla 20 - H determina la distancia física entre el plano de la fuente de alimentación y el plano del horizonte más cercano. La distancia incluye el grosor del cobre, el relleno previo y la capa de separación de aislamiento. El uso de 20 - H puede aumentar la frecuencia de resonancia del propio pcb. Regla 3 - w: cuando la distancia entre las dos líneas impresas es muy pequeña, se produce una conversación cruzada electromagnética entre las dos líneas, lo que provocará un fallo en el circuito en cuestión. Para evitar esta interferencia, mantenga cualquier distancia de línea no inferior a tres veces el ancho de la línea de impresión, es decir, no inferior a 3W (w es el ancho de la línea de impresión). El ancho de la línea impresa depende de los requisitos de resistencia de la línea. El exceso de ancho afectará la densidad del cableado, y el exceso de estrecho afectará la integridad e intensidad de la señal transmitida al terminal. El cableado de circuitos de reloj, pares diferenciales y puertos de E / s son los objetos básicos de aplicación del principio 3 - W. El principio 3 - w solo indica el límite de la línea de flujo electromagnético con una atenuación del 70% de la energía de conversación cruzada. Si los requisitos son más altos, como la línea límite de flujo electromagnético con una atenuación del 98% de la energía de conversación cruzada, se debe aplicar un intervalo de 10 W.

2.3 disposición de los cables de tierra

En primer lugar, debemos establecer el concepto de parámetros distribuidos. Cuando la frecuencia es superior a una determinada frecuencia, cualquier cable metálico debe considerarse un dispositivo compuesto por resistencias e inductores. Por lo tanto, el cable de tierra tiene cierta resistencia y constituye un circuito eléctrico. Tanto la puesta a tierra de un solo punto como la puesta a tierra de varios puntos deben formar un circuito de baja resistencia para entrar en el verdadero suelo o bastidor. Una línea de impresión típica de 25 mm de longitud mostrará una inducción de aproximadamente 15 - 20nh. Junto con la presencia de condensadores distribuidos, se formará un circuito de resonancia entre el suelo de tierra y el bastidor del equipo. En segundo lugar, cuando la corriente de tierra fluye a través del suelo, se producirán efectos de línea de transmisión y efectos de antena. Cuando la longitud de la línea es de 1 / 4 de longitud de onda, muestra una alta resistencia, el cable de tierra es en realidad un circuito abierto, y el cable de tierra se convierte en una antena que irradia hacia afuera. Finalmente, el suelo de tierra está lleno de vórtices formados por corrientes y perturbaciones de alta frecuencia. Por lo tanto, se forman muchas carreteras de circunvalación entre los puntos de tierra. El diámetro de estos circuitos (o la distancia entre los puntos de tierra) debe ser inferior a 1 / 20 de la longitud de onda de frecuencia más alta. La selección del equipo adecuado es un factor importante para el éxito del diseño. Especialmente al seleccionar dispositivos lógicos, trate de seleccionar dispositivos lógicos con un tiempo de subida superior a 5ns. Nunca elija dispositivos lógicos con un calendario más rápido de lo requerido por el circuito.

2.4 disposición del cable de alimentación

Para las placas multicapa, la estructura de formación de la capa de alimentación se utiliza para el suministro de energía. La resistencia característica de esta estructura es mucho menor que la resistencia característica de un par orbital, que puede ser inferior a una isla. Esta estructura tiene ciertos condensadores y no necesita agregar condensadores de desacoplamiento de alta frecuencia al lado de cada chip integrado. Incluso si la capacidad de los condensadores de capa no es suficiente, cuando se necesitan condensadores de desacoplamiento externos, no se deben agregar al lado del chip integrado, sino que se pueden agregar en cualquier lugar de la placa de impresión. Los pines de alimentación y tierra del chip integrado se pueden conectar directamente a la capa de alimentación y a la formación de tierra a través de agujeros metálicos, por lo que el circuito de alimentación siempre es el más pequeño. Debido al principio de que "la corriente siempre sigue el camino de la menor resistencia", el retorno de alta frecuencia en el suelo siempre funciona cerca de la órbita, a menos que haya obstáculos que bloqueen el suelo, por lo que el circuito de señal siempre es el más pequeño. Se puede ver que en comparación con la fuente de alimentación balística, la estructura estratigráfica de la capa de Potencia tiene las ventajas de un diseño simple y flexible y una buena compatibilidad electromagnética.