Noticias de PCB - Control de la radiación EMI a través del diseño de apilamiento estratificado de PCB

El papel y las habilidades de diseño de la pila de capas de PCB en el control de la radiación emi.

Hay muchas maneras de resolver el problema del emi. Los métodos modernos de inhibición del EMI incluyen: el uso de recubrimientos de inhibición del emi, la selección de componentes de inhibición del EMI adecuados y el diseño de simulación del emi. Este artículo comienza con el diseño más básico de los PCB y discute el papel y la tecnología de diseño de la pila estratificada de PCB en el control de la radiación emi.

Bus de alimentación

Colocar adecuadamente un capacitor de capacidad adecuada cerca del pin de alimentación del IC puede hacer que el salto de voltaje de salida del IC cambie rápidamente. Sin embargo, el problema no ha terminado ahí. Debido a la respuesta de frecuencia limitada de los condensadores, los condensadores no pueden generar la Potencia armónica necesaria para conducir la salida IC de manera limpia en toda la banda de frecuencia. Además, los voltaje instantáneos formados en el bus de alimentación formarán caídas de voltaje en los inductores de la ruta de desacoplamiento, y estos voltaje instantáneos son la principal fuente de interferencia EMI de modo común. ¿¿ cómo debemos resolver estos problemas?

En el caso de los IC en nuestra placa de circuito, la capa de potencia alrededor del IC puede considerarse un excelente capacitor de alta frecuencia, que puede recoger parte de la energía filtrada por los condensadores discretos y proporcionar energía de alta frecuencia para la salida limpia. Además, los inductores de las buenas capas de potencia deben ser más pequeños, por lo que las señales transitorias sintetizadas por los inductores también deben ser más pequeñas, lo que reduce el EMI de modo común.

Por supuesto, la conexión entre la capa de alimentación y el pin de alimentación IC debe ser lo más corta posible, ya que el borde ascendente de la señal digital es cada vez más rápido, lo mejor es conectarse directamente a la almohadilla donde se encuentra el pin de alimentación ic. Esto debe discutirse por separado.

Para controlar el EMI de modo común, el plano de Potencia debe ayudar a desacoplar y tener una inducción lo suficientemente baja. Este plano dinámico debe ser un par de planos dinámicos cuidadosamente diseñados. ¿Alguien puede preguntar, ¿ qué tan bueno es? La respuesta a esta pregunta depende de la estratificación de la fuente de alimentación, el material entre las capas y la frecuencia de trabajo (es decir, la función del tiempo de subida del ic). Por lo general, la capa de potencia está separada por 6 mils, la capa intermedia es de material fr4 y la capacidad equivalente de la capa de potencia por pulgada cuadrada es de aproximadamente 75 PF. Obviamente, cuanto menor sea el espaciamiento de las capas, mayor será el capacitor.

No hay muchos dispositivos con un tiempo de subida entre 100 y 300ps, pero según la velocidad actual de desarrollo de ic, los dispositivos con un tiempo de subida dentro del rango de 100 - 300ps representarán una gran proporción. Para circuitos con un tiempo de subida de 100 a 300ps, el espaciamiento de capas 3mil ya no será adecuado para la mayoría de las aplicaciones. En ese momento, era necesario utilizar una técnica de estratificación con una distancia entre capas inferior a 1 milímetro y reemplazar el material dieléctrico fr4 por un material con una alta permitividad. Ahora, la cerámica y los plásticos cerámicos pueden cumplir con los requisitos de diseño de los circuitos de tiempo de subida de 100 a 300ps.

Aunque en el futuro pueden utilizarse nuevos materiales y métodos, para los circuitos de tiempo de subida de 1 a 3 ns, el espaciamiento de capas de 3 a 6 mils y el material dieléctrico fr4, que son comunes hoy en día, suelen ser suficientes para procesar armónicos de alta gama y hacer que las señales transitorias sean lo suficientemente bajas, es decir, el EMI de modo común puede reducirse muy bajo. El ejemplo de diseño de apilamiento estratificado de PCB dado en este artículo asumirá una distancia de capa de 3 a 6 milímetros.

Blindaje electromagnético

Desde el punto de vista de los rastros de señal, una buena estrategia de estratificación debe ser colocar todos los rastros de señal en una o varias capas, y estas capas están al lado de la capa de alimentación o la formación de tierra. Para la fuente de alimentación, una buena estrategia de estratificación debe ser que la capa de alimentación sea adyacente a la formación de puesta a tierra, y la distancia entre la capa de alimentación y la formación de puesta a tierra sea lo más pequeña posible. Esto es lo que llamamos una estrategia "jerárquica".

Apilamiento de PCB

¿¿ qué estrategias de apilamiento ayudan a bloquear y inhibir el emi? El siguiente esquema de apilamiento estratificado asume que la corriente de alimentación fluye en una sola capa y que un solo voltaje o múltiples voltaje se distribuyen en diferentes partes de la misma capa. Más tarde se discutirá la situación de varias capas de potencia.

Tablero de 4 pisos

Hay varios problemas potenciales en el diseño de placas de 4 pisos. En primer lugar, la placa tradicional de cuatro capas con un espesor de 62 milímetros, incluso si la capa de señal está en la capa exterior y la capa de alimentación y la formación de puesta a tierra están en la capa interior, la distancia entre la capa de alimentación y la formación de puesta a tierra sigue siendo demasiado grande.

Si los requisitos de costo son los primeros, puede considerar las siguientes dos alternativas tradicionales de 4 pisos. Ambas soluciones mejoran el rendimiento de inhibición del emi, pero solo son adecuadas para aplicaciones en las que la densidad de componentes en la placa es lo suficientemente baja y hay suficiente área alrededor del componente (colocar la capa de cobre de alimentación necesaria).

La primera es la solución preferida. La capa exterior de la placa de PCB es la formación de tierra, y las dos capas intermedias son la capa de señal / fuente de alimentación. La fuente de alimentación en la capa de señal adopta un cableado de línea ancha, lo que puede hacer que la resistencia de la ruta de la corriente de alimentación sea baja y la resistencia de la ruta de MICROSTRIP de la señal también sea baja. Desde el punto de vista del control emi, esta es la mejor estructura de PCB de 4 capas en la actualidad. En la segunda opción, la capa exterior utiliza energía y tierra, y la capa media utiliza señales. En comparación con las placas de cuatro capas tradicionales, la mejora es menor, y la resistencia entre las capas es tan pobre como la de las placas de cuatro capas tradicionales.

Si desea controlar la resistencia del rastro, el esquema de apilamiento anterior debe colocar el rastro muy cuidadosamente debajo de la fuente de alimentación y la isla de cobre de tierra. Además, las Islas de cobre en la fuente de alimentación o formación de tierra deben estar interconectadas en la medida de lo posible para garantizar las conexiones de corriente continua y baja frecuencia.

Tablero de 6 pisos

Si la densidad de componentes en las cuatro capas es relativamente alta, las seis capas son las mejores. Sin embargo, algunos de los esquemas de apilamiento en el diseño de la placa de seis pisos no son suficientes para proteger el campo electromagnético y tienen poco impacto en la reducción de la señal instantánea del bus de alimentación. A continuación se discutirán dos ejemplos.

En el primer ejemplo, la fuente de alimentación y el suelo se colocan en la segunda y Quinta capa, respectivamente. Debido a la alta resistencia de cobre de la fuente de alimentación, es muy desfavorable controlar la radiación EMI de modo común. Sin embargo, este método es muy correcto desde el punto de vista del control de resistencia de la señal.

En el segundo ejemplo, la fuente de alimentación y el suelo se colocan en el tercer y cuarto piso, respectivamente. Este diseño resuelve el problema de la resistencia al cobre de la fuente de alimentación. Debido al bajo rendimiento de blindaje electromagnético de las capas primera y sexta, el EMI de modo diferencial aumentó. Si las dos capas exteriores tienen el menor número de líneas de señal y la longitud del rastro es muy corta (menos de 1 / 20 de la longitud de onda armónica más alta de la señal), este diseño puede resolver el problema del EMI de modo diferencial. Rellene con cobre las áreas de la capa exterior sin componentes y trazas y aterrice las áreas cubiertas de cobre (a intervalos de 1 / 20 de longitud de onda), lo que es particularmente bueno para inhibir el EMI de modo diferencial. Como se mencionó anteriormente, es necesario conectar la zona de cobre con el plano de tierra interior en varios puntos.

El diseño general de seis capas de alto rendimiento generalmente utiliza la primera y sexta capas como formaciones de tierra, y la tercera y cuarta capas se utilizan para la fuente de alimentación y la tierra. Debido a que hay dos capas de línea de señal de doble MICROSTRIP en el medio entre la capa de potencia y la formación de tierra, la capacidad de inhibición del EMI es muy buena. La desventaja de este diseño es que solo hay dos capas de enrutamiento. Como se mencionó anteriormente, si el rastro externo es más corto y el cobre se coloca en una zona sin rastro, también se puede lograr la misma pila utilizando paneles tradicionales de seis capas.

Otro diseño de tablero de seis pisos es señal, puesta a tierra, señal, fuente de alimentación, puesta a tierra y señal, que puede lograr el entorno necesario para el diseño avanzado de integridad de señal. La capa de señal es adyacente a la formación de puesta a tierra, y la capa de potencia y la formación de puesta a tierra son emparejadas. Obviamente, la desventaja es que la pila de capas es desequilibrada.

Esto suele causar problemas a la industria manufacturera. La solución a este problema es llenar todas las áreas en blanco de la tercera capa con cobre. Después de rellenar el cobre, si la densidad de cobre de la tercera capa está cerca de la capa de alimentación o la formación de tierra, la placa no puede considerarse estrictamente como una placa de circuito con equilibrio estructural. El área rellena de cobre debe estar conectada a la fuente de alimentación o al suelo. La distancia entre los agujeros de conexión sigue siendo de 1 / 20 de longitud de onda y puede que no sea necesario conectarse por todas partes, pero debe conectarse en el caso ideal.

Placa de 10 pisos

Debido a que la capa de aislamiento entre las placas multicapa es muy delgada, la resistencia entre las 10 o 12 capas de la placa de circuito es muy baja. Mientras no haya problemas con la estratificación y la apilamiento, se puede esperar una buena integridad de la señal. La fabricación de placas de 12 capas con un espesor de 62 miles es más difícil y no hay muchos fabricantes capaces de procesar placas de 12 capas.

Debido a que siempre hay una capa aislante entre la capa de señal y la capa de anillo, la solución para asignar seis capas intermedias en el diseño de 10 capas de tablero para enrutar la línea de señal no es la mejor. Además, es importante que la capa de señal sea adyacente a la capa de anillo, es decir, la placa de circuito esté diseñada como señal, puesta a tierra, señal, señal, fuente de alimentación, puesta a tierra y señal.

Este diseño proporciona un buen camino para la corriente de la señal y su corriente de circuito. La estrategia de cableado correcta es encadenar en la dirección X en la primera capa, en la dirección y en la Tercera capa, y en la dirección X en la Cuarta capa, y así sucesivamente. intuitivamente, la primera y tercera capas son un par de combinaciones jerárquicas, y la cuarta y séptima capas son un grupo de combinaciones jerárquicas. Y las capas 8 y 10 son el último par de combinaciones jerárquicas. Cuando es necesario cambiar la dirección de la ruta, la línea de señal de la primera capa debe llegar a la tercera capa a través del "agujero" y luego cambiar la Dirección. De hecho, esto puede no ser siempre posible, pero como concepto de diseño, debe seguirse tanto como sea posible.

Del mismo modo, cuando la dirección de la ruta de la señal cambia, debe pasar por los agujeros desde las capas 8 y 10 o desde las capas 4 a 7. Este cableado garantiza el acoplamiento más estrecho entre la ruta positiva de la señal y el bucle. Por ejemplo, si la señal se encamina en el primer nivel, el bucle en el segundo nivel y solo en el segundo nivel, la señal en el primer nivel se transmite al tercer nivel a través del "agujero". El circuito se mantiene en la segunda capa para mantener las características de baja inducción, gran capacidad y buen rendimiento de blindaje electromagnético.

¿¿ qué pasa si el cableado real no es así? Por ejemplo, la línea de señal en la primera capa pasa por el agujero a través hasta la décima capa. En este momento, la señal del bucle debe encontrar el plano de tierra desde la capa 9, y la corriente del bucle debe encontrar el suelo más cercano a través (por ejemplo, el pin de tierra de la resistencia o el capacitor). Si por casualidad hay un pasaje así cerca, tienes mucha suerte. Sin tal agujero cercano, la bobina de inducción aumentará, la capacidad disminuirá y el EMI definitivamente aumentará.

Cuando la línea de señal debe salir del par actual de capas de cableado a otras capas de cableado a través del agujero, el agujero de conexión a tierra debe colocarse cerca del agujero de conexión para que la señal del anillo pueda regresar sin problemas a la formación de conexión adecuada. Para la combinación de capas 4 y 7, el bucle de señal regresará de la capa de potencia o de la formación de tierra (es decir, la capa 5 o 6), ya que el acoplamiento capacitivo entre la capa de potencia y la formación de tierra es bueno y la señal es fácil de transmitir.

Diseño de múltiples capas de energía

Si las dos capas de alimentación de la misma fuente de tensión necesitan producir una gran corriente, la placa de circuito debe dividirse en dos grupos de capas de alimentación y capas de tierra. En este caso, la capa aislante se coloca entre cada par de capas de alimentación y la formación de tierra. De esta manera, obtenemos dos pares de autobuses de energía con igual resistencia, que dividen la tensión de la corriente que esperamos. Si la pila de capas de potencia provoca una resistencia desigual, el convertidor será desigual, el voltaje transitorio será mucho mayor y el EMI aumentará drásticamente.

Si hay múltiples tensiones de alimentación con diferentes valores en la placa de circuito, se necesitan varias capas de alimentación en consecuencia. Recuerde crear sus propias fuentes de alimentación emparejadas y formaciones de tierra para diferentes fuentes de alimentación. En ambos casos anteriores, al determinar la ubicación de las capas de alimentación emparejadas y las formaciones de tierra en la placa de circuito, recuerde los requisitos del fabricante para la estructura de equilibrio.

Lo anterior es una introducción al control de la radiación EMI a través del diseño de apilamiento estratificado de pcb. El IPCB también está disponible para fabricantes de PCB y tecnología de fabricación de pcb.