Blog de PCB - El papel de la pila de PCB en el control de la radiación EMI

Este 1.rtículo comienza con un análisis básico PCB Board Diseño y discusión de la función y tecnología de diseño de la pila de capas de PCB en el control de emisiones EMI.

Power bus

La colocación de condensadores de capacidad adecuada cerca del pin de alimentación del CI puede hacer que el voltaje de salida del CI cambie rápidamente. Sin emBargo, el problema no ha terminado aquí. Debido a la respuesta de frecuencia finita de los condensadores, esto evita que generen la Potencia armónica necesaria para conducir la salida del CI de forma limpia a través de la banda de frecuencia. Además, las tensiones transitorias generadas en el bus de alimentación generarán una caída de tensión en la Inductancia de la trayectoria de desacoplamiento, que es la principal fuente de interferencia del IME de modo común. ¿Cómo podemos resolver estos problemas? En el caso de un ci en nuestra placa de Circuito, el plano de potencia alrededor del CI puede ser considerado como un buen condensador de alta frecuencia, que puede recoger la energía de fuga del condensador discreto y proporcionar energía de alta frecuencia para la salida limpia. Además, la Inductancia de la buena capa de alimentación debe ser pequeña, por lo que la señal transitoria sintetizada por la Inductancia también es pequeña, reduciendo así el IME de modo común. Por supuesto, la conexión de la capa de alimentación al pin de alimentación IC debe ser lo más corta posible, ya que el borde ascendente de la señal digital es cada vez más rápido y se conecta directamente a la almohadilla donde se encuentra el pin de alimentación IC, que se discutirá por separado.

Para controlar el IME de modo común, el plano de alimentación debe ser un par de planos de alimentación diseñados razonablemente para facilitar el desacoplamiento y tener una Inductancia suficientemente baja. ¿Alguien podría preguntar, qué tan bueno es? La respuesta a esta pregunta depende de la estratificación de la fuente de alimentación, el material entre capas y la frecuencia de funcionamiento (es decir, en función del tiempo de subida del CI). En general, la distancia entre las capas de potencia es de 6 mils, la capa media es de fr4 y la Capacitancia equivalente de la capa de potencia es de aproximadamente 75 PF por pulgada cuadrada. Obviamente, cuanto menor es el espaciamiento de las capas, mayor es la Capacitancia. No hay muchos dispositivos con un tiempo de subida de 100 a 300 ps, pero de acuerdo con la velocidad actual de desarrollo de CI, los dispositivos con un tiempo de subida de 100 a 300 ps representarán una gran proporción. Para circuitos con tiempos de subida de 100 a 300 ps, el espaciamiento de la capa 3mil ya no es adecuado para la mayoría de las aplicaciones. En ese momento, es necesario utilizar la técnica de delaminación con una distancia de capa inferior a 1 Mil ímetro y reemplazar el material dieléctrico fr4 con una constante dieléctrica muy alta. En la actualidad, la cerámica y la cerámica pueden cumplir los requisitos de diseño del Circuito de tiempo de subida de 100 a 300 ps. Aunque los nuevos materiales y métodos pueden ser adoptados en el futuro, los materiales dieléctricos comunes de 1 a 3 NS de tiempo de subida, 3 a 6 mils de espaciamiento de capas y fr4 son generalmente suficientes para manejar armónicos de alta gama y mantener los transitorios lo suficientemente bajos, es decir, el IME de modo común puede ser muy bajo. El ejemplo de diseño de apilamiento de capas de PCB dado en este artículo asume que el espaciamiento de capas es de 3 a 6 mils.

Blindaje electromagnético

Desde el punto de vista del enrutamiento de la señal, una buena estrategia de estratificación debe ser colocar todo el rastreo de la señal en una o más capas cerca de la fuente de alimentación o el suelo. Para la fuente de alimentación, una buena estrategia de estratificación es que la capa de alimentación es adyacente a la capa de tierra, y la distancia entre la capa de alimentación y la capa de tierra es lo más pequeña posible.

Pila de PCB

¿Qué estrategias de apilamiento ayudan a enmascarar y suprimir el IME? El siguiente esquema de apilamiento jerárquico asume que la corriente de alimentación fluye en una sola capa y que un solo voltaje o múltiples voltajes se distribuyen en diferentes partes de la misma capa. El caso de múltiples planos de potencia se discutirá más adelante.

Placa de 4 capas

Hay algunos problemas potenciales en el diseño de 4 capas. En primer lugar, la distancia entre la capa de alimentación y la capa de puesta a tierra sigue siendo demasiado grande para una placa tradicional de cuatro capas de 62 mils de espesor, incluso si la capa de señal está en la capa exterior y la capa de alimentación y la capa de puesta a tierra están en la capa interna. Si es necesario, considere los dos métodos siguientes para reemplazar los paneles tradicionales de 4 capas. Ambas soluciones mejoran el rendimiento de la supresión del IME, pero sólo cuando la densidad de los componentes en el tablero es lo suficientemente baja y hay suficiente área alrededor de los componentes (donde se coloca la capa de cobre de alimentación requerida). La capa exterior del PCB es la capa de puesta a tierra, y la capa media es la capa de señal / fuente de alimentación. La fuente de alimentación en la capa de señal está cableada por una amplia trayectoria, lo que hace que la Impedancia de la trayectoria de la corriente de alimentación sea menor y la Impedancia de la trayectoria de MICROSTRIP de la señal sea menor. Desde el punto de vista del control del IME, esta es la estructura existente de PCB de 4 capas. En el Segundo esquema, la capa exterior recibe la fuente de alimentación y la tierra, y la capa media recibe la señal. En comparación con la placa tradicional de 4 capas, la mejora del esquema es menor, y la impedancia interlaminar es tan pobre como la placa tradicional de 4 capas. Para controlar la Impedancia de la traza, el esquema de apilamiento anterior requiere un cableado muy cuidadoso de la traza bajo la fuente de alimentación y la isla de cobre de puesta a tierra. Además, las Islas de cobre en la fuente de alimentación o en el suelo deben estar lo más estrechamente interconectadas posible para garantizar conexiones de corriente continua y baja frecuencia.

Placa de 6 capas

Si la densidad de los componentes es relativamente alta en 4 capas, se utilizan 6 capas. Sin embargo, algunos esquemas de apilamiento en el diseño de 6 capas no son suficientes para proteger el campo electromagnético, y tienen poco efecto en la reducción de la señal transitoria del bus de alimentación. A continuación se examinan dos ejemplos. En el primer ejemplo, la fuente de alimentación y la puesta a tierra se encuentran en las capas 2 y 5, respectivamente. Debido a la Alta impedancia del recubrimiento de cobre, es difícil controlar la radiación EMI de modo común. Sin embargo, este método es muy correcto desde el punto de vista del control de impedancia de señal. El segundo ejemplo coloca la fuente de alimentación y la tierra en las capas 3 y 4, respectivamente. El diseño resuelve el problema de la impedancia del revestimiento de cobre de la fuente de alimentación. Debido al mal rendimiento del blindaje electromagnético de las capas 1 y 6, el IME de modo diferencial aumentará. Si el número de líneas de señal en las dos capas externas es pequeño y la longitud del rastro es corta (menos de 1 / 20 de la longitud de onda armónica de la señal), el diseño puede resolver el problema del IME de modo diferencial. La supresión del IME de modo diferencial es especialmente buena llenando las regiones no componentes y no trazables de la capa exterior con cobre y poniendo a tierra las regiones cubiertas de cobre (a intervalos de 1 / 20 de longitud de onda). Como se ha mencionado anteriormente, la zona de cobre debe estar conectada a la formación interna en varios puntos. En general, el diseño de la placa de 6 capas de alto rendimiento generalmente organiza la primera y la Sexta capa como la capa del suelo, la tercera y la cuarta capa como la capa de energía y la capa del suelo. Debido a que hay dos capas centrales de línea de señal de doble MICROSTRIP entre la fuente de alimentación y la capa de puesta a tierra, el efecto de supresión del IME es muy bueno. La desventaja de este diseño es que sólo hay dos marcas. Como se ha descrito anteriormente, si el rastro de la capa exterior es corto y el cobre se coloca en una región sin rastro, las placas convencionales de 6 capas también pueden lograr la misma pila. El otro tipo de diseño de 6 capas es señal, puesta a tierra, señal, fuente de alimentación, puesta a tierra, señal, que proporciona el entorno necesario para el diseño de la integridad de la señal. La capa de señal es adyacente al plano horizontal, y la fuente de alimentación y el plano horizontal se emparejan. Obviamente, el inconveniente 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. Si la densidad de cobre de la tercera capa se acerca a la capa de alimentación o a la capa de tierra después de que el cobre se llena, la placa se puede calcular libremente como una placa de circuito con estructura equilibrada. La zona de llenado 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, no necesariamente en todas partes, pero idealmente debe estar conectada.

Placa de 10 capas

Debido a que la capa aislante entre las placas multicapas es muy delgada, la impedancia entre capas de las placas multicapas de 10 o 12 capas es muy baja, y mientras no haya problemas de estratificación y apilamiento, se puede esperar una buena integridad de la señal. La fabricación de placas de 12 capas de 62 mils de espesor es más difícil, y no hay muchos fabricantes capaces de procesar placas de 12 capas. Dado que siempre hay una capa aislante entre la capa de señal y la capa de bucle, la solución para asignar seis capas intermedias al cableado de la línea de señal en el diseño de 10 capas no es la misma. Además, la capa de señal debe ser adyacente a la capa de bucle, es decir, la disposición de la placa de circuito es señal, puesta a tierra, señal, señal, fuente de alimentación, puesta a tierra, señal, señal, puesta a tierra, señal. El diseño proporciona un buen camino para la corriente de la señal y la corriente del bucle. La estrategia de enrutamiento correcta es enrutar la primera capa a lo largo de la dirección X, la tercera capa a lo largo de la dirección y, la cuarta capa a lo largo de la dirección X, y así sucesivamente. Visualmente, las capas 1 y 3 son un par de combinaciones jerárquicas, las capas 4 y 7 son un par de combinaciones jerárquicas, y las capas 8 y 10 son las últimas. Cuando sea necesario cambiar la dirección de la pista de grabación, la línea de señal en la primera capa debe "pasar a través del agujero" a la tercera capa, y luego cambiar la dirección. En la práctica, puede que no siempre sea posible, pero como diseño, el concepto intenta aferrarse a él. Del mismo modo, cuando la dirección de cableado de la señal cambie, debe pasar a través de los agujeros de la capa 8 y la capa 10 o la capa 4 a la capa 7. Este enrutamiento asegura un estrecho acoplamiento entre la ruta hacia adelante y la ruta de retorno de la señal. Por ejemplo, si la señal se encamina a la capa 1 y el bucle se encamina a la capa 2 y sólo a la capa 2, el bucle se encuentra en la capa 2, manteniendo así baja Inductancia, alta Capacitancia y un buen rendimiento de blindaje electromagnético, incluso si la señal en la capa 1 llega a la capa 3 a través de un "agujero a través". ¿Y si el cableado real no es así? Por ejemplo, las líneas de señal en la primera capa pasan a través de los agujeros a través de la décima capa. En este punto, la señal del bucle debe encontrar la capa de tierra de la novena capa, y la corriente del bucle debe encontrar la tierra más cercana a través del agujero (por ejemplo, el pin de tierra de elementos como resistencias o condensadores). Si tienes un pasaje como este cerca, tienes mucha suerte. Sin un orificio tan apretado, la Inductancia aumentará, la Capacitancia disminuirá y el EMI sin duda aumentará. Cuando las líneas de señal deban pasar a través de los agujeros del par actual de capas de cableado a otras capas de cableado, los agujeros de puesta a tierra se colocarán cerca de los agujeros de paso para que la señal de bucle pueda regresar sin problemas a las capas de tierra correspondientes. Para la combinación de las capas 4 y 7, el bucle de señal regresará de la capa de alimentación o de la capa de tierra (es decir, la capa 5 o la capa 6), ya que el acoplamiento capacitivo entre la capa de alimentación y la capa de tierra es bueno y la señal es fácil de transmitir.

Diseño de la capa de alimentación múltiple

Si los dos planos de alimentación de la misma fuente de tensión requieren una gran corriente de salida, el tablero de circuitos se colocará en los dos planos de alimentación y en el suelo. En este caso, se coloca una capa aislante entre cada par de fuentes de alimentación y el suelo. De esta manera, obtenemos dos pares de autobuses de potencia con impedancia igual, y esperamos que la corriente se distribuya uniformemente. Si la pila de planos de potencia produce impedancia desigual, la derivación será desigual, el voltaje transitorio será mayor y el EMI aumentará significativamente. Si usted tiene más de un voltaje de alimentación con diferentes valores en el tablero, usted necesita más de un plano de alimentación. Recuerde crear su propio par de fuentes de alimentación y capas de tierra para diferentes fuentes de alimentación. En ambos casos, tenga en cuenta los requisitos del fabricante para la estructura de equilibrio al determinar la posición de la fuente de alimentación y el suelo en el tablero.

Resumen

Considerando que la mayoría de los ingenieros diseñan la placa de circuito como una placa de circuito impreso tradicional de 62 mils de espesor, sin agujeros ciegos o incrustados, La discusión sobre la estratificación y apilamiento de circuitos se limita a esto. Para placas con una gran diferencia de espesor, El esquema de estratificación recomendado en este artículo puede no ser ideal. Además, Las placas de circuitos con agujeros ciegos o enterrados se tratan de manera diferente, El método de estratificación en este artículo no es aplicable. Espesor, Proceso via, Y el número de capas de PCB en el diseño de PCB, No es la clave para resolver el problema.. Excelente apilamiento en capas asegura Poder busbar so that Este transient voltage on the power plane or the Tierra plane is not affected. The key to shielding the electromagnetic fields of Señals and power. Ideal, there should be an insulating isolation layer between the Señal trace layer and its return Tierra layer, and the paired layer spacing (or more than one pair) should be as small as possible. Sobre la base de estos conceptos y principios básicos,the PCB Board Capaz de satisfacer siempre los requisitos de diseño. Hoy en día, el CI se eleva más corto, y será más corto en el futuro., La tecnología discutida en este artículo es muy importante para resolver el problema del blindaje EMI..