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

Este artículo comienza con un análisis básico PCB Board Se discuten las funciones y habilidades de diseño de la disposición jerárquica. PCB Board Superposición en el control de la radiación de interferencia electromagnética. Hay muchas maneras de resolver el problema de la interferencia electromagnética. Los métodos modernos de supresión de interferencias electromagnéticas incluyen: recubrimiento de supresión de interferencias electromagnéticas, Selección de piezas de repuesto adecuadas para la supresión del IME y diseño de simulación del IME.

Power bus

La colocación de condensadores de capacidad adecuada cerca del pin de potencia 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 limitada del condensador, no se puede generar la Potencia armónica necesaria para limpiar la salida del circuito integrado de conducción en toda 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 los circuitos integrados en nuestra placa de Circuito, el plano de potencia alrededor del circuito integrado puede considerarse un buen condensador de alta frecuencia, que puede recoger la energía filtrada de condensadores discretos que proporcionan energía de alta frecuencia para una 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 la interferencia electromagnética 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.

Con el fin de controlar la interferencia electromagnética de modo común, el plano de Potencia debe ser un par de planos de potencia 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 tecnología de delaminación con una distancia de capa inferior a 1 milímetro y reemplazar el material dieléctrico fr4 con un material 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 reducirse a niveles muy bajos. El ejemplo de diseño de la pila de capas de PCB que se da en este artículo asume que el espacio entre 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 la interferencia electromagnética? 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 del plano de potencia múltiple se discutirá más adelante.

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 si 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 tierra, y las dos capas intermedias son la capa de señal / potencia. El cableado de la fuente de alimentación en la capa de señal tiene una trayectoria más amplia, 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 de las interferencias electromagnéticas, se trata de una estructura existente de cuatro capas de PCB. 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 entre capas es tan pobre como la placa tradicional de 4 capas. Para controlar la Impedancia de la trayectoria, el esquema de superposición anterior requiere un cableado muy cuidadoso 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 las conexiones de corriente continua y baja frecuencia.

Tabla de 6 capas: si la densidad de los componentes en la tabla de 4 capas es relativamente grande, use la tabla de 6 capas. Sin embargo, algunos esquemas de apilamiento en el diseño de 6 capas no son suficientes para proteger el campo electromagnético, y tienen poca influencia en la reducción de la señal transitoria del bus de potencia. A continuación se examinan dos ejemplos. Por ejemplo, la fuente de alimentación y la puesta a tierra se encuentran en las capas segunda y quinta, respectivamente. Debido a la Alta impedancia del recubrimiento de cobre de la fuente de alimentación, es muy difícil controlar la radiación EMI de modo común. Sin embargo, este método es bastante 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 de recubrimiento 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 aumenta. Si el número de líneas de señal en las dos capas externas es pequeño y la longitud de la trayectoria 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 trazas 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. El diseño general de seis capas de alto rendimiento generalmente organiza la primera y la Sexta capa en la capa de tierra, y la tercera y cuarta capa son responsables de la fuente de alimentación y el 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 excelente. 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 zona libre de rastros, la misma pila se puede lograr utilizando placas convencionales de 6 capas. Otro diseño de 6 niveles es señal, puesta a tierra, señal, fuente de alimentación, puesta a tierra, señal, que puede lograr la integridad de la señal del diseño del entorno necesario. 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 de circuito 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 ningún lugar, pero idealmente debe estar conectada.

Placa de circuito de 10 capas: debido a que la capa de aislamiento entre las placas de circuito de varias capas es muy delgada, la impedancia entre las capas de la placa de circuito de 10 o 12 capas es muy baja. Mientras no haya problemas con la estratificación y superposición, se puede obtener 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.

Debido a que siempre hay una capa aislante entre la capa de señal y la capa de bucle, no es factible asignar 6 capas intermedias para el enrutamiento de la línea de señal en el diseño de 10 capas. Además, es importante hacer que la capa de señal y la capa de bucle sean adyacentes, 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, etc. Cuando sea necesario cambiar la dirección de la traza, la línea de señal en la primera capa debe ser "a través del agujero" a la tercera capa, y luego cambiar la dirección. En la práctica, esto puede no ser siempre posible, pero como concepto de diseño, trate de seguirlo. Del mismo modo, cuando la dirección de enrutamiento de la señal cambie, debe pasar a través de agujeros de las capas 8 y 10 o de 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 está enrutada en la primera capa, el bucle está enrutado en la segunda capa, y sólo en la segunda capa, el bucle todavía está en la segunda capa, incluso si la señal en la primera capa llega a la tercera capa a través de un "agujero a través", manteniendo así baja Inductancia, alta Capacitancia y un buen rendimiento de blindaje electromagnético. ¿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 el orificio de tierra más cercano (por ejemplo, el pin de tierra de un elemento como una resistencia o un condensador). Sin un orificio tan apretado, la Inductancia aumentará, la Capacitancia disminuirá y la interferencia electromagnética aumentará. Cuando las líneas de señal deban pasar a través del agujero para dejar la capa de par actual a otra capa de cableado, el agujero de tierra se colocará cerca del agujero para que la señal de bucle pueda regresar sin problemas a la capa de tierra adecuada. Para la combinación de capas 4 y 7, el bucle de señal regresará de la capa de potencia o de la capa de tierra (es decir, la capa 5 o la capa 6), ya que el acoplamiento capacitivo entre la capa de potencia y la capa de tierra es bueno y la señal es fácil de transmitir.

Diseño de la capa de potencia 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 distribuir la corriente uniformemente. Si la pila de planos de potencia produce impedancia desigual, la derivación será desigual, el voltaje transitorio será mucho mayor y la interferencia electromagnética 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 correspondiente y el suelo en el tablero.

Resumen

Considerando que la mayoría de los ingenieros diseñan una placa de circuito impreso convencional con un espesor de 62 mils, sin agujeros ciegos o a través de agujeros enterrados, this discussion of board layering and Apilar is limited to that. Para placas con grandes diferencias de espesor, El esquema de estratificación recomendado en este artículo puede no ser ideal. Además, Las placas de circuitos con orificios ciegos o enterrados se tratan de manera diferente, El método de estratificación en este artículo no es aplicable. Este thickness, Proceso de perforación y número de capas de placa de circuito en placa de circuito, El diseño no es la clave para resolver el problema. Una buena pila de capas está diseñada para asegurar la derivación y desacoplamiento del bus de alimentación, Hacer que la tensión transitoria en la superficie de la fuente de alimentación o en el suelo no se vea afectada. La clave de la señal de blindaje y el campo electromagnético de potencia. Ideal, Debe haber una capa aislante entre la capa de seguimiento de la señal y su capa de retorno a la tierra., and Este 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 Siempre puede satisfacer los requisitos de diseño.