Tecnología de PCB - Cómo resolver el problema del IME en el diseño de PCB multicapa

Hay muchas maneras Resolver el problema del IME. Los métodos modernos de supresión del IME incluyen: recubrimiento de supresión del IME, Selección de los componentes adecuados de supresión del IME, Simulación EMI Diseño. Comenzando con lo básico Diseño de Placa de circuito impreso, En este trabajo se discute el papel y Diseño Tecnología Placa de circuito impreso Control de la radiación EMI por superposición de capas.

Power bus

Un condensador de capacidad adecuada cerca del pin de alimentación del CI puTiempo estimado de despeguee hacer que el voltaje de salida del CI cambie rápidamente. Sin embargo, el problema no es sólo eso. Debido a la respuesta de frecuencia limitada del condensador, el condensador no puede generar la Potencia armónica necesaria para conducir la salida IC de forma limpia en toda la banda de frecuencia. Además, el voltaje transitorio formado en el bus de alimentación formará una caída de voltaje en el inductor de la ruta de desacoplamiento. Estos voltajes transitorios son las principales fuentes de interferencia del IME de modo común. ¿Cómo podemos resolver estos problemas?

En el caso del CI en nuestro tablero, la capa de alimentación alrededor del CI puede ser considerada como un excelente condensador de alta frecuencia, que puede recoger parte de la energía filtrada del condensador discreto y proporcionar energía de alta frecuencia para la salida limpia. Además, la Inductancia de la buena capa de Potencia 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 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, preferiblemente directamente a la almohadilla donde se encuentra el pin de alimentación IC. Esto requiere un debate separado.

Para controlar el IME de modo común, el plano de Potencia debe ser útil para desacoplar y tener una Inductancia suficientemente baja. El plano de alimentación debe ser un par de planos de alimentación cuidadosamente diseñados. ¿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 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 los dispositivos con un tiempo de subida de 100 a 300 ps representarán una mayor proporción de acuerdo con la velocidad actual de desarrollo de CI. 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 un espaciamiento de capas inferior a 1 milímetro y reemplazar el material dieléctrico fr4 con material de alta Permitividad. En la actualidad, la cerámica y el plástico cerámico pueden cumplir los requisitos de diseño del Circuito de tiempo de subida de 100 a 300 ps.

Aunque es probable que se utilicen nuevos materiales y métodos 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 hacer que las señales transitorias sean lo suficientemente bajas, es decir, el IME de modo común puede reducirse a muy bajas. El ejemplo de diseño de apilamiento de capas de Placa de circuito impreso dado en este artículo asume que el espaciamiento de capas es de 3 a 6 mils.

Blindaje electromagnético

Desde el punto de vista de la traza de la señal, una buena estrategia de estratificación debe ser colocar todas las trazas de la señal en una o más capas adyacentes a la capa de alimentación o a la capa de tierra. Para la fuente de alimentación, una buena estrategia de estratificación debe ser que la capa de alimentación y la capa de puesta a tierra son adyacentes, y la distancia entre la capa de alimentación y la capa de puesta a tierra es lo más pequeña posible. Esto es lo que llamamos una estrategia de "estratificación".

Placa de circuito impreso Apilar

¿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 capas de potencia se discutirá más adelante.

Placa de cuatro 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 los requisitos de coste son primordiales, considere las siguientes dos alternativas tradicionales de 4 pisos. Ambas soluciones mejoran el rendimiento de la supresión del IME, pero sólo se aplican a aplicaciones en las que la densidad de los componentes a bordo es lo suficientemente baja y hay suficiente área alrededor de los componentes (para colocar la capa de cobre de alimentación requerida).

La primera es la solución preferida. La capa exterior del Placa de circuito impreso es la capa de puesta a tierra, y la capa intermedia es la capa de señal / fuente de alimentación. La fuente de alimentación en la capa de señal adopta el cableado de línea ancha, lo que puede hacer 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 EMI, esta es la mejor estructura de Placa de circuito impreso de 4 capas. En la segunda opción, la capa exterior utiliza la fuente de alimentación y la tierra, y la capa media utiliza la señal. En comparación con la placa tradicional de 4 capas, la mejora 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 debe tener mucho cuidado de colocar la traza debajo de 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 interconectarse en la medida de lo posible para garantizar las conexiones de corriente continua y baja frecuencia.

Placa de seis capas

Si la densidad de los componentes es relativamente alta en el panel de 4 capas, el panel de 6 capas es el mejor. 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.

En el primer ejemplo, la fuente de alimentación y la puesta a tierra se encuentran en las capas segunda y quinta, respectivamente. Debido a la Alta Impedancia de cobre de la fuente de alimentación, el control de la radiación EMI de modo común es muy desfavorable. Sin embargo, este método es muy correcto desde el punto de vista del control de impedancia de señal.

En el segundo ejemplo, la fuente de alimentación y la puesta a tierra se encuentran en las capas tercera y cuarta, respectivamente. El diseño resuelve el problema de la Impedancia 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 mínimo y la longitud del rastro es muy corta (menos de 1 / 20 de la longitud de onda armónica más alta de la señal), el diseño puede resolver el problema del IME de modo diferencial. La región de recubrimiento de cobre se llena en la capa exterior sin componentes y sin trazas, y la región de recubrimiento de cobre se pone a tierra (a intervalos de 1 / 20 de longitud de onda), lo que es especialmente adecuado para suprimir el modo diferencial EMI. Como se mencionó anteriormente, es necesario conectar la región de cobre con el plano interno de puesta a tierra en varios puntos.

El diseño general de seis capas de alto rendimiento suele incluir la primera y la Sexta capas como capas de puesta a tierra, la tercera y la cuarta capas como fuentes de alimentación y puesta a tierra. Debido a que hay dos capas de línea de señal de doble MICROSTRIP entre la capa de potencia y la capa de tierra, la capacidad de supresión del IME es muy buena. La desventaja de este diseño es que sólo hay dos capas de enrutamiento. Como se ha descrito anteriormente, si el rastro externo es corto y el cobre se coloca en una zona libre de rastros, la misma pila también se puede lograr utilizando placas convencionales de 6 capas.

Otro diseño de 6 capas es señal, puesta a tierra, señal, fuente de alimentación, puesta a tierra y señal, que puede realizar el entorno necesario para el diseño avanzado de integridad de la señal. La capa de señal es adyacente a la capa de puesta a tierra, y la capa de potencia y la capa de puesta a tierra se emparejan. Obviamente, el inconveniente es la pila desequilibrada de capas.

Esto suele causar problemas. La solución a este problema es llenar todas las áreas en blanco de la tercera capa con cobre. Después del llenado de cobre, si la densidad de cobre de la tercera capa se acerca a la capa de alimentación o a la capa de tierra, la placa no puede ser considerada estrictamente como una placa de circuito de equilibrio estructural. La zona de llenado de cobre debe estar conectada a la fuente de alimentación o a la tierra. La distancia entre los orificios de conexión sigue siendo de 1 / 20 de longitud de onda y puede que no necesite ser conectada en todas partes, pero idealmente debe ser conectada.

Placa de 10 capas

Debido a que el aislamiento entre las placas multicapas es muy delgado, la impedancia entre las 10 o 12 capas de la placa de circuito es muy baja. Mientras no haya problemas con la estratificación y superposición, se puede esperar una excelente integridad de la señal. La fabricación de placas de 12 capas de 62 mils de espesor es más difícil, y pocos fabricantes pueden procesar placas de 12 capas.

Debido a que siempre hay una capa aislante entre la capa de señal y la capa de bucle, la solución de asignar 6 capas intermedias para el enrutamiento de la línea de señal en el diseño de 10 capas no es óptima. Además, es importante hacer que la capa de señal sea adyacente a la capa de bucle, es decir, la disposición del tablero de circuitos es señal, puesta a tierra, señal, señal, fuente de alimentación, puesta a tierra, señal, señal y señal.

El diseño proporciona un buen camino para la corriente de señal y la corriente de bucle. La estrategia de enrutamiento correcta es enrutar 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. Las capas 8 y 10 son la última combinación de capas. Cuando sea necesario cambiar la dirección del cableado, las líneas de señal de la primera capa pasarán a través del "orificio" a la tercera capa y luego cambiarán de dirección. De hecho, esto puede no ser siempre posible, pero como concepto de diseño, debe seguirse en la medida de lo posible.

Del mismo modo, cuando la dirección del cableado de la señal cambie, debe pasar a través de los agujeros de las capas 8 y 10 o de las capas 4 a 7. Este cableado asegura el acoplamiento más estrecho entre la trayectoria de la señal hacia adelante y el bucle. Por ejemplo, si la señal está enrutada en la primera capa y el bucle está enrutado en la segunda capa y sólo en la segunda capa, la señal en la primera capa se transmite a la tercera capa a través de un "through - Hole". El circuito todavía está en la segunda capa para mantener baja Inductancia, gran Capacitancia y buenas características de blindaje electromagnético.

¿Y si el cableado real no es así? Por ejemplo, el cable de señal en la primera capa pasa a través del orificio a la décima capa, y la señal de bucle debe encontrar el plano de tierra en la novena capa, y la corriente de bucle debe encontrar el orificio de tierra más cercano (por ejemplo, el pin de tierra de un componente como una resistencia o condensador). Si sucede que hay un pasaje así cerca, tienes mucha suerte. Sin un orificio tan apretado, la Inductancia se hará más grande, la Capacitancia disminuirá y el EMI sin duda aumentará.

Cuando las líneas de señal deban salir del par actual de capas de cableado a través de los orificios a otras capas de cableado, los orificios a través de la tierra se colocarán cerca de los orificios a través 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 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 potencia múltiple

Si las dos capas de alimentación de la misma fuente de tensión requieren una gran corriente de salida, el tablero de circuitos se colocará en dos conjuntos 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 capa de tierra. De esta manera, obtenemos dos pares de autobuses de potencia con impedancia igual que separan la corriente deseada. Si la pila de capas de potencia resulta en una impedancia desigual, el divisor no será uniforme, el voltaje transitorio será mucho mayor y el EMI aumentará dramáticamente.

Si hay una pluralidad de tensiones de alimentación con diferentes valores en el tablero, se requieren varias capas de alimentación en consecuencia. Recuerde crear sus propios pares 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 los pares de capas de alimentación y tierra en el tablero.

Resumen

Dado que la mayoría de las placas de circuitos diseñadas por los ingenieros son placas de circuitos impresos tradicionales de 62 mils de espesor y no tienen agujeros ciegos o enterrados, la discusión de la estratificación y apilamiento de las placas de circuitos se limita a esto. El esquema de estratificación recomendado en este artículo puede no ser ideal para circuitos con grandes diferencias de espesor. Además, la tecnología de procesamiento de Placa de circuito impreso con agujero ciego o agujero enterrado es diferente, por lo que el método de estratificación en este documento no es adecuado.

Espesor, via process and the number of layers in the circuit board Diseño No es la clave para resolver el problema.. Una buena pila de capas asegura Poder bus and minimize the transient voltage on the power layer or Tierra layer. The key to shielding the electromagnetic field of the Señal and power supply. Ideal, there should be an insulating isolation layer between the Señal routing layer and the 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, Una placa de circuito que siempre cumple Diseño Los requisitos pueden ser Diseñoed. Ahora, el tiempo de subida del CI es muy corto, y será más corto, La tecnología discutida en este artículo es muy importante para resolver el problema del blindaje EMI..