Conception électronique - Rôle de la conception d'empilement de couches de PCB dans la suppression de l'EMI

Il existe de nombreuses façons de résoudre les problèmes EMI. Les méthodes modernes d'inhibition EMI comprennent: l'utilisation d'un revêtement d'inhibition EMI, la sélection de composants d'inhibition EMI appropriés et la conception de simulation EMI. Cet article commence par la mise en page la plus basique du PCB et discute du rôle et des techniques de conception de l'empilement de couches de PCB dans le contrôle du rayonnement EMI.

Bus de puissance

Placer correctement un condensateur de capacité appropriée près de la broche d'alimentation de l'IC peut rendre le saut de tension de sortie de l'IC rapide. Cependant, le problème ne s'arrête pas là. Comme la réponse en fréquence du condensateur est limitée, le condensateur ne peut pas produire la puissance harmonique nécessaire pour piloter proprement la sortie IC dans toute la bande de fréquences. De plus, les tensions transitoires formées sur le bus d'alimentation vont créer des chutes de tension sur l'inductance de la voie de découplage et ces tensions transitoires sont les principales sources d'interférences EMI de mode commun. Comment devrions - nous résoudre ces problèmes?

En ce qui concerne le ci sur notre carte, la couche de puissance autour du ci peut être considérée comme un excellent condensateur haute fréquence qui peut collecter une partie de l'énergie des fuites de condensateurs discrets, fournissant de l'énergie haute fréquence pour une sortie propre. De plus, l'inductance de la bonne couche de puissance doit être plus faible, et donc le signal transitoire synthétisé par l'inductance, ce qui diminue le mode commun EMI.

Bien entendu, la connexion entre la couche d'alimentation et la broche d'alimentation IC doit être la plus courte possible, car le front montant du signal numérique est de plus en plus rapide et il est préférable de la connecter directement au Plot sur lequel se trouve la broche d'alimentation IC. Cela doit être discuté séparément.

Pour contrôler le mode commun EMI, le plan de puissance doit faciliter le découplage et présenter une inductance suffisamment faible. Ce plan de puissance doit être une paire de plans de puissance bien conçus. Quelqu'un pourrait demander, à quel point c'est bon d'être bon? La réponse à cette question dépend de la stratification de l'alimentation, du matériau entre les couches et de la fréquence de fonctionnement (c'est - à - dire en fonction du temps de montée de l'IC). Typiquement, l'espacement des couches de puissance est de 6 mil, la couche intermédiaire est en matériau fr4 et la capacité équivalente de la couche de puissance est d'environ 75 PF par pouce carré. Évidemment, plus l'espacement des couches est petit, plus la capacité est grande.

Il n'y a pas beaucoup de dispositifs avec un temps de montée compris entre 100 et 300 PS, mais selon les vitesses actuelles de développement des circuits intégrés, les dispositifs avec un temps de montée compris entre 100 et 300 PS occuperont une proportion élevée. Pour les circuits avec un temps de montée de 100 à 300 PS, l'espacement des couches de 3 Mil ne fonctionnera plus pour la plupart des applications. Il était alors nécessaire d'utiliser une technique de délaminage avec un espacement des couches inférieur à 1 Mil et de remplacer le matériau diélectrique fr4 par un matériau à forte permittivité diélectrique. Maintenant, les céramiques et les plastiques céramiques peuvent répondre aux exigences de conception des circuits à temps de montée de 100 à 300 ps.

Bien que de nouveaux matériaux et de nouvelles méthodes puissent être utilisés à l'avenir, pour les circuits à temps de montée de 1 à 3 NS, les espacements de couche de 3 à 6 mil et les matériaux diélectriques fr4 couramment utilisés aujourd'hui, il suffit généralement de traiter les harmoniques haut de gamme et de rendre le signal transitoire suffisamment faible, c'est - à - dire que le mode commun EMI peut être réduit à un niveau très faible. L'exemple de conception d'empilement de couches de PCB donné dans cet article suppose un espacement des couches de 3 à 6 mils.

Blindage électromagnétique

Du point de vue des traces de signal, une bonne stratégie de superposition devrait être de placer toutes les traces de signal sur une ou plusieurs couches et ces couches sont à côté de la couche d'alimentation ou de la couche de mise à la terre. Pour l'alimentation, une bonne stratégie de stratification devrait être que la couche d'alimentation soit adjacente à la couche de terre et que la distance entre la couche d'alimentation et la couche de terre soit aussi petite que possible. C’est ce que nous appelons une stratégie de « stratification ».

Empilement de PCB

Quelles stratégies d'empilement aident à masquer et à supprimer l'EMI? Le schéma d'empilement hiérarchique suivant suppose que le courant d'alimentation circule sur une seule couche et qu'une seule tension ou plusieurs tensions sont réparties sur différentes parties d'une même couche. Le cas de plusieurs couches de puissance sera discuté plus tard.

4 couches de panneaux

4 Il y a plusieurs problèmes potentiels avec la conception du panneau de couche. Tout d'abord, un panneau traditionnel à quatre couches de 62 mils d'épaisseur, la distance entre la couche d'alimentation et la couche de terre est encore trop grande, même si la couche de signal est à l'extérieur et la couche d'alimentation et la couche de terre à l'intérieur.

Si les exigences de coût viennent en premier, vous pouvez envisager les deux alternatives traditionnelles à 4 couches suivantes. Ces deux solutions permettent d'améliorer les performances de réjection EMI, mais uniquement pour les applications où la densité des composants sur la carte est suffisamment faible et où il existe une surface suffisante autour des composants (couche de cuivre d'alimentation nécessaire à la mise en place).

La première est la solution préférée. La couche externe du PCB est la couche de terre et les deux couches intermédiaires sont la couche signal / alimentation. L'alimentation sur la couche de signal utilise un câblage de ligne large, ce qui peut rendre l'impédance du trajet du courant d'alimentation plus faible et l'impédance du trajet microruban du signal plus faible. Du point de vue du contrôle EMI, c'est la meilleure structure de PCB à 4 couches actuellement disponible. Dans la seconde solution, la couche externe utilise l'alimentation et la terre, et les deux couches intermédiaires utilisent le signal. L'amélioration est moindre par rapport à un panneau traditionnel à 4 couches et l'impédance inter - couches est aussi mauvaise qu'un panneau traditionnel à 4 couches.

Si vous souhaitez contrôler l'impédance des traces, le schéma d'empilement ci - dessus doit être très prudent en plaçant les traces sous une source d'alimentation et un îlot de cuivre mis à la terre. En outre, les îlots de cuivre sur la source d'alimentation ou la couche de mise à la terre doivent être interconnectés autant que possible pour assurer les connexions DC et basse fréquence.

6 couches de panneaux

Si la densité des composants sur un panneau de 4 couches est relativement élevée, un panneau de 6 couches est le meilleur. Cependant, certains schémas d'empilement dans une conception à 6 couches ne suffisent pas à masquer les champs électromagnétiques et ont peu d'effet sur la réduction du signal transitoire du bus d'alimentation.

La conception générale de 6 couches haute performance utilise généralement les première et sixième couches comme couches de mise à la terre et les troisième et quatrième couches pour l'alimentation et la mise à la terre. La capacité d'inhibition EMI est bonne en raison de la présence de deux couches de lignes de signal à double bande à mi - chemin entre la couche de puissance et la couche de terre. L'inconvénient de cette conception est qu'il n'y a que deux couches de routage. Comme mentionné précédemment, si les traces extérieures sont courtes et que le cuivre est posé dans une zone sans traces, le même empilement peut également être réalisé avec un panneau traditionnel à 6 couches.

Une autre disposition de panneau de 6 couches est le signal, la terre, le signal, l'alimentation, la terre et le signal, ce qui permet d'atteindre l'environnement requis pour la conception avancée de l'intégrité du signal. La couche de signal est adjacente à la couche de terre et la couche de puissance et la couche de terre sont appariées. L'inconvénient est évidemment que l'empilement des couches n'est pas équilibré.

Cela crée souvent des problèmes pour l'industrie manufacturière. La solution à ce problème est de remplir toutes les zones vides de la troisième couche de cuivre. Après remplissage de cuivre, si la densité de cuivre de la troisième couche est proche de celle de la couche d'alimentation ou de la couche de terre, la carte ne peut pas être considérée strictement comme une carte de circuit électrique structurellement équilibrée. La zone de remplissage en cuivre doit être connectée à une source d'alimentation ou à la terre. La distance entre les Vias de connexion est toujours de 1 / 20ème de longueur d'onde et peut ne pas avoir besoin d'être connecté partout, mais devrait idéalement être connecté.

Résumé

L'épaisseur de la carte, le processus de perçage et le nombre de couches dans la conception de la carte ne sont pas la clé pour résoudre le problème. L'excellent empilement en couches est conçu pour assurer le Bypass et le découplage du bus d'alimentation et minimiser les tensions transitoires sur la couche d'alimentation ou la couche de terre. Et la clé du blindage des champs électromagnétiques du signal et de l'alimentation. Idéalement, il devrait y avoir une couche d'isolation entre la couche de routage du signal et la couche de terre de retour, et l'espacement des couches par paires (ou plus d'une paire) devrait être aussi petit que possible. Sur la base de ces concepts et principes de base, il est possible de concevoir des cartes qui répondent toujours aux exigences de conception. Maintenant que le temps de montée de l'IC est court et sera plus court, les techniques discutées dans cet article sont essentielles pour résoudre le problème du blindage EMI.