L'actualité PCB - Conception de câblage basée sur une technologie compatible électromagnétique

La compatibilité électromagnétique (Electro - Magnetic Compatibility ou EMC) est une discipline émergente et complète qui étudie principalement les problèmes d'interférence électromagnétique et d'anti - interférence. La compatibilité électromagnétique est un dispositif ou un système électronique qui, à un niveau environnemental électromagnétique spécifié, ne dégrade pas les indicateurs de performance en raison de perturbations électromagnétiques et qui produit un rayonnement électromagnétique qui ne dépasse pas un niveau limite défini sans affecter le fonctionnement normal des autres systèmes. Et d'atteindre l'objectif de l'équipement et de l'équipement, le système et le système de ne pas interférer et de travailler ensemble de manière fiable. L'interférence électromagnétique (EMI) est causée par la transmission d'énergie par une source d'interférence électromagnétique à un système sensible via un chemin de couplage. Il se compose de trois formes de base: la conduction des fils et des lignes de masse communes, et la conduction par rayonnement spatial ou couplage en champ proche. La pratique a prouvé que même si le schéma de circuit est correctement conçu et la carte de circuit imprimé mal conçue peut nuire à la fiabilité de l'électronique. Assurer la compatibilité électromagnétique des cartes de circuits imprimés est donc essentiel à la conception de l'ensemble du système. Cet article traite principalement des technologies compatibles électromagnétiques et de leur application à la conception de circuits imprimés multicouches (PCB). Cet article est cité de Shenzhen hongjie Electronics Co., Ltd!

Une carte PCB est un support pour les composants de circuit et les dispositifs dans les produits électroniques. Il fournit une connexion électrique entre les composants du circuit et l'équipement et est le composant le plus fondamental de tous les types d'appareils électroniques. Aujourd'hui, les circuits intégrés à grande et très grande échelle sont largement utilisés dans les dispositifs électroniques, et les composants sont de plus en plus denses à installer sur des cartes de circuits imprimés, avec des vitesses de transmission de signaux de plus en plus rapides. Les problèmes EMC deviennent de plus en plus importants. Les PCB sont disponibles en panneau unique (panneau simple couche), panneau double face (panneau double couche) et panneau multicouche. Les cartes simples et doubles sont généralement utilisées pour les circuits de câblage à faible densité et les circuits intégrés à faible densité, et les cartes multicouches utilisent le câblage à haute densité et les circuits intégrés à haute densité. Du point de vue de la compatibilité électromagnétique, les panneaux simple et double face ne conviennent pas aux circuits à grande vitesse. Le câblage simple et double face ne répond plus aux exigences des circuits haute performance. Le développement de circuits de câblage multicouches offre la possibilité de résoudre les problèmes mentionnés ci - dessus. Les applications sont de plus en plus répandues.

1 caractéristiques du câblage multicouche

Les PCB sont constitués de matériaux diélectriques organiques et inorganiques de structure multicouche. Les connexions entre les couches sont réalisées par des vias. Les Vias sont plaqués ou remplis d'un matériau métallique pour permettre la conduction de signaux électriques entre les couches. Les raisons pour lesquelles le câblage multicouche est largement utilisé ont les caractéristiques suivantes:

(1) une couche d'alimentation dédiée et une couche de mise à la terre sont fournies à l'intérieur du panneau multicouche. La couche de puissance peut être utilisée comme boucle de bruit pour réduire les perturbations; Dans le même temps, la couche de puissance fournit également une boucle à tous les signaux du système pour éliminer les interférences de couplage co - Impédance. Réduit l'impédance de la ligne d'alimentation, ce qui réduit les interférences d'impédance commune.

(2) Le panneau multicouche adopte une couche de mise à la terre spéciale, toutes les lignes de signal ont des lignes de mise à la terre spéciales. Caractéristiques de la ligne de signal: impédance stable, facile à adapter, réduit la distorsion de forme d'onde causée par la réflexion; Dans le même temps, l'utilisation d'une couche de terre spéciale augmente la capacité de distribution entre la ligne de signal et la ligne de terre, réduisant ainsi la diaphonie.

2 conception laminée de circuits imprimés

2.1 règles de câblage PCB

L'analyse de compatibilité électromagnétique d'un circuit multicouche peut être basée sur la loi de Kirchhoff et la loi de Faraday de l'induction électromagnétique. Selon la loi de Kirchhoff, tout signal temporel de l'alimentation à la charge doit avoir le chemin d'impédance le plus faible.

Les PCB multicouches sont généralement utilisés dans les systèmes haute vitesse et haute performance, où plusieurs couches sont utilisées pour l'alimentation en courant continu (DC) ou le plan de référence de mise à la terre. Ces plans sont généralement des plans pleins sans aucune segmentation, puisqu'il y a suffisamment de couches pour l'alimentation ou la mise à la terre, il n'est pas nécessaire d'appliquer des tensions continues différentes sur une même couche. Cette couche sera utilisée comme chemin de retour de courant pour les signaux sur les lignes de transmission adjacentes. Construire des voies de retour de courant à faible impédance est l'objectif CEM le plus important pour ces couches planes.

Les couches de signal sont réparties entre les couches du plan physique de référence, qui peuvent être des lignes de ruban symétriques et des lignes de ruban asymétriques. Illustrez la structure et la disposition d'un panneau multicouche en prenant l'exemple d'un panneau à 12 couches. La structure hiérarchique est t - P - S - P - S - P - S - P - S - S - P - B, "t" étant la couche supérieure, "p" étant la couche de plan de référence et "s" étant la couche de signal. « B » est le niveau le plus bas. Du haut vers le Bas se trouvent les premier, deuxième et douzième étages. Les couches supérieure et inférieure servent de Plots pour les composants. Le signal ne doit pas être transmis trop longtemps entre la couche supérieure et la couche inférieure pour réduire le rayonnement direct des traces. Les lignes de signal incompatibles doivent être isolées les unes des autres. Le but est d'éviter les interférences de couplage entre eux. Les hautes et basses fréquences, les courants forts et faibles, les lignes de signaux numériques et analogiques ne sont pas compatibles. Dans la disposition des composants, les composants incompatibles doivent être placés à différents endroits sur la plaque d'impression. La disposition des lignes de signal reste nécessaire. Attention à les isoler. Les 3 questions suivantes doivent être prises en compte lors de la conception:

(1) déterminer quelle couche de plan de référence contiendra plusieurs zones d'alimentation pour différentes tensions DC. En supposant que la couche 11 ait plusieurs tensions continues, cela signifie que les concepteurs doivent éloigner le plus possible le signal à grande vitesse de la couche 10 et de la couche inférieure, car le courant de retour ne peut pas traverser le plan de référence au - dessus de la couche 10 et nécessite un condensateur épissé. Les couches 5, 7 et 9 sont des couches de signaux pour des signaux à grande vitesse. Les traces des signaux importants doivent être disposées le plus possible dans une direction afin d'optimiser le nombre de passages de traces possibles sur la couche. Les traces de signal réparties sur les différentes couches doivent être perpendiculaires entre elles, ce qui peut réduire les interférences de couplage des champs électriques et magnétiques entre les lignes. Les niveaux 3 et 7 peuvent être réglés pour une orientation « est - Ouest » et les niveaux 5 et 9 pour une orientation « nord - Sud ». La couche du tissu de routage dépend de la direction dans laquelle il atteint sa destination.

(2) Les changements de couche pendant le routage du signal à grande vitesse et quelles sont les différentes couches utilisées pour le routage indépendant afin de s'assurer que le courant de retour circule du plan de référence au nouveau plan de référence au besoin. Il s'agit de réduire la surface de la boucle de signal et de réduire le rayonnement de courant de mode différentiel et le rayonnement de courant de mode commun de la boucle. Le rayonnement de la boucle est proportionnel à l'intensité du courant et à la surface de la boucle. En effet, la conception optimale ne nécessite pas de retour de courant pour changer le plan de référence, mais simplement pour passer d'un côté à l'autre du plan de référence. Par example, une combinaison de couches de signal peut être utilisée comme paire de couches de signal: couche 3 et couche 5, couche 5 et couche 7, couche 7 et couche 9, ce qui permet une combinaison de câblage est - Ouest et Nord - Sud. Mais la combinaison des couches 3 et 9 ne doit pas être utilisée, car cela nécessite un courant de retour de la couche 4 à la couche 8. Bien qu'un condensateur de découplage puisse être placé à proximité du sur - trou, il est inutile à haute fréquence du fait de la présence des conducteurs et de l'inductance du sur - trou. Et ce câblage augmente la surface de la boucle de signal au détriment de la réduction du rayonnement de courant.

(3) sélectionnez la tension continue de la couche de plan de référence. Dans cet exemple, il y a beaucoup de bruit sur la broche de référence alimentation / terre en raison de la vitesse élevée de traitement du signal à l'intérieur du processeur. Il est donc très important d'utiliser des condensateurs découplés pour fournir la même tension continue au processeur et d'utiliser les condensateurs découplés le plus efficacement possible. La meilleure façon de réduire l'inductance de ces éléments est de connecter les traces aussi courtes et larges que possible et de rendre les trous de travers aussi courts et épais que possible.

Si la deuxième couche est affectée à la "masse" et que la quatrième couche est affectée à l'alimentation du processeur, le trou de travers doit être aussi court que possible de la couche supérieure où le processeur et le condensateur de découplage sont placés. Le reste de l'espace qui s'étend jusqu'à la couche inférieure de la carte ne contient aucun courant important et la courte distance n'a pas d'effet d'antenne. Le tableau 1 répertorie les configurations de référence pour la disposition de conception empilée.

2.2 Règles 20 - H et 3 - W

Dans la conception de compatibilité électromagnétique d'une carte PCB multicouche, il existe deux principes de base pour déterminer la distance entre la couche de puissance de la carte multicouche et les bords et pour résoudre la distance entre les bandes imprimées: la règle 20 - H et la règle 3 - W.

Principe 20 - H: les courants RF sont généralement présents sur les bords du plan de puissance en raison du lien entre les flux magnétiques. Ce couplage inter - couches est appelé effet de bord. Lorsque la logique numérique à grande vitesse et les signaux d'horloge sont utilisés, les plans de puissance interagiront. Couplage d'un courant radiofréquence, tel que représenté sur la figure 1. Pour réduire cet effet, les dimensions physiques du plan d'alimentation doivent être inférieures d'au moins 20 h à celles du plan de masse le plus proche (H étant la distance entre le plan d'alimentation et le plan de masse). L'effet Edge de l'alimentation se produit généralement autour de 10h, 20h. Quand environ 10% du flux magnétique est bloqué, vous avez besoin d'une valeur limite de 100% si vous voulez atteindre 98% du flux magnétique, comme le montre la figure 1. La règle 20 - H détermine la distance physique entre le plan d'alimentation et le plan de sol le plus proche. Cette distance comprend l'épaisseur de cuivre, le pré - remplissage et la couche isolante de séparation. L'utilisation de 20 - H peut augmenter la fréquence de résonance du PCB lui - même. Règle 3 - W: lorsque la distance entre deux lignes imprimées est faible, une diaphonie électromagnétique se produit entre les deux lignes, ce qui entraînera une défaillance du circuit concerné. Pour éviter de telles interférences, on maintient tout espacement des lignes au moins 3 fois la largeur de la ligne d'impression, c'est - à - dire au moins 3 W (W étant la largeur de la ligne d'impression). La largeur de la ligne imprimée dépend des exigences de l'impédance de la ligne. Trop large peut affecter la densité de câblage et trop étroit peut affecter l'intégrité et la force du signal transmis aux bornes. Le câblage des circuits d'horloge, des paires différentielles et des ports d'E / s sont tous des objets d'application de base du principe 3 - W. Le principe 3 - W ne représente que la limite de la ligne de flux électromagnétique où l'énergie diaphonique est atténuée de 70%. Si les exigences sont plus élevées, par exemple une limite de flux électromagnétique avec une atténuation d'énergie diaphonique de 98%, un intervalle de 10 W doit être appliqué.

2.3 disposition des lignes de mise à la terre

Tout d'abord, nous devons établir le concept de paramètres distribués. Lorsque la fréquence est supérieure à une certaine fréquence, tout fil métallique doit être considéré comme un dispositif constitué d'une résistance et d'une inductance. Le fil de terre présente donc une certaine impédance et constitue une boucle électrique. Qu'il s'agisse d'une mise à la terre unique ou multipoints, une boucle à basse impédance doit être formée pour accéder à une véritable mise à la terre ou à un rack. Une ligne imprimée typique d'une longueur de 25 mm affichera une inductance d'environ 15 - 20 NH. Couplé à la présence d'une capacité répartie, un circuit résonnant sera formé entre le plancher de masse et le rack de l'appareil. Deuxièmement, il y a un effet de ligne de transmission et un effet d'antenne lorsque le courant de Terre traverse la ligne de terre. Lorsque la longueur de la ligne est de 1 / 4 de longueur d'onde, elle présente une impédance élevée, la ligne de terre est en fait un circuit ouvert et la ligne de terre devient une antenne rayonnante vers l'extérieur. Enfin, le plancher de masse est rempli de tourbillons formés par des courants à haute fréquence et des perturbations. Ainsi, de nombreuses boucles sont formées entre les sites de mise à la terre. Le diamètre de ces boucles (ou la distance entre les points de masse) doit être inférieur à 1 / 20 de la longueur d'onde de la fréquence la plus élevée. Choisir le bon équipement est un facteur important de réussite de la conception. En particulier, lors du choix des dispositifs logiques, essayez de choisir ceux qui ont un temps de montée supérieur à 5 NS. Ne choisissez jamais de dispositifs logiques dont la séquence est plus rapide que celle requise par le circuit.

2.4 disposition des cordons d'alimentation

Pour les plaques multicouches, la structure de couche de mise à la terre de la couche d'alimentation est utilisée pour l'alimentation électrique. L'impédance caractéristique d'une telle structure est beaucoup plus faible que celle d'une paire de pistes qui peut être inférieure à 1 îlot. Une telle structure a une certaine capacité et ne nécessite pas l'ajout d'un condensateur de découplage haute fréquence à côté de chaque puce intégrée. Même si la capacité des condensateurs de couche n'est pas suffisante, lorsqu'un condensateur de découplage externe est nécessaire, il ne doit pas être ajouté à côté de la puce intégrée, mais peut être ajouté n'importe où sur la plaque d'impression. Les broches d'alimentation et de mise à la terre de la puce intégrée peuvent être connectées directement aux couches d'alimentation et de mise à la terre via des Vias métallisés, de sorte que la boucle d'alimentation est toujours minimale. Grâce au principe selon lequel « le courant parcourt toujours le chemin de moindre impédance », le retour haute fréquence au sol circule toujours à proximité de la piste, à moins qu'un obstacle ne bloque le sol, de sorte que la boucle de signal est toujours minimale. On voit que la structure stratigraphique de la couche de puissance présente l'avantage d'une disposition simple et flexible et d'une bonne compatibilité électromagnétique par rapport à l'alimentation électrique de la balistique.