Blogue PCB - Role of PCB Layer Stack in Control EMI radiation

Cet Un.rticle est basé sur PCB board Le rôle et la technologie de conception de la pile de couches de PCB dans le contrôle des émissions EMI sont discutés..

Bus électrique

La tension de sortie de l'IC peut changer rapidement en plaçant raisonnablement un condensateur de capacité appropriée près de la goupille d'alimentation de l'IC. Toutefois, la question n'est pas terminée. En raison de la réponse en fréquence limitée des condensateurs, cela les empêche de produire la puissance harmonique requise, ce qui entraîne une sortie IC propre sur toute la bande. De plus, les tensions transitoires générées sur le bus d'alimentation produiront une chute de tension sur l'inductance de la trajectoire de découplage, qui est la principale source d'interférence EMI en mode commun. Comment résoudre ces problèmes? Avec un IC sur notre carte de circuit, le plan d'alimentation autour de l'IC peut être considéré comme un bon condensateur à haute fréquence qui peut recueillir l'énergie des fuites de condensateurs discrets et fournir de l'énergie à haute fréquence pour une sortie propre. De plus, l'inductance d'une bonne couche d'alimentation doit être faible, de sorte que le Signal transitoire synthétisé par l'inductance est également faible, ce qui réduit l'EMI en mode commun. Bien entendu, la connexion de la couche d'alimentation à la goupille d'alimentation IC doit être aussi courte que possible, car le bord ascendant du Signal numérique est de plus en plus rapide et il est directement relié au PAD où se trouve la goupille d'alimentation IC, ce qui sera discuté séparément.

Pour contrôler l'EMI en mode commun, le plan d'alimentation doit être une paire de plans d'alimentation bien conçus pour faciliter le découplage et avoir une inductance suffisamment faible. On pourrait se demander, à quel point c'est bon? La réponse à cette question dépend de la stratification de l'alimentation électrique, du matériau intercalaire et de la fréquence de fonctionnement (c. - à - D. en fonction du temps de montée de l'IC). En général, la couche de puissance est espacée de 6 mils, la couche intermédiaire est en fr4 et la capacité équivalente de la couche de puissance est d'environ 75 PF par pouce carré. De toute évidence, plus l'espacement des couches est petit, plus la capacité est grande. Il n'y a pas beaucoup de dispositifs dont le temps de montée est de 100 à 300 PS, mais à la vitesse actuelle de développement des circuits intégrés, les dispositifs dont le temps de montée est de 100 à 300 PS représenteront une grande proportion. Pour les circuits dont le temps de montée est de 100 à 300 PS, l'espacement des couches de 3 Mil ne sera plus disponible pour la plupart des applications. À ce moment - là, il était nécessaire d'utiliser des techniques de délamination avec des espacements de couches inférieurs à 1 Mil et de remplacer les matériaux diélectriques fr4 par des constantes diélectriques très élevées. Aujourd'hui, la céramique et la céramique peuvent répondre aux exigences de conception des circuits de temps de montée de 100 à 300 ps. Bien que de nouveaux matériaux et méthodes puissent être utilisés à l'avenir, ils sont généralement suffisants pour traiter les harmoniques haut de gamme et maintenir les transitoires à un niveau suffisamment bas pour les circuits à temps de montée de 1 à 3 NS, les espacements de 3 à 6 mils et les matériaux diélectriques fr4 courants aujourd'hui, c'est - à - dire que l'EMI en mode commun peut être très faible. L'exemple de conception de l'empilement stratifié des BPC donné dans cet article suppose un espacement de 3 à 6 mils entre les couches.

Blindage électromagnétique

Du point de vue de l'acheminement des signaux, une bonne stratégie de stratification consiste à placer tous les signaux sur une ou plusieurs couches près de la source d'énergie ou du sol. Pour l'alimentation électrique, une bonne stratégie de stratification devrait être que la couche d'alimentation électrique est adjacente à la couche de sol et que la distance entre la couche d'alimentation électrique et la couche de sol est aussi petite que possible. C'est ce que nous appelons la stratégie de stratification.

Pile de PCB

Quelles politiques d'empilage aident à masquer et à supprimer l'IME? Le schéma d'empilage hiérarchique suivant suppose que le courant d'alimentation circule sur une seule couche et qu'une ou plusieurs tensions sont réparties sur différentes parties de la même couche. Le cas de plusieurs plans d'alimentation est discuté plus loin.

4 stratifiés

Il existe plusieurs problèmes potentiels dans la conception des stratifiés. Tout d'abord, pour une plaque traditionnelle à quatre couches d'une épaisseur de 62 millimètres, la distance entre la couche d'alimentation et la couche de mise à la terre est encore trop grande, même si la couche de signal est à l'extérieur et la couche d'alimentation et la couche de mise à la terre à l'intérieur. Si le coût l'exige, envisager deux solutions de rechange aux panneaux traditionnels à 4 couches. Les deux solutions améliorent les performances de suppression EMI, mais seulement si la densité des composants sur la carte de circuit est suffisamment faible et qu'il y a suffisamment de surface autour des composants (où la couche de cuivre d'alimentation requise est placée). La couche externe du PCB est la couche de mise à la terre et les deux couches intermédiaires sont la couche signal / alimentation. La source d'énergie sur la couche de signal est câblée avec une large trace, ce qui rend l'impédance de trajectoire du courant d'alimentation plus faible et l'impédance de trajectoire Microstrip du signal plus faible. Du point de vue du contrôle EMI, il s'agit d'une structure existante de PCB à quatre niveaux. Dans le deuxième scénario, la couche externe reçoit l'alimentation électrique et la mise à la terre, et les deux couches intermédiaires reçoivent le signal. Par rapport à la plaque traditionnelle à 4 couches, l'amplitude de l'amélioration est plus faible et l'impédance entre les couches est aussi faible que celle de la plaque traditionnelle à 4 couches. Pour contrôler l'impédance de la trace, le schéma d'empilage décrit ci - dessus exige que la trace soit acheminée très soigneusement sous l'alimentation électrique et l'île de cuivre mise à la terre. En outre, les îlots de cuivre sur les sources d'énergie ou les couches de mise à la terre doivent être interconnectés aussi étroitement que possible afin d'assurer une connexion en courant continu et à basse fréquence.

6 stratifiés

Si la densité des éléments est relativement élevée sur une plaque à 4 couches, utiliser une plaque à 6 couches. Cependant, certains schémas d'empilage dans la conception à six couches ne sont pas suffisants pour protéger le champ électromagnétique et ont peu d'effet sur la réduction du signal transitoire du bus d'alimentation. Deux exemples sont discutés ci - dessous. Dans le premier exemple, l'alimentation électrique et la mise à la terre se trouvent respectivement aux niveaux 2 et 5. En raison de la Haute impédance du revêtement en cuivre de puissance, il est difficile de contrôler le rayonnement EMI en mode commun. Cependant, du point de vue du contrôle de l'impédance du signal, cette approche est très correcte. Le deuxième exemple place l'alimentation électrique et la mise à la Terre aux couches 3 et 4, respectivement. La conception résout le problème de l'impédance du revêtement en cuivre de l'alimentation électrique. L'EMI en mode différentiel augmente en raison de la piètre performance de blindage électromagnétique des couches 1 et 6. Si le nombre de lignes de signal sur les deux couches extérieures est faible et que la longueur de la trace est courte (moins de 1 / 20 de la longueur d'onde harmonique du signal), la conception peut résoudre le problème EMI en mode différentiel. L'effet inhibiteur de l'EMI en mode différentiel est particulièrement bon en remplissant les zones non assemblées et non marquées de la couche externe de cuivre et en mettant à la terre les zones revêtues de cuivre (à un intervalle par 1 / 20 de longueur d'onde). Comme indiqué précédemment, les zones en cuivre doivent être reliées à la terre intérieure en plusieurs points. En général, la conception de panneaux à 6 étages à haute performance comprend généralement la première et la sixième couche comme couche de sol, la troisième et la quatrième couche comme couche d'alimentation électrique et couche de sol. L'effet de suppression EMI est très bon en raison de la double couche de signal Microstrip centrale entre la source d'énergie et le sol. L'inconvénient de cette conception est qu'il n'y a que deux couches de traces. Comme nous l'avons mentionné précédemment, si la trace extérieure est plus courte et que le cuivre est placé dans une zone sans trace, la même pile peut être réalisée pour les panneaux traditionnels à 6 couches. L'autre disposition de la carte de circuit à six niveaux est le signal, la mise à la terre, le signal, l'alimentation électrique, la mise à la terre et le signal, qui fournit l'environnement nécessaire à la conception de l'intégrité du signal. La couche de signal est adjacente au niveau du sol et l'alimentation électrique est jumelée au niveau du sol. De toute évidence, l'inconvénient est que les couches sont empilées de façon déséquilibrée. Cela crée souvent des problèmes dans l'industrie manufacturière. La solution consiste à remplir toutes les zones vides de la troisième couche de cuivre. Si la densité de cuivre de la troisième couche est proche de la couche d'alimentation ou de la couche de sol après le remplissage de cuivre, la carte peut être considérée comme une carte de circuit structurellement équilibrée. Les zones remplies de cuivre doivent être raccordées à l'alimentation électrique ou au sol. La distance entre les trous de raccordement reste de 1 / 20 de longueur d'onde et n'est pas nécessairement omniprésente, mais devrait idéalement être connectée.

10 stratifiés

Étant donné que l'isolation entre les plaques multicouches est très mince, l'impédance entre les plaques de 10 ou 12 couches est très faible et une bonne intégrité du signal peut être attendue tant qu'il n'y a pas de problèmes de délamination et d'empilage. Il est plus difficile de fabriquer des tôles de 12 couches d'une épaisseur de 62 mils et il n'y a pas beaucoup de fabricants capables de traiter des tôles de 12 couches. Étant donné qu'il y a toujours une couche d'isolation entre la couche signal et la couche boucle, la solution consistant à attribuer six couches intermédiaires pour acheminer le câblage du signal dans une conception à 10 couches n'est pas la même. En outre, la couche de signal doit être adjacente à la couche de boucle, c'est - à - dire que la disposition de la carte de circuit est le signal, la mise à la terre, le signal, le signal, l'alimentation électrique, la mise à la terre, le signal, le signal, la mise à la terre, le signal. La conception fournit un bon canal pour le courant de signal et le courant de boucle. La bonne stratégie d'acheminement consiste à acheminer la première couche dans la direction X, la troisième dans la direction y, la quatrième dans la direction X, et ainsi de suite. Les couches 1 et 3 sont une paire de couches combinées, les couches 4 et 7 une paire de couches combinées, et les couches 8 et 10 une paire de couches combinées. Lorsqu'il est nécessaire de changer la direction de la trace, la ligne de signal de la première couche doit passer par le trou jusqu'à la troisième couche, puis changer la direction. Dans la pratique, cela n'est peut - être pas toujours possible, mais en tant que conception, le concept tente de le maintenir. De même, lorsque la direction du câblage du signal change, il doit passer par les trous des couches 8 et 10 ou des couches 4 à 7. Ce routage assure un couplage étroit entre la trajectoire vers l'avant et la trajectoire de retour du signal. Par exemple, si le signal est acheminé vers la couche 1 et que la boucle est acheminée vers la couche 2 et seulement vers la couche 2, la boucle reste dans la couche 2, même si le signal de la couche 1 est acheminé vers la couche 3 par un "trou de travers", ce qui maintient une faible inductance, une capacité élevée et une bonne performance de blindage électromagnétique. Et si le câblage réel n'était pas comme ça? Par exemple, la ligne de signal du premier étage passe par le trou de travers jusqu'au dixième étage. À ce stade, le signal de boucle doit trouver le sol à partir de la neuvième couche et le courant de boucle doit trouver le sol le plus proche (par exemple, la goupille de mise à la terre d'un élément tel qu'une résistance ou un condensateur) à travers le trou. Vous avez de la chance d'avoir un tel accès. Sans un tel trou de travers serré, l'inductance augmentera, la capacité diminuera et l'EMI augmentera certainement. Lorsque le fil de signalisation doit passer d'une paire de couches de câblage actuelles à d'autres couches de câblage, le trou de mise à la terre doit être placé près du trou de passage afin que le signal de boucle puisse revenir en douceur à la couche de mise à la terre correspondante. Pour les combinaisons des couches 4 et 7, la boucle de signal revient de la couche d'alimentation ou de la couche de sol (c. - à - D. la couche 5 ou la couche 6) parce que le couplage capacitif entre la couche d'alimentation et la couche de sol est bon et que le signal est facile à transmettre.

Conception Multi - niveaux

Si deux plans d'alimentation d'une même source de tension nécessitent un courant élevé, la carte de circuit doit être disposée dans les deux ensembles de plans d'alimentation et de couches de sol. Dans ce cas, placer une couche isolante entre chaque paire d'alimentation électrique et le sol. De cette façon, nous obtenons deux paires de Barres d'alimentation avec une impédance égale et nous nous attendons à ce que le courant soit réparti également. Si l'empilement du plan de puissance produit une impédance inégale, le shunt sera inégal, la tension transitoire sera plus élevée et l'EMI augmentera considérablement. Si vous avez plusieurs tensions d'alimentation avec des valeurs différentes sur la carte de circuit, vous avez besoin de plusieurs plans d'alimentation, n'oubliez pas de créer vos propres paires d'alimentation et de sol pour différentes sources d'alimentation. Dans les deux cas ci - dessus, n'oubliez pas les exigences du fabricant en matière de structure équilibrée lors de la détermination de l'emplacement sur la carte de circuit pour correspondre à l'alimentation électrique et au sol.

Résumé

Considérant que la plupart des ingénieurs ont conçu la carte de circuit comme une carte de circuit imprimé traditionnelle d'une épaisseur de 62 mils et qu'il n'y a pas de trous aveugles ou de trous percés, La discussion sur la stratification et l'empilage des circuits imprimés se limite à cela.. Pour les tôles dont l'épaisseur varie trop, Le schéma de stratification recommandé dans cet article peut ne pas être idéal. En outre, Les circuits imprimés avec trous aveugles ou enfouis sont traités différemment, L'approche hiérarchique présentée dans le présent document ne s'applique pas. Épaisseur, Processus via, Et le nombre de couches de circuits imprimés dans la conception des circuits imprimés, Ce n'est pas la clé.. Une excellente pile de couches assure Pouvoir busbar so that Celui - ci. transient voltage on the power plane or the Terre plane is not affected. La clé du blindage du signal et du champ électromagnétique de puissance. Idéal, there should be an insulating isolation layer between the signal trace layer and its return Terre layer, and the paired layer spacing (or more than one pair) should be as small as possible. Sur la base de ces concepts et principes fondamentaux,the PCB board Capable de toujours répondre aux exigences de conception. Le temps de montée de l'IC est plus court maintenant et sera plus court à l'avenir, Les techniques discutées dans cet article sont essentielles pour résoudre le problème du blindage EMI.