Blogue PCB - Le rôle de l'empilement des PCB dans le contrôle du rayonnement EMI

Cet article est basé sur PCB board La fonction et la technique de conception de la disposition hiérarchique sont également discutées. PCB board Superposition dans le contrôle du rayonnement EMI. Il existe de nombreuses façons de résoudre les problèmes d'interférence électromagnétique. Les méthodes modernes de suppression des interférences électromagnétiques comprennent l'utilisation de revêtements de suppression des interférences électromagnétiques., Choisir les pièces de rechange appropriées pour la suppression de l'EMI et la conception de simulation de l'EMI.

Bus électrique

Un condensateur d'une capacité appropriée placé près de la goupille de puissance du circuit intégré peut changer rapidement la tension de sortie du circuit intégré. Toutefois, la question n'est pas terminée. En raison de la réponse en fréquence limitée du condensateur, il n'est pas possible de produire la puissance harmonique nécessaire pour nettoyer la sortie du circuit intégré d'entraînement sur toute la bande de fréquences. 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? Dans le cas des circuits intégrés sur nos circuits imprimés, le plan de puissance autour des circuits intégrés peut être considéré comme un bon condensateur à haute fréquence qui peut recueillir l'énergie des fuites de condensateurs discrets qui fournissent de l'énergie à haute fréquence pour une sortie propre. En outre, l'inductance de la bonne couche d'alimentation doit être plus petite, de sorte que le signal transitoire synthétisé par l'inductance est également plus petit, ce qui réduit l'interférence électromagnétique 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'interférence électromagnétique en mode commun, le plan de puissance doit être une paire de plans de puissance raisonnablement 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 entre les couches et de la fréquence de fonctionnement (c. - à - D. en fonction du temps de montée du circuit intégré). 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 une technique de délamination avec un espacement des couches inférieur à 1 Mil et de remplacer le matériau diélectrique fr4 par un matériau à très haute permittivité. 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 de 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, c'est - à - dire que l'EMI en mode commun peut être réduit à un niveau anormalement bas. L'exemple de conception de la pile stratifiée de PCB donné dans cet article suppose un espacement de 3 à 6 millimètres 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.

Empilage des PCB

Quelles stratégies d'empilage aident à protéger et à supprimer les interférences électromagnétiques? 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 du plan Multi - puissance sera discuté plus loin.

4 panneaux stratifiés: il existe plusieurs problèmes potentiels dans la conception des 4 panneaux 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 de l'élément sur la carte de circuit est suffisamment faible et qu'il y a suffisamment d'espace autour de l'élément (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 / puissance. Le câblage d'alimentation sur la couche de signal a une trajectoire plus large, ce qui fait que l'impédance de trajectoire du courant d'alimentation est plus faible et que l'impédance de trajectoire du Microstrip de signal est également plus faible. Du point de vue du contrôle des interférences électromagnétiques, il s'agit d'une Structure existante à quatre couches de PCB. 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'amélioration du schéma 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 trajectoire, le schéma de superposition ci - dessus exige une attention particulière au câblage de la trajectoire sous l'île de cuivre d'alimentation et de 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 des connexions à courant continu et à basse fréquence.

6 plaques stratifiées: si la densité des composants sur 4 plaques stratifiées est relativement élevée, utiliser 6 plaques stratifiées. Cependant, certains schémas d'empilage dans la conception à six couches ne sont pas suffisants pour protéger les champs électromagnétiques et ont peu d'effet sur le signal transitoire du bus de puissance réduite. Deux exemples sont discutés ci - dessous. Par exemple, l'alimentation électrique et la mise à la terre sont situées aux deuxième et cinquième niveaux, respectivement. En raison de la Haute impédance du revêtement en cuivre, il est très difficile de contrôler le rayonnement EMI en mode commun. Toutefois, du point de vue du contrôle de l'impédance du signal, cette approche est tout à fait correcte. Le deuxième exemple place l'alimentation électrique et la mise à la Terre aux niveaux 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 faible 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 piste 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 - composants et non - traces de la couche externe de cuivre et en mettant à la terre les zones revêtues de cuivre (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 à six étages à haute performance comprend les premier et sixième étages au sol, les troisième et quatrième étant responsables de l'alimentation électrique et du sol. La suppression EMI est excellente parce qu'il y a deux couches centrales de signaux Microstrip doubles 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 courte et que le cuivre est placé dans une zone sans trace, la même pile peut être réalisée à l'aide de panneaux traditionnels à 6 couches. Une 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, le signal, qui peut réaliser 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 de circuit 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, pas nécessairement n'importe où, mais idéalement ils devraient être connectés.

Carte de circuit à 10 couches: comme la couche isolante entre les cartes de circuit à plusieurs couches est très mince, l'impédance entre les cartes de circuit à 10 ou 12 couches est très faible. Tant qu'il n'y a pas de problème de stratification et de superposition, une bonne intégrité du signal peut être obtenue. 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 isolante entre la couche signal et la couche boucle, il n'est pas possible d'assigner six couches intermédiaires pour acheminer les lignes de signal dans une conception à 10 couches. En outre, il est important que la couche de signal soit 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 couche dans la direction y, la quatrième couche dans la direction X, etc. intuitivement, les couches 1 et 3 sont une paire de combinaisons de couches, les couches 4 et 7 une paire de combinaisons de couches, et les couches 8 et 10 une paire de combinaisons de couches. Lorsque la direction de la trace doit être modifiée, la ligne de signal sur la première couche doit être "à travers le trou" jusqu'à la troisième couche, puis la direction doit être modifiée. Dans la pratique, cela n'est peut - être pas toujours possible, mais en tant que concept de conception, essayez de le suivre. De même, lorsque la direction d'acheminement d'un signal change, il doit passer par des trous de travers des couches 8 et 10 ou des couches 4 à 7. Cette route assure un couplage étroit entre la trajectoire vers l'avant et la trajectoire de retour du signal. Par exemple, si le signal est acheminé sur la couche 1, la boucle est acheminée sur la couche 2 et seulement sur la couche 2, même si le signal sur la couche 1 atteint la couche 3 par un "trou de travers", sa boucle est toujours sur la couche 2, de sorte que la faible inductance, La haute capacité et une bonne performance de blindage électromagnétique sont maintenues. 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 trou de terre le plus proche (par exemple, la goupille de terre d'un élément tel qu'une résistance ou un condensateur). S'il n'y avait pas de trou de travers aussi serré, l'inductance augmenterait, la capacité diminuerait et l'interférence électromagnétique augmenterait certainement. Lorsque le fil de signalisation doit passer par un trou pour quitter la couche de câblage de paire de courant vers une autre couche 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 appropriée. Pour les combinaisons de couches 4 et 7, la boucle de signal revient de la couche de puissance ou de la couche de sol (c. - à - D. la couche 5 ou la couche 6) parce que le couplage capacitif entre la couche de puissance 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 voulons répartir le courant également. Si l'empilement du plan de puissance produit une impédance inégale, le shunt sera inégal, la tension transitoire sera beaucoup plus élevée et l'interférence électromagnétique 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, gardez à l'esprit les exigences du fabricant en ce qui concerne la structure d'équilibrage lors de la détermination de l'emplacement de l'alimentation électrique et du sol correspondants sur la carte de circuit.

Résumé

Étant donné que la plupart des ingénieurs conçoivent les circuits imprimés comme des circuits imprimés traditionnels d'une épaisseur de 62 mils, exempts de trous aveugles ou de trous percés, this discussion of board layering and Empilage is limited to that. Pour les tôles présentant des différences d'épaisseur excessives, Le schéma de stratification recommandé dans cet article peut ne pas être idéal. En outre, Les circuits imprimés à trous aveugles ou à trous encastrés sont traités différemment, L'approche hiérarchique présentée dans le présent document ne s'applique pas. Celui - ci. thickness, Processus de perçage et nombre de couches de la carte de circuit dans la carte de circuit, La conception n'est pas la clé du problème. Une bonne pile stratifiée est nécessaire pour assurer le contournement et le découplage des barres d'alimentation., Ne pas affecter la tension transitoire sur la surface d'alimentation ou le sol. La clé du blindage du signal et du champ électromagnétique de puissance. Idéal, Il doit y avoir une isolation entre la couche de suivi du signal et sa couche de retour au sol., and Celui - ci. 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 Les exigences de conception peuvent toujours être respectées.