Dati PCB - Il ruolo dell'impilamento stratificato di schede PCB nel controllo delle radiazioni EMI

Questo articolo parte dal layout di base della scheda PCB e discute il ruolo e le tecniche di progettazione dell'impilamento di schede PCB stratificate nel controllo della radiazione EMI. Esistono molti modi per risolvere il problema dell'IME. Soppressione moderna dell'IME

Il posizionamento ragionevole dei condensatori con capacità appropriata vicino ai pin di potenza del IC può rendere il salto di tensione di uscita IC più veloce. Tuttavia, il problema non finisce qui. A causa della risposta in frequenza finita dei condensatori, questo impedisce loro di generare la potenza armonica necessaria per guidare in modo pulito l'uscita del IC su tutta la banda di frequenza. Inoltre, le tensioni transitorie sviluppate sulle barre di alimentazione creeranno una caduta di tensione attraverso l'induttanza del percorso di disaccoppiamento, e queste tensioni transitorie sono la fonte principale di interferenza EMI in modalità comune. Come risolvere questi problemi? Nel caso di un IC sulla nostra scheda, il piano di potenza intorno al IC può essere pensato come un buon condensatore ad alta frequenza che raccoglie l'energia fuoriuscita dai condensatori discreti che forniscono energia ad alta frequenza per un'uscita pulita. Inoltre, l'induttanza di un buon livello di alimentazione elettrica dovrebbe essere piccola, in modo che il segnale transitorio sintetizzato dall'induttanza sia anche piccolo, riducendo così l'EMI di modalità comune. Naturalmente, la connessione dallo strato di alimentazione al pin di alimentazione IC deve essere il più breve possibile, perché il bordo ascendente del segnale digitale sta diventando sempre più veloce ed è direttamente collegato al pad in cui si trova il pin di alimentazione IC, che sarà discusso separatamente. Per controllare l'EMI in modalità comune, il piano di potenza deve essere una coppia di piani di potenza ragionevolmente ben progettati per facilitare il disaccoppiamento e avere induttanza sufficientemente bassa. Ci si potrebbe chiedere, quanto è buono? La risposta alla domanda dipende dalla stratificazione dell'alimentatore, dai materiali tra gli strati e dalla frequenza di funzionamento (cioè, una funzione del tempo di salita del IC). Di solito, la spaziatura dello strato di potere è 6mil e l'intercalare è materiale FR4, la capacità equivalente per pollice quadrato dello strato di potere è di circa 75pF. Ovviamente, più piccola è la spaziatura dello strato, maggiore è la capacità. Non ci sono molti dispositivi con tempi di salita da 100 a 300ps, ma al tasso attuale di sviluppo di IC, ci sarà un'alta percentuale di dispositivi con tempi di salita nell'intervallo da 100 a 300ps. Per circuiti con tempi di salita da 100 a 300ps, la spaziatura dello strato da 3mil non sarà più adatta per la maggior parte delle applicazioni. A quel tempo, era necessario utilizzare tecniche di stratificazione con una distanza di strato inferiore a 1 mil e sostituire il materiale dielettrico FR4 con un materiale con una costante dielettrica molto elevata. Ora, la ceramica e la ceramica possono soddisfare i requisiti di progettazione dei circuiti di tempo di salita da 100 a 300ps. Anche se nuovi materiali e metodi possono essere adottati in futuro, per i circuiti di aumento comuni da 1 a 3ns di oggi, la spaziatura tra strati da 3 a 6mil e i materiali dielettrici FR4, di solito è sufficiente gestire armoniche di fascia alta e mantenere i transienti abbastanza bassi da essere. L'esempio di progettazione dello stack stratificato della scheda PCB fornito in questo articolo assumerà una spaziatura dello strato da 3 a 6 mil.2. Schermatura elettromagneticaDal punto di vista dell'instradamento del segnale, una buona strategia di stratificazione dovrebbe essere quella di posizionare tutte le tracce del segnale su uno o più strati accanto ai piani di potenza o di terra. Per il potere, una buona strategia di stratificazione dovrebbe essere che lo strato di potenza sia adiacente allo strato di terra e la distanza tra lo strato di potenza e lo strato di terra sia il più piccola possibile, che è quella che chiamiamo la strategia di "stratificazione".3. Scheda a 4 strati Ci sono diversi problemi potenziali con il design della scheda a 4 strati. Prima di tutto, per una tradizionale scheda a quattro strati con uno spessore di 62 mil, anche se lo strato di segnale è sullo strato esterno e gli strati di potenza e terra sono sullo strato interno, la distanza tra lo strato di potenza e lo strato di terra è ancora troppo grande. Se esistono requisiti di costo, considerare le seguenti due alternative alle tradizionali schede a 4 strati. Entrambe le soluzioni possono migliorare le prestazioni di soppressione EMI, ma solo quando la densità dei componenti sulla scheda è abbastanza bassa e c'è abbastanza spazio intorno ai componenti (per posizionare lo strato di rame richiesto dell'alimentazione elettrica). Gli strati esterni del PCB sono strati di terra e i due strati medi sono strati di segnale / potenza. L'alimentazione sullo strato del segnale è instradata con tracce ampie, il che rende bassa l'impedenza del percorso della corrente dell'alimentazione elettrica e anche l'impedenza del percorso del microscatto del segnale è bassa. Dal punto di vista del controllo EMI, questa è una struttura esistente di scheda PCB a 4 strati. Nel secondo schema, lo strato esterno prende la potenza e la terra, e i due strati centrali prendono il segnale. Rispetto alla tradizionale scheda a 4 strati, il miglioramento di questo schema è più piccolo e l'impedenza tra strati è scarsa quanto la tradizionale scheda a 4 strati. Per controllare l'impedenza di traccia, gli schemi di impilamento di cui sopra richiedono un percorso molto attento delle tracce sotto le isole di potenza e di rame macinato. Inoltre, le isole di rame sui piani di potenza o di terra dovrebbero essere interconnesse il più strettamente possibile per garantire la connettività CC e a bassa frequenza.4. Scheda a 6 strati Se la densità dei componenti su una scheda a 4 strati è relativamente elevata, viene utilizzata una scheda a 6 strati. Tuttavia, alcuni schemi di impilamento nel design della scheda a 6 strati non sono abbastanza buoni per proteggere il campo elettromagnetico e hanno poco effetto sulla riduzione del segnale transitorio della barra di alimentazione. Di seguito vengono discussi due esempi. Ad esempio, l'alimentatore e il terreno sono posizionati rispettivamente sul secondo e quinto strato. A causa dell'elevata impedenza del rivestimento di rame dell'alimentatore, è molto sfavorevole controllare la radiazione EMI in modalità comune. Tuttavia, dal punto di vista del controllo dell'impedenza del segnale, questo metodo è abbastanza corretto. Il secondo esempio pone potenza e terra rispettivamente sul 3° e 4° strato. Questo design risolve il problema dell'impedenza del rivestimento di rame dell'alimentazione elettrica. A causa delle scarse prestazioni di schermatura elettromagnetica del 1 ° e 6 ° strato, la modalità differenziale EMI aumenta. Se il numero di linee di segnale sui due strati esterni è basso e la lunghezza della traccia è breve (s)