Dati PCB - Il ruolo dell'impilamento dello strato del PCB nel controllo delle radiazioni EMI

Da un layout PCB di base, questo articolo discute la funzione e la tecnologia di progettazione dell'impilamento di strati PCB nel controllo delle emissioni EMI

Questo articolo inizia con una base Scheda PCB Layout e discute il ruolo e le tecniche di progettazione dell'impilamento di strati PCB nel controllo delle emissioni EMI.

Bus di alimentazione

Posizionare ragionevolmente un condensatore di capacità appropriata vicino al perno di alimentazione del IC può rendere la tensione di uscita del IC saltare più veloce. Tuttavia, il problema non finisce qui. A causa della risposta in frequenza limitata dei condensatori, questo impedirà loro di generare la potenza armonica richiesta, in modo da guidare l'uscita di IC in modo pulito nell'intera banda di frequenza. Inoltre, la tensione transitoria generata sul bus di alimentazione genererà una caduta di tensione sull'induttanza del percorso di disaccoppiamento. Queste tensioni transitorie sono la principale fonte di interferenza EMI in modalità comune. Come risolvere questi problemi? Quando c'è un IC sul nostro circuito stampato, il piano di potenza intorno al IC può essere considerato come un buon condensatore ad alta frequenza, che può raccogliere l'energia trapelata dai condensatori discreti e fornire energia ad alta frequenza per un'uscita pulita. Inoltre, l'induttanza di un buon livello di alimentazione elettrica dovrebbe essere piccola e il segnale transitorio sintetizzato da questa induttanza dovrebbe anche essere piccolo, in modo da ridurre 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 è più veloce e veloce ed è direttamente collegato al pad in cui si trova il pin di alimentazione IC, che sarà discusso separatamente.

Per controllare l'EMI di modalità comune, il piano di potenza deve essere una coppia di piani di potenza con progettazione ragionevole, in modo da disaccoppiare e avere abbastanza bassa induttanza. Alcune persone potrebbero chiedere, quanto è buono? La risposta a questa domanda dipende dalla stratificazione dell'alimentazione elettrica, dai dati tra strati e dalla frequenza di funzionamento (cioè, una funzione del tempo di salita IC). Generalmente, la distanza tra gli strati di potenza è 6mil, lo strato medio è dati FR4 e la capacità equivalente per pollice quadrato dello strato di potenza è di circa 75pF. Ovviamente, più piccola è la spaziatura dello strato, maggiore è la capacità. Non ci sono molti dispositivi con un tempo di salita tra 100 e 300ps, ma secondo l'attuale velocità di sviluppo dei circuiti integrati, i dispositivi con un tempo di salita tra 100 e 300ps rappresenteranno una grande proporzione. Per circuiti con un tempo 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 la tecnologia a strati con una spaziatura inferiore a 1 mil e sostituire il materiale dielettrico FR4 con una costante dielettrica molto alta. 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 dati e metodi possono essere utilizzati in futuro, il comune circuito di tempo di salita 1-3ns, la spaziatura dello strato 3-6mil e i dati dielettrici FR4 oggi sono di solito sufficienti per affrontare armoniche di fascia alta e mantenere il transiente a un livello sufficientemente basso, cioè, l'EMI di modalità comune può essere molto basso. L'esempio di progettazione di impilamento stratificato PCB fornito in questo articolo presuppone che la spaziatura dello strato sia da 3 a 6 mil.

Maschera elettromagnetica

Dal punto di vista dell'instradamento del segnale, una buona strategia stratificata dovrebbe essere quella di posizionare tutto il tracciamento del segnale su uno o più strati vicino all'alimentazione elettrica o al piano di terra. Per l'alimentazione elettrica, 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 dovrebbe essere il più piccola possibile.

Laminazione di circuiti stampati

Quali strategie di stacking aiutano a mascherare e sopprimere l'EMI? Il seguente schema di impilamento stratificato presuppone che la corrente di alimentazione fluisca su un unico strato e che una singola tensione o più tensioni siano distribuite in parti diverse dello stesso strato. Il caso dei piani di potenza multipli sarà discusso più avanti.

Piastra a 4 strati

Ci sono diversi problemi potenziali nella progettazione del bordo a 4 strati. In primo luogo, per una tradizionale scheda a quattro strati con uno spessore di 62 mil, anche se lo strato di segnale è nello strato esterno e lo strato di potenza e lo strato di terra sono nello strato interno, la distanza tra lo strato di potenza e lo strato di terra è ancora troppo grande. Se c'è un requisito di costo, considerare i seguenti due metodi per sostituire il tradizionale bordo a 4 strati. Entrambe le soluzioni possono migliorare l'efficienza di soppressione EMI, ma l'efficienza di soppressione EMI può essere migliorata solo quando la densità dei componenti sul circuito è abbastanza bassa e c'è abbastanza spazio intorno ai componenti (dove è posizionato lo strato di rame dell'alimentatore richiesto). Lo strato esterno del PCB è piano di terra e i due strati centrali sono segnale / strato di potenza. L'alimentazione elettrica sullo strato del segnale adotta il cablaggio della traccia larga, che rende bassa l'impedenza del percorso della corrente dell'alimentazione elettrica e bassa l'impedenza del percorso del microscatto del segnale. Dal punto di vista del controllo EMI, questa è la struttura PCB a 4 strati esistente. Nel secondo schema, lo strato esterno riceve energia e terra, e i due strati centrali ricevono segnali. Rispetto alla piastra tradizionale a 4 strati, il miglioramento di questo schema è più piccolo e l'impedenza dell'intercalare è scarsa quanto la piastra tradizionale a 4 strati. Se si desidera controllare l'impedenza di traccia, lo schema di impilamento di cui sopra richiede un instradamento molto attento delle tracce sotto le isole di potere e messa a terra di rame. Inoltre, le isole di rame dell'alimentazione elettrica o del piano di terra dovrebbero essere strettamente interconnesse possibile per garantire connessioni DC e a bassa frequenza.

Piastra a 6 strati

Se la densità dei componenti sulla scheda a 4 strati è relativamente alta, utilizzare la scheda a 6 strati. Tuttavia, alcuni schemi di impilamento nel design della scheda a 6 strati non sono sufficienti per mascherare il campo elettromagnetico e hanno poco effetto sulla riduzione del segnale transitorio del bus di alimentazione. Di seguito vengono discussi due esempi. Nel primo esempio, l'alimentazione elettrica e la messa a terra si trovano rispettivamente sul 2° e 5° strato. A causa dell'elevata impedenza del rivestimento in rame dell'alimentazione elettrica, è difficile controllare la radiazione EMI in modalità comune. Tuttavia, dal punto di vista del controllo dell'impedenza del segnale, questo metodo è molto corretto. Il secondo esempio pone potenza e terra rispettivamente sul terzo e quarto strato. Questo design risolve il problema dell'impedenza rivestita di rame dell'alimentazione elettrica. A causa della scarsa efficacia delle maschere elettromagnetiche negli strati 1 e 6, la modalità differenziale EMI aumenterà. Se il numero di linee di segnale sui due strati esterni è piccolo e la lunghezza della traccia è breve (meno di 1/20 della lunghezza d'onda armonica del segnale), la progettazione può risolvere il problema dell'EMI di modo differenziale. L'effetto di soppressione dell'EMI differenziale è particolarmente buono riempiendo le aree non componenti e non traccia sullo strato esterno con rame e mettendo a terra l'area rivestita di rame (ogni lunghezza d'onda 1/20 è un intervallo). Come accennato in precedenza, l'area in rame dovrebbe essere collegata al piano di terra interno in più punti. In generale, il design a 6 strati ad alte prestazioni, il primo e il sesto strato sono generalmente disposti come strato di terra e il terzo e quarto strato sono lo strato di potenza e lo strato di terra. Poiché ci sono due strati centrali di linea del segnale a doppio microstrip tra l'alimentazione elettrica e il piano di terra, l'effetto di soppressione EMI è molto buono. Lo svantaggio di questo design è che ci sono solo due strati di tracce. Come accennato in precedenza, se la traccia esterna è breve e il rame viene posizionato nell'area traceless, anche la piastra tradizionale a 6 strati può ottenere lo stesso impilamento. Un altro layout del circuito a 6 strati è segnale, messa a terra, segnale, alimentazione elettrica, messa a terra e segnale, che fornisce l'ambiente richiesto per la progettazione dell'integrità del segnale. Lo strato del segnale è adiacente al piano di terra e l'alimentazione elettrica e il piano di terra sono accoppiati. Ovviamente, lo svantaggio è l'accatastamento sbilanciato degli strati. Questo di solito porta problemi all'industria manifatturiera. La soluzione a questo problema è riempire tutte le aree vuote del terzo strato con rame. Se la densità di rame del terzo strato è vicina allo strato di potenza o allo strato di terra dopo il riempimento di rame, la scheda può essere contata liberamente come un circuito con struttura bilanciata. L'area riempita di rame deve essere collegata all'alimentazione o alla messa a terra. La distanza tra i vias di collegamento è ancora 1/20 lunghezza d'onda, che non è necessariamente ovunque, ma dovrebbe essere collegato idealmente.

Piastra a 10 strati

Poiché lo strato isolante tra le piastre multistrato è molto sottile, l'impedenza intercalare di questa piastra a 10 strati o 12 strati è molto bassa e una buona integrità del segnale può essere attesa finché non ci sono problemi di stratificazione e impilamento. È più difficile fabbricare piastre a 12 strati con uno spessore di 62 mil e non ci sono molti produttori che possono elaborare piastre a 12 strati. Poiché c'è sempre uno strato isolante tra lo strato del segnale e lo strato del loop, la soluzione di allocare i 6 strati medi per instradare la linea del segnale nel design della scheda a 10 strati non è così. Inoltre, lo strato del segnale deve essere adiacente allo strato del loop, cioè, il layout del circuito stampato è segnale, messa a terra, segnale, segnale, alimentazione elettrica, messa a terra, segnale, segnale, segnale, messa a terra, segnale. Questo disegno fornisce un buon percorso per la corrente del segnale e la sua corrente di loop. La strategia di routing corretta è quella di instradare il primo strato lungo la direzione X, il terzo strato lungo la direzione Y, il quarto strato lungo la direzione X, e così via. Osservate visivamente queste tracce, il primo e il terzo strato sono una coppia di combinazioni stratificare, il quarto e il settimo strato sono una coppia di combinazioni stratificate, e l'ottavo e il decimo strato sono l'ultimo paio di combinazioni stratificate. Quando è necessario cambiare la direzione della traccia, la linea del segnale sul primo strato dovrebbe essere "foro passante" al terzo strato e quindi cambiare la direzione. In pratica, potrebbe non essere sempre possibile farlo, ma come progetto, il concetto cerca di aderire ad esso. Allo stesso modo, quando la direzione di cablaggio del segnale cambia, dovrebbe passare attraverso i vias dell'ottavo e decimo strato o dal quarto al settimo strato. Questo percorso assicura lo stretto accoppiamento tra il percorso in avanti e il percorso di ritorno del segnale. Ad esempio, se il segnale viene instradato allo strato 1 e il loop viene instradato allo strato 2 e solo allo strato 2, anche se il segnale sullo strato 1 raggiunge lo strato 3 attraverso il "foro passante", il loop è ancora situato nello strato 2, in modo da mantenere bassa induttanza, alta capacità e buona efficienza della maschera elettromagnetica. E se il cablaggio vero e proprio non fosse così? Ad esempio, la linea di segnale al primo piano passa attraverso il foro passante al decimo piano. In questo momento, il segnale loop deve trovare lo strato di messa a terra dal nono strato e la corrente loop deve trovare la messa a terra più vicina attraverso il foro (come il perno di messa a terra di componenti come resistenze o condensatori). Se vi capita di avere un passaggio simile nelle vicinanze, siete davvero fortunati. Senza un foro così stretto attraverso, l'induttanza aumenterà, la capacità diminuirà e EMI aumenterà certamente. Quando la linea di segnale deve lasciare l'attuale coppia di strati di cablaggio ad altri strati di cablaggio attraverso vias, i vias di messa a terra dovrebbero essere posizionati vicino ai vias in modo che il segnale loop possa tornare allo strato di messa a terra corrispondente senza intoppi. Per la combinazione di strato 4 e strato 7, il ciclo del segnale ritornerà dallo strato di potenza o dallo strato di terra (cioè strato 5 o strato 6), perché l'accoppiamento capacitivo tra lo strato di potenza e lo strato di terra è buono e il segnale è facile da trasmettere.

Progettazione multistrato di potenza

Se due piani di potenza della stessa sorgente di tensione devono produrre grande corrente, il circuito stampato dovrebbe essere disposto in due gruppi di piani di potenza e piano di terra. In questo caso, uno strato isolante viene posizionato tra ogni coppia di alimentatori e il piano di terra. Attraverso questo tipo di tubo, otteniamo due paia di bus di potenza con impedenza uguale, e ci aspettiamo di distribuire la corrente equamente. Se la pila di piani di potenza produce impedenza disuguale, lo shunt sarà irregolare, la tensione transitoria sarà maggiore e EMI aumenterà significativamente. Se sul circuito sono presenti più tensioni di alimentazione con valori diversi, sono necessari più piani di alimentazione. Ricordatevi di creare i vostri alimentatori accoppiati e piani di terra per diversi alimentatori. Nei due casi di cui sopra, quando si determina la posizione dell'alimentatore e della piastra di messa a terra corrispondenti sul circuito stampato, si prega di ricordare i requisiti del produttore per la struttura equilibrata.

Sintesi

Considerando che la maggior parte degli ingegneri progetta il circuito stampato come un circuito stampato tradizionale con uno spessore di 62 mil e non ci sono fori ciechi o vias incorporati, la discussione sulla stratificazione e l'impilamento dei circuiti stampati è limitata a questo Per lastre con grandi differenze di spessore, lo schema di delaminazione raccomandato in questa carta potrebbe non essere ideale Inoltre, la pipeline di elaborazione dei circuiti stampati con fori ciechi o fori sepolti è diversa, quindi il metodo di stratificazione in questa carta non è applicabile Spessore, tramite processo e il numero di strati del circuito stampato nella progettazione del circuito stampato non sono la chiave per risolvere il problema In modo che questa tensione transitoria sul piano di potenza o sul piano non sia influenzata La chiave per schermare i campi elettromagnetici dei segnali e della potenza Idealmente, ci dovrebbe essere uno strato isolante di isolamento tra lo strato di traccia del segnale e il suo livello di ritorno e la spaziatura dello strato accoppiato (o più di una coppia) dovrebbe essere il più piccola possibile Sulla base di questi concetti e principi di base, il PCB può sempre soddisfare i requisiti di progettazione La tecnologia discussa in questo articolo è molto importante per risolvere il problema della maschera EMI.