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

Questo articolo inizia con un 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. I moderni metodi di soppressione EMI includono: l'uso di rivestimenti di soppressione EMI, la selezione di pezzi di ricambio di soppressione EMI appropriati e la progettazione di simulazione EMI.

Bus di alimentazione

Il posizionamento ragionevole dei condensatori con capacità appropriata vicino ai pin di alimentazione 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 tempo di salita comuni di oggi da 1 a 3ns, la spaziatura tra gli strati da 3 a 6mil e il materiale dielettrico FR4, di solito è sufficiente gestire armoniche di fascia alta e mantenere i transienti abbastanza bassi, vale a dire , l'EMI di modo comune può essere ridotto molto basso. L'esempio di progettazione dello stack stratificato della scheda PCB fornito in questo articolo assumerà una spaziatura dello strato da 3 a 6 mil.

Schermatura elettromagnetica

Dal 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".

Impilazione di schede PCB

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

1) Scheda a 4 strati: Ci sono diversi problemi potenziali con la progettazione a 4 strati della scheda. Prima di tutto, per una scheda tradizionale 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 sono previsti requisiti di costo, considerare le seguenti due alternative alle schede tradizionali 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 (dove è posizionato 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 su piani di potenza o di terra dovrebbero essere interconnesse il più strettamente possibile per garantire la connettività CC e bassa frequenza.

2) Scheda a 6 strati: Se la densità dei componenti sulla scheda a 4 strati è relativamente grande, 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 piccolo e la lunghezza della traccia è breve (più breve di 1/20 la lunghezza d'onda dell'armonica del segnale), questo disegno può risolvere il problema EMI di modo differenziale. La soppressione dell'EMI differenziale è particolarmente buona riempiendo le aree non-componente 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. Il design generale ad alte prestazioni della scheda a 6 strati generalmente organizza il primo e il sesto strato come strati di terra, e il terzo e il quarto strato prendono potenza e terra. La soppressione dell'EMI è eccellente grazie a due strati di linea del segnale dual microstrip centrati tra i piani di potenza e terra. Lo svantaggio di questo design è che ci sono solo due strati di tracce. Come accennato in precedenza, lo stesso stackup può essere ottenuto con una tradizionale scheda a 6 strati se le tracce dello strato esterno sono corte e il rame è posizionato nell'area senza traccia. Un altro layout della scheda a 6 strati è segnale, terra, segnale, potenza, terra, segnale, che consente l'ambiente richiesto per i progetti di integrità del segnale. Lo strato di segnale è adiacente al piano di terra e i piani di potenza e terra sono accoppiati. Ovviamente, il lato negativo è l'accatastamento sbilanciato degli strati. La soluzione al problema consiste nel 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, questa scheda può essere contata liberamente come un circuito stampato strutturalmente bilanciato. L'area di riempimento in 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, non necessariamente ovunque, ma idealmente dovrebbe essere collegata.

3) scheda a 10 strati: Poiché lo strato isolante di isolamento tra le schede a più strati è molto sottile, l'impedenza tra gli strati del circuito a 10 o 12 strati è molto bassa. Finché non ci sono problemi con la stratificazione e l'impilamento, si prevede completamente di ottenere eccellente integrità del segnale. È più difficile produrre schede a 12 strati con uno spessore di 62 mil e non ci sono molti produttori che possono elaborare schede 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 le linee del segnale nel design della scheda a 10 strati non lo è. Inoltre, è importante avere lo strato del segnale adiacente allo strato del loop, cioè il layout della scheda è segnale, terra, segnale, segnale, potenza, terra, segnale, segnale, terra, segnale, segnale, terra, segnale. Questo disegno fornisce un buon percorso per la corrente del segnale e la sua corrente di loop. Una corretta strategia di routing 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. Guardando le tracce intuitivamente, i livelli 1 e 3 sono una coppia di combinazioni stratificate, i livelli 4 e 7 sono una coppia di combinazioni stratificate, e i livelli 8 e 10 sono una coppia di combinazioni stratificate. Quando è necessario cambiare la direzione delle tracce, le linee di segnale sul primo strato dovrebbero essere "tramite fori" al terzo strato e quindi cambiare la direzione. In pratica, potrebbe non essere sempre possibile farlo, ma come concetto progettuale cercare di aderirvi. Allo stesso modo, quando la direzione di instradamento del segnale viene cambiata, dovrebbe essere via vias dagli strati 8 e 10 o dal livello 4 al livello 7. Questo percorso assicura un accoppiamento stretto tra il percorso in avanti e il percorso di ritorno del segnale. Ad esempio, se il segnale è instradato sullo strato 1 e il loop è instradato sullo strato 2 e solo sullo strato 2, anche se il segnale sullo strato 1 passa allo strato 3 attraverso una "via", il loop è ancora sullo strato 2, mantenendo così bassa induttanza, alta capacità e buone prestazioni di schermatura elettromagnetica. E se il cablaggio vero e proprio non fosse così? Ad esempio, la linea del segnale sul primo strato passa attraverso il foro via al decimo strato. In questo momento, il segnale loop deve trovare il piano di terra dal nono strato, e la corrente loop deve trovare il terreno più vicino tramite foro (come i perni di terra di componenti come resistenze o condensatori). Se vi capita di avere una via così vicina, siete davvero fortunati. Se non ci sono vie così vicine disponibili, l'induttanza aumenterà, la capacità diminuirà e l'EMI aumenterà sicuramente. Quando la linea di segnale deve lasciare l'attuale coppia di strati di cablaggio ad altri strati di cablaggio attraverso vias, vias di terra dovrebbero essere posizionati vicino ai vias, in modo che il segnale del loop possa tornare agevolmente allo strato di messa a terra appropriato. Per la combinazione stratificata dello strato 4 e dello strato 7, il loop 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 di più livelli di potenza

Se i due piani di potenza della stessa sorgente di tensione devono emettere una grande corrente, il circuito stampato dovrebbe essere disposto in due insiemi di piani di potenza e piani di terra. In questo caso, gli strati isolanti sono posizionati tra ogni coppia di piani di potenza e terra. In questo modo, otteniamo le due coppie di barre del bus di potenza con impedenza uguale che ci aspettiamo di dividere la corrente equamente. Se l'impilamento dei piani di potenza crea impedenze disuguali, lo shunting non sarà uniforme, la tensione transitoria sarà molto più grande e EMI aumenterà drammaticamente. Se ci sono più tensioni di alimentazione con valori diversi sulla scheda, allora sono necessari più piani di alimentazione, tenendo presente per creare i propri piani di alimentazione e terra accoppiati per i diversi alimentatori. In entrambi i casi di cui sopra, tenere presente i requisiti del costruttore per una struttura equilibrata quando si determina il posizionamento della potenza di accoppiamento e dei piani di terra sulla scheda.

Riassuma

Dato che la maggior parte degli ingegneri progetta schede come circuiti stampati convenzionali con uno spessore di 62 mil e senza vias ciechi o sepolti, questa discussione di stratificazione e impilamento di schede è limitata a questo. Per tavole con spessori troppo diversi, lo schema di stratificazione raccomandato in questo articolo potrebbe non essere ideale. Inoltre, i circuiti stampati con vias ciechi o sepolti vengono elaborati in modo diverso e l'approccio stratificato in questo documento non è applicabile. Lo spessore, attraverso il processo e il numero di strati del circuito stampato nel circuito stampato, la progettazione non sono la chiave per risolvere il problema. L'impilamento a strati eccellente è quello di garantire il bypass e il disaccoppiamento della barra di alimentazione, in modo che la tensione transitoria sul piano di potenza o sul piano di terra non sia influenzata. La chiave per schermare i campi elettromagnetici di segnali e potenza. Idealmente, ci dovrebbe essere uno strato isolante di isolamento tra lo strato di traccia del segnale e il suo strato di terra di ritorno, e la spaziatura dello strato accoppiata (o più di una coppia) dovrebbe essere il più piccola possibile. Sulla base di questi concetti e principi di base, la scheda PCB che può sempre soddisfare i requisiti di progettazione può essere progettata.