Soluzione EMI per la progettazione di PCB multistrato

2021-11-09

Author：Downs

Esistono molti modi per risolvere il problema dell'IME. I metodi moderni di soppressione EMI includono: utilizzando il rivestimento di soppressione EMI, selezionando i pezzi di ricambio appropriati di soppressione EMI, progettazione di simulazione EMI, ecc A partire dalla scheda di tessuto PCB di base, questo articolo discute il ruolo dell'impilamento PCB nelle tecniche di controllo delle radiazioni EMI e progettazione.

Bus di alimentazione PCB

Il posizionamento ragionevole della capacità vicino al perno del IC può rendere il salto di tensione di uscita IC più veloce. Tuttavia, questa non è la fine del problema. A causa della risposta in frequenza limitata del condensatore, non è possibile per il condensatore generare la potenza armonica necessaria per guidare l'uscita IC in modo pulito nell'intera banda di frequenza. Inoltre, la tensione transitoria formata sulla confluenza di potenza crea una caduta di tensione ad entrambe le estremità dell'induttore nel percorso di disaccoppiamento, che è la principale fonte di interferenza EMI di modo comune. Come risolvere questi problemi?

bus di potenza

Per IC sul nostro circuito stampato, lo strato di potenza intorno al IC può essere visto come un buon condensatore ad alta frequenza, che può raccogliere la parte di energia fuoriuscita dai condensatori discreti che forniscono energia ad alta frequenza per un'uscita pulita. Inoltre, l'induttanza di un buon livello di potenza è più piccola, in modo che il segnale transitorio sintetizzato dall'induttanza sia più piccolo, il che riduce l'EMI di modalità comune.

Naturalmente, la connessione tra lo strato di alimentazione PCB e il pin di alimentazione IC deve essere il più breve possibile, perché il segnale digitale aumenta sempre più velocemente, preferibilmente direttamente al pad in cui si trova il pin di alimentazione IC, che viene discusso separatamente.

Per controllare l'EMI in modalità comune, lo strato di potenza deve essere una coppia di strati di potenza ben progettati per aiutare a disaccoppiare e avere induttanza sufficientemente bassa. Ci si potrebbe chiedere, quanto e' buono? La risposta alla domanda dipende dagli strati dell'alimentazione elettrica, dal materiale tra gli strati e dalla frequenza di funzionamento (cioè in funzione del tempo di salita del IC). Di solito, lo spazio tra gli strati di potere è 6mil e il sandwich è materiale FR4. La capacità equivalente dello strato di potenza per pollice quadrato è di circa 75pF. Ovviamente, più piccola è la spaziatura dello strato, maggiore è la capacità.

Non ci sono molti dispositivi con tempo di salita tra 100 e 300 ps, ma secondo l'attuale velocità di sviluppo del IC, i dispositivi con tempo di salita tra 100 e 300 PS occuperanno una proporzione elevata. Per i circuiti con un tempo di salita da 100 a 300 PS, la spaziatura dello strato da 3mil non è più applicabile per la maggior parte delle applicazioni. A quel tempo, era necessario utilizzare una tecnica a strati con una spaziatura inferiore a 1 mil e sostituire i materiali dielettrici FR4 con materiali con alte costanti dielettriche. Ora, la plastica ceramica e ceramica può soddisfare i requisiti di progettazione del circuito di tempo di salita da 100 a 300 PS.

Anche se nuovi materiali e nuovi metodi possono essere introdotti in futuro, l'EMI in modalità comune può essere molto basso per i circuiti di aumento comuni da 1 a 3 ns, 3 a 6 mil di distanza tra strati e materiali dielettrici FR4, che di solito sono sufficienti per gestire armoniche di fascia alta e mantenere i segnali transitori abbastanza bassi. L'esempio di progettazione di impilamento PCB fornito in questo documento presuppone una spaziatura dello strato da 3 a 6 mil.

Schermatura elettromagnetica PCB

Dal punto di vista dell'instradamento del segnale, una buona strategia di stratificazione dovrebbe essere quella di posizionare tutto il instradamento del segnale su uno o più strati, che si trovano accanto al livello di potenza o 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 sia il più piccola possibile. Questa è quella che chiamiamo strategia di "stratificazione".

Scheda PCB

Impilazione PCB

Quali strategie di stacking possono aiutare a proteggere e sopprimere l'IME? I seguenti schemi di impilamento a strati presuppongono che la corrente di alimentazione fluisca su un unico strato e che la tensione singola o multipla sia distribuita su parti diverse dello stesso strato. Il caso di più livelli di potenza sarà discusso più avanti.

Scheda PCB a 4 strati

Ci sono diversi potenziali problemi con il design a 4 strati. In primo luogo, lo spazio tra lo strato di potenza e lo strato di messa a terra è troppo grande anche se lo strato di segnale è esterno e lo strato di alimentazione e messa a terra sono all'interno.

Se il requisito di costo è primo, considerare le seguenti due alternative alle piastre convenzionali a 4 strati. Entrambi possono migliorare le prestazioni di soppressione EMI, ma solo quando la densità degli elementi sulla scheda è abbastanza bassa e c'è abbastanza spazio intorno agli elementi per posizionare l'alimentatore rivestito di rame richiesto.

Il primo è lo schema preferito, in cui lo strato esterno del PCB è uno strato e lo strato medio è uno strato di segnale / potenza. L'alimentazione elettrica sullo strato del segnale è cablata da una linea ampia, che rende bassa l'impedenza del percorso della corrente di alimentazione e bassa l'impedenza del percorso del microscatto del segnale. Dal punto di vista del controllo EMI, questa è la migliore struttura PCB a quattro strati disponibile. Il secondo schema utilizza sia lo strato esterno che lo strato centrale per camminare il segnale. Rispetto alla piastra tradizionale a 4 strati, il miglioramento è più piccolo e l'impedenza inter-strato è povera come la piastra tradizionale a 4 strati.

Se si vuole controllare l'impedenza della linea, gli schemi di impilamento sopra collocano accuratamente la linea sotto l'alimentazione elettrica e le isole di rame macinate. Inoltre, le isole di rame dell'alimentatore o dello strato dovrebbero essere interconnesse il più strettamente possibile per garantire la connettività CC e a bassa frequenza.

Scheda PCB a 6 strati

Se la densità del componente sul pannello a 4 strati è alta, è meglio utilizzare il pannello a 6 strati. Tuttavia, alcuni degli schemi di impilamento nel design del pannello a 6 strati non schermano abbastanza bene il campo elettromagnetico e hanno poco effetto sulla riduzione del segnale transitorio del bus di alimentazione. Di seguito vengono discussi due esempi.

Il primo esempio pone l'alimentatore e il terreno rispettivamente sugli strati 2 e 5, il che è molto dannoso per il controllo della radiazione EMI in modalità comune a causa dell'elevata impedenza rivestita in rame dell'alimentatore. Tuttavia, dal punto di vista del controllo dell'impedenza del segnale, questo metodo è molto corretto.

Nel secondo esempio, l'alimentatore e il terreno sono posizionati rispettivamente sugli strati 3 e 4. Questo design risolve il problema dell'impedenza rivestita di rame dell'alimentazione elettrica. A causa delle scarse prestazioni di schermatura elettromagnetica degli strati 1 e 6, il modo differenziale EMI è aumentato. Se il numero di linee di segnale sui due strati esterni è minimo, la lunghezza della linea è molto breve (meno di 1/20 della lunghezza d'onda armonica massima del segnale). Questo design risolve il problema EMI di modalità differenziale. La pavimentazione in rame sulle aree esterne non componenti e non cablate e la messa a terra sull'area rivestita in rame (ogni ventesimo intervallo di lunghezza d'onda) sopprime particolarmente bene l'EMI in modalità differenziale. Come accennato in precedenza, l'area di pavimentazione in rame dovrebbe essere associata ai multipoint interni dello strato di messa a terra.

Il design universale a 6 strati ad alte prestazioni generalmente pone gli strati 1 e 6 in strati e gli strati 3 e 4 sono alimentati e messi a terra. La soppressione EMI è eccellente perché ci sono due strati di linee di segnale centrate dual-microstrip tra lo strato di potenza e gli strati adiacenti. Lo svantaggio di questo design è che ci sono solo due strati nello strato di linea. Come descritto in precedenza, se lo strato esterno è corto e il rame è pavimentato nell'area wireless, viene utilizzato il tradizionale 6. Anche i livelli possono ottenere lo stesso impilamento.

Un altro layout a 6 strati è segnale, terra, segnale, potenza, terra, segnale, che consente l'ambiente richiesto per la progettazione avanzata dell'integrità del segnale. Lo strato di segnale è adiacente allo strato di terra e lo strato di potenza e il livello di interfaccia sono accoppiati. Ovviamente, lo svantaggio è che l'impilamento degli strati è sbilanciato.

Questo di solito causa problemi nella lavorazione e produzione. La soluzione è quella di riempire tutte le aree vuote del terzo strato con rame, che può essere considerato liberamente come un circuito stampato strutturalmente bilanciato se la densità di rame del terzo strato è vicina allo strato di potenza o terra. L'area di riempimento in rame deve essere collegata all'alimentazione elettrica o al suolo. La distanza tra i fori di collegamento è ancora 1/20 della lunghezza d'onda e non è sempre collegata da nessuna parte. Collegarsi, ma idealmente connettersi.

10 strati PCB board

Poiché lo strato di isolamento dell'isolamento tra i multistrati è molto sottile, l'impedenza tra i 10 o 12 strati del circuito stampato e gli strati è molto bassa e finché gli strati e le pile non sono difettosi, è prevista un'eccellente integrità del segnale. È più difficile lavorare 12 strati con uno spessore di 62mil e meno produttori sono in grado di lavorare 12 strati.

Poiché c'è sempre uno strato isolante tra lo strato del segnale e lo strato del loop, non è ottimale assegnare sei strati al centro del design a 10 strati per camminare sulla linea del segnale. Inoltre, è importante avere lo strato di segnale adiacente allo strato di loop, cioè, il layout della scheda è segnale, terra, segnale, segnale, terra, segnale.

Questo disegno fornisce un buon percorso per la corrente del segnale e la sua corrente di loop. La strategia di cablaggio appropriata è che il primo strato segue la direzione X, il terzo strato segue la direzione Y, il quarto strato segue la direzione X, e così via. Visivamente, gli strati 1 e 3 sono una coppia di strati, gli strati 4 e 7 sono una coppia di strati, gli strati 8 e 10 sono l'ultima coppia di strati. Quando è necessario cambiare la direzione della linea, la linea del segnale sul primo strato dovrebbe cambiare direzione dopo il terzo strato per mezzo di "passare attraverso il foro". In effetti, questo potrebbe non essere sempre possibile, ma dovrebbe essere rispettato il più possibile come concetto di design.

Allo stesso modo, quando la direzione del segnale cambia, il segnale dovrebbe essere instradato da Layer 8 e Layer 10 o Layer 4 a Layer 7 per mezzo di fori. Questo cablaggio assicura che l'accoppiamento tra il percorso in avanti del segnale e il loop sia più stretto. Ad esempio, se il segnale è su Layer 1 e il loop è su Layer 2 e solo su Layer 2, allora il segnale su Layer 1 anche per mezzo di "fori" "Girando a Layer 3, il circuito è ancora su Layer 2, che mantiene le caratteristiche di bassa induttanza, grande capacità e buone prestazioni di schermatura elettromagnetica.

E se non fosse così? Ad esempio, la linea del segnale sul primo strato passa attraverso il foro al decimo strato, quindi il segnale loop deve cercare il piano di terra dal nono strato e la corrente loop deve trovare il terreno più vicino attraverso il foro (come il perno di terra per componenti come resistenza o capacità) Se un tale foro accade di esistere nelle vicinanze, è davvero fortunato. Se non è disponibile alcun foro simile vicino, l'induttanza aumenterà, la capacità diminuirà e l'EMI aumenterà.

Quando la linea di segnale deve lasciare l'attuale coppia di strati ad altri strati attraverso i fori, i fori di messa a terra dovrebbero essere posizionati vicino ai fori in modo che il segnale del loop possa essere riportato senza intoppi allo strato appropriato di connessione. Per gli strati 4 e 7, il ciclo del segnale sarà dal livello di alimentazione o messa a terra (cioè strato 5 o strato 6) Indietro perché l'accoppiamento capacitivo tra lo strato di potenza e lo strato di interfaccia è buono, il segnale è facile da trasmettere.

Progettazione di più livelli di potenza

Se due strati di potenza della stessa sorgente di tensione devono produrre grandi correnti, il circuito stampato dovrebbe essere disposto in due insiemi di strati di potenza e strati di connessione. In questo caso, uno strato isolante viene posizionato tra ogni coppia di strati di potenza e strati di connessione. Ciò si traduce in due coppie di confluenze di potenza con impedenze uguali come ci aspettiamo. Se l'impilamento degli strati di potenza provoca impedenze disuguali, lo shunting sarà irregolare. La tensione transitoria è molto più grande e l'EMI aumenta drammaticamente.

Se ci sono più tensioni di alimentazione con valori diversi sul circuito stampato, sono necessari più strati di alimentazione di conseguenza, tenere presente che ogni coppia di strati di alimentazione e strati di connessione viene creato per diverse fonti di alimentazione. In entrambi i casi, quando si determina la posizione degli strati di potenza accoppiati e degli strati di connessione sul circuito stampato, tenere presente i requisiti del produttore per una struttura equilibrata.

sintesi

Poiché la maggior parte degli ingegneri progetta circuiti stampati con uno spessore di 62mil e senza fori ciechi o fori sepolti, la discussione sulla stratificazione e l'impilamento del PCB è limitata a questo. Gli schemi di stratificazione raccomandati in questo documento potrebbero non essere ideali per circuiti stampati con grandi differenze di spessore. Inoltre, i metodi di stratificazione presentati in questo documento non sono applicabili a causa dei diversi processi di lavorazione dei circuiti stampati con fori ciechi o fori interrati.