PCB Tecnico - Lezione EMI/EMC Design: Il piano di immagine del circuito stampato (Parte 1)

Un piano immagine è uno strato di conduttori di rame (o altri conduttori) che si trova all'interno di un circuito stampato (PCB). Può essere un piano di tensione, o un piano di riferimento 0V adiacente a un circuito o uno strato di routing del segnale. Negli anni '90, il concetto di piano immagine è stato ampiamente utilizzato, e ora è un termine appropriato per gli standard industriali. Questo articolo spiegherà la definizione, il principio e il design del piano dell'immagine.

Definizione del piano immagine

La corrente RF deve tornare alla sorgente corrente tramite un percorso precedentemente definito o un altro percorso; In breve, questo percorso di ritorno è una sorta di piano immagine. Il piano dell'immagine può essere un'immagine speculare del cablaggio originale (immagine speculare), o un altro percorso situato nelle vicinanze ---- cioè, crosstalk; il piano dell'immagine può essere un piano di potenza, un piano di terra o uno spazio libero (spazio libero). spazio). La corrente RF sarà accoppiata a qualsiasi linea di trasmissione sotto forma di capacità o induttanza, purché l'impedenza di questa linea di trasmissione sia inferiore all'impedenza del percorso precedentemente definito. Tuttavia, per conformarsi agli standard EMC, lo spazio libero deve essere evitato come percorso di ritorno.

Sebbene un PCB unilaterale possa ridurre i costi, questa semplice struttura potrebbe non soddisfare gli standard EMC. La maggior parte dei PCB a 2 o 4 strati hanno un'integrità del segnale relativamente elevata e possono superare i test EMC. Lo stack PCB ad alta densità (scheda multistrato) può fornire la soppressione di radiofrequenza da 6dB a 8dB per ogni coppia di piani di immagine, che è dovuto all'effetto di eliminare il flusso magnetico. C'è una semplice regola che può essere utilizzata per determinare quando utilizzare una scheda multistrato: Quando la frequenza di frequenza supera 5MHz, o il tempo di salita è più veloce di 5 ns, una scheda multistrato deve essere utilizzata.

Definizione di induttanza

Sia le tracce che i piani di rame hanno un numero limitato di induttanze. Quando una tensione viene applicata alle tracce o alle linee di trasmissione, queste induttanze impediranno la generazione di corrente, in modo che i due fili diventino irraggiamento sbilanciato in modalità comune e il flusso magnetico non può essere ridotto. Nella struttura del circuito stampato, ci sono tre diversi tipi di induttanza:

Induttanza parziale: l'induttanza che esiste nel filo o nella traccia PCB.

.Auto induttanza: l'induttanza da una sezione di filo, al contrario di una sezione infinitamente lunga.

Induttanza parziale comune: l'effetto di una sezione di induttanza sulla seconda sezione di induttanza.

Rispetto alla capacità e alla resistenza, l'induttanza è la più difficile da misurare. L'induttanza rappresenta le caratteristiche dinamiche di un ciclo di corrente chiuso. Induttanza è il rapporto tra il flusso magnetico che passa attraverso un ciclo chiuso e la corrente che produce il flusso magnetico. La sua espressione matematica è: Lij=Ψij/li, Ψè il flusso magnetico, e I è la corrente nel ciclo. In un ciclo chiuso, il valore di induttanza è correlato alla forma e alle dimensioni del ciclo. Quando progettano un PCB, gli ingegneri spesso ignorano l'induttanza della traccia. L'induttanza è sempre correlata al ciclo chiuso. L'effetto induttanza di un ciclo chiuso può essere descritto dall'induttanza parziale e dall'effetto induttanza parziale comune.

Induttanza parziale

L'induttanza interna di un conduttore, che è prodotta dal flusso magnetico all'interno del conduttore. La somma delle induttanze parziali di un ciclo chiuso è uguale alla somma delle induttanze parziali di ogni sezione, cioè,. E il Li di ogni sezione è uguale a Ψi / li, Ψi rappresenta il flusso magnetico accoppiato al loop nella sezione i, I è la quantità di corrente nella sezione i, e Li è l'induttanza parziale. Pertanto, i circuiti differenti avranno valori differenti di induttanza parziale. Siamo preoccupati per il valore parziale dell'induttanza, non per il valore totale dell'induttanza della traccia. Inoltre, l'induttanza parziale può essere utilizzata per derivare l'induttanza parziale comune.

Induttanza parziale comune

Il fattore principale che permette al piano dell'immagine di eliminare il flusso magnetico è dalla "induttanza parziale comune". Dopo che il flusso magnetico è eliminato, le linee magnetiche di forza possono essere collegate e il miglior percorso di ritorno per la corrente di radiofrequenza può essere trovato. Parte dell'induttanza di se stessa si riferisce all'induttanza di una sezione specifica del ciclo, e non ha nulla a che fare con altre sezioni del ciclo. La figura 1 mostra una induttanza parziale di per sé. La corrente in un ciclo di traccia è I, e Lp è la sua induttanza parziale della sezione di traccia. Supponiamo che questa traccia si estenda da un'estremità del finito all'altra estremità dell'infinito.

Teoricamente, anche se parte della propria induttanza non ha nulla a che fare con i fili adiacenti, infatti, i fili adiacenti con una piccola distanza cambieranno a vicenda i propri valori di induttanza parziale. Questo perché un filo interagisce con altri fili, in modo che la distribuzione corrente su tutta la lunghezza del filo non sia più uniforme. Soprattutto quando il rapporto tra la distanza tra i due fili e il raggio è inferiore a 5:1, questa situazione sarà più evidente.

Figura 1: Parte della propria induttanza

Tra i due fili, ci sarà una induttanza parziale comune. L'induttanza parziale comune Mp si basa sul percorso parallelo, o la distanza (s) tra le sezioni del filo. Mp è il rapporto tra "il flusso magnetico generato dalla corrente nel primo filo (ad un punto lontano attraverso il secondo filo)" e "la corrente generata dal primo filo". La figura 2 mostra una induttanza parziale comune. Il suo circuito equivalente è mostrato nella Figura 3, e l'espressione matematica di questo circuito è la seguente:

Figura 2: Induttanza parziale comune

Figura 3: Induttanza parziale comune tra due fili

Ora con il concetto di induttanza parziale comune, considerare la trasmissione di un segnale sul circuito di Figura 3, come un segnale di frequenza. V1 è sul percorso del segnale e V2 è sul percorso di ritorno della corrente RF. Supponiamo che questi due fili formino un percorso di segnale e il suo percorso di ritorno, quindi I1 = I e I2 = -I. Se non fosse per l'esistenza di una induttanza parziale comune, i due fili non sarebbero in grado di accoppiarsi tra loro, il circuito non funzionerebbe normalmente e non formerebbe un ciclo chiuso. La caduta di tensione nella figura 3 diventerà:

Si può sapere dalla formula di cui sopra che se la caduta di tensione deve essere ridotta, la parte comune dell'induttanza (Mp) deve essere aumentata.

Il modo più semplice per aumentare la parte comune dell'induttanza è rendere il percorso della corrente di ritorno RF il più vicino possibile alla traccia del segnale. Il miglior metodo di progettazione è quello di utilizzare un piano di ritorno di radiofrequenza vicino alla traccia del segnale. La distanza tra di loro dovrebbe essere il più piccola possibile entro l'intervallo raggiungibile.

Parte dell'induttanza esiste sempre nel filo, è lo stesso del valore predefinito. Pertanto, è equivalente a un'antenna con una frequenza di risonanza specifica. "Induttanza parziale comune" può ridurre l'effetto di "induttanza parziale". Riducendo la distanza tra i due fili, l'induttanza delle singole parti può essere ridotta, che può soddisfare i requisiti degli standard di compatibilità EMI.

Per massimizzare l'effetto della parte comune dell'induttanza, le correnti nei due fili devono essere uguali in grandezza, ma in direzioni opposte. Questo è il motivo per cui il piano dell'immagine (o filo di massa) può essere così efficace. Tra due fili paralleli, ci sono alcune induttanze comuni, e questi valori di induttanza variano con la distanza e la lunghezza dei due fili (fare riferimento alle specifiche tecniche dei fili). Quando la distanza e la lunghezza dei due fili paralleli sono i più piccoli, il valore di induttanza della loro parte comune sarà il più grande.

Se un materiale dielettrico viene utilizzato per separare i piani di potenza e terra, quale ruolo giocherà in questo momento la "induttanza parziale comune"? Allo stesso modo, finché la distanza tra i due piani è piccola, il valore di induttanza della parte comune sarà grande. In questo momento, la corrente del segnale RF misurata sul piano di potenza dovrebbe essere zero.

Perché è compensato dalla corrente di ritorno RF della stessa dimensione e direzione opposta.

Inoltre, va notato che se il valore di induttanza della parte comune tra i due fili viene ridotto, non solo l'effetto del piano immagine sarà ridotto, ma il valore di capacità tra i due piani aumenterà.