PCB Tecnico - Come la fabbrica di circuiti stampati risolve il problema EMI nella progettazione PCB multistrato

1. Power bus

Posizionare correttamente un condensatore di capacità appropriata vicino al 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 limitata del condensatore, il condensatore non può generare la potenza armonica necessaria per guidare l'uscita IC in modo pulito nell'intera banda di frequenza. Inoltre, la tensione transitoria formata sul bus di alimentazione formerà una caduta di tensione attraverso l'induttanza del percorso di disaccoppiamento e queste tensioni transitorie sono le principali fonti di interferenza EMI di modo comune. Come risolvere questi problemi?

Per quanto riguarda l'IC sulla scheda della nostra fabbrica di circuiti stampati, lo strato di potenza intorno al IC può essere considerato come un eccellente condensatore ad alta frequenza, che può raccogliere la parte dell'energia trapelata dal condensatore discreto che fornisce energia ad alta frequenza per un'uscita pulita. Inoltre, l'induttanza di un buon livello di potenza dovrebbe essere piccola, quindi anche il segnale transitorio sintetizzato dall'induttanza è piccolo, riducendo così l'EMI di modalità comune.

Naturalmente, la connessione tra lo strato di alimentazione e il pin di alimentazione IC deve essere il più breve possibile, perché il bordo ascendente del segnale digitale sta diventando sempre più veloce ed è meglio collegarlo direttamente al pad in cui si trova il pin di alimentazione IC. La questione va discussa separatamente.

Per controllare l'EMI in modalità comune, il piano di potenza deve aiutare il disaccoppiamento e avere un'induttanza sufficientemente bassa. Questo piano di potenza deve essere una coppia di piani di potenza ben progettati. Qualcuno potrebbe chiedere, quanto bene è buono? La risposta alla domanda dipende dalla stratificazione dell'alimentazione elettrica, dal materiale tra gli strati e dalla frequenza di funzionamento (cioè, una funzione del tempo di salita IC). Generalmente, la spaziatura dello strato di potere è 6mil e l'intercalare è materiale FR4, la capacità equivalente dello strato di potere 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 un tempo di salita da 100 a 300 ps, ma secondo l'attuale velocità di sviluppo IC, i dispositivi con un tempo di salita nell'intervallo da 100 a 300 ps occuperanno una proporzione elevata. 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 di stratificazione con una distanza di strato inferiore a 1 mil e sostituire i materiali dielettrici FR4 con materiali con una costante dielettrica elevata. Ora, la ceramica e la plastica ceramica possono soddisfare i requisiti di progettazione dei circuiti a tempo di salita da 100 a 300 ps.

Sebbene nuovi materiali e nuovi metodi possano essere utilizzati 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 rendere il segnale transitorio abbastanza basso, vale a dire, l'EMI in modalità comune può essere ridotto molto basso. Gli esempi di progettazione di impilamento stratificato PCB forniti in questo articolo assumeranno un passo dello strato da 3 a 6 mil.

2. Schermatura elettromagnetica

Dal punto di vista delle tracce di segnale, una buona strategia di stratificazione dovrebbe essere quella di mettere tutte le tracce di segnale su uno o più strati, e questi strati sono accanto allo strato di potenza o allo strato di terra. Per l'alimentazione elettrica, una buona strategia di stratificazione dovrebbe essere che lo strato di potenza e lo strato di terra siano adiacenti 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".

3. Impilazione PCB

Quale strategia di stacking aiuta a proteggere e sopprimere l'EMI? Il seguente schema di impilamento stratificato presuppone che la corrente di alimentazione fluisca su un unico strato e che la tensione singola o più siano distribuite in parti diverse dello stesso strato. Il caso di più livelli di potenza sarà discusso più avanti.

4.4 strati

Ci sono diversi potenziali problemi con il design della scheda a 4 strati. Prima di tutto, la 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 il requisito di costo è primo, è possibile considerare le seguenti due tradizionali alternative di bordo a 4 strati. Entrambe queste soluzioni possono migliorare le prestazioni di soppressione EMI, ma sono adatte solo per applicazioni dove la densità dei componenti sulla scheda è abbastanza bassa e c'è abbastanza spazio intorno ai componenti (posizionare lo strato di rame richiesto dell'alimentazione elettrica).

La prima è la soluzione preferita. Gli strati esterni del circuito stampato sono tutti strati di terra e i due strati centrali sono strati di segnale / potenza. L'alimentazione elettrica sullo strato del segnale è instradata con una linea ampia, che può rendere 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 la migliore struttura PCB a 4 strati disponibile. Nel secondo schema, lo strato esterno utilizza potenza e terra, e i due strati centrali utilizzano segnali. Rispetto alla tradizionale scheda PCB a 4 strati, questa soluzione ha un miglioramento più piccolo e l'impedenza tra strati è povera quanto il tradizionale PCB a 4 strati.

Se si desidera controllare l'impedenza di traccia, lo schema di impilamento di cui sopra deve essere molto attento a sistemare le tracce sotto le isole di potenza e rame macinato. Inoltre, le isole di rame dell'alimentazione elettrica o dello strato di terra dovrebbero essere interconnesse il più possibile per garantire la connettività DC e a bassa frequenza.

Scheda a 5,6 strati

Se la densità dei componenti su una scheda a 4 strati è relativamente alta, una scheda a 6 strati è la migliore. Tuttavia, alcuni schemi di impilamento nel design della scheda a 6 strati non sono abbastanza buoni per schermare 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 terra sono posizionati rispettivamente sul 2 ° e 5 ° strato. A causa dell'elevata impedenza 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 molto corretto.

Nel secondo esempio, l'alimentatore e il terreno sono posizionati rispettivamente sul 3° e 4° strato. Questo design risolve il problema dell'impedenza di rame dell'alimentazione elettrica. A causa delle scarse prestazioni di schermatura elettromagnetica del 1 ° e 6 ° strato, il modo differenziale EMI è aumentato.

Se il numero di linee di segnale sui due strati esterni è il minimo e la lunghezza della traccia è molto breve (inferiore a 1/20 della lunghezza d'onda dell'armonica più alta del segnale), questo disegno può risolvere il problema EMI di modalità differenziale. Riempire l'area senza componenti e senza tracce sullo strato esterno con rame e macinare l'area rivestita di rame (ogni lunghezza d'onda 1/20 come intervallo), che è particolarmente buona per sopprimere EMI in modo differenziale. Come accennato in precedenza, è necessario collegare l'area in rame con il piano di terra interno in più punti.

Il design generale a 6 strati ad alte prestazioni dispone generalmente il primo e il sesto strato come strati di terra, e il terzo e quarto strato sono utilizzati per potenza e terra. Poiché ci sono due doppi strati di linea del segnale microstrip nel mezzo tra lo strato di potenza e lo strato di terra, la capacità di soppressione EMI è eccellente. Lo svantaggio di questo design è che ci sono solo due strati di routing. Come accennato in precedenza, se le tracce esterne sono corte e il rame viene posato nell'area traceless, lo stesso impilamento può essere ottenuto anche con una tradizionale scheda a 6 strati.

Un altro layout della scheda a 6 strati è segnale, terra, segnale, potere, terra, segnale, che può realizzare 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 lo strato di terra sono accoppiati. Ovviamente, lo svantaggio è l'accatastamento sbilanciato degli strati.

Questo di solito porta problemi alla produzione. La soluzione al problema è riempire tutte le aree vuote del terzo strato con rame. Dopo che il rame è riempito, se la densità di rame del terzo strato è vicina allo strato di potenza o allo strato di terra, questa scheda non può essere strettamente considerata come un circuito stampato strutturalmente bilanciato. L'area riempita di rame deve essere collegata all'alimentazione o alla messa a terra. La distanza tra i vias di connessione è ancora 1/20 lunghezza d'onda, e potrebbe non essere necessario connettersi ovunque, ma dovrebbe essere collegato in circostanze ideali.

Scheda PCB a 6,10 strati

Poiché lo strato isolante tra le schede multistrato è molto sottile, l'impedenza tra i 10 o 12 strati del circuito è molto bassa. Finché non ci sono problemi con la stratificazione e l'impilamento, si può aspettare un'eccellente integrità del segnale. È più difficile elaborare e produrre schede PCB a 12 strati con uno spessore di 62 mil e non ci sono molti produttori in grado di 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 assegnare i 6 strati centrali per instradare le linee del segnale in un design di scheda a 10 strati non è la migliore. Inoltre, è importante rendere lo strato del segnale adiacente allo strato del loop, cioè, il layout della scheda è segnale, terra, segnale, segnale, potenza, terra, segnale, segnale, segnale, terra e segnale.

Questo disegno fornisce un buon percorso per la corrente del segnale e la sua corrente di loop. La corretta strategia di cablaggio è quella di instradare i fili nella direzione X sul primo strato, le direzioni Y sul terzo strato, e le direzioni X sul quarto strato, e così via. Guardando il instradamento intuitivamente, il primo strato 1 e il terzo strato sono una coppia di combinazioni stratificate, il quarto e il settimo strato sono una coppia di combinazioni stratificate, e l'ottavo e il decimo strato sono l'ultima coppia di combinazioni stratificate. Quando è necessario cambiare la direzione di routing, la linea del segnale sul primo strato dovrebbe andare al terzo strato attraverso la "via" e quindi cambiare la direzione. Infatti, potrebbe non essere sempre possibile farlo, ma come concetto di design, deve essere seguito il più possibile.

Allo stesso modo, quando la direzione di instradamento del segnale cambia, dovrebbe passare dall'ottavo e decimo strato o dal quarto al settimo strato attraverso vias. Questo cablaggio assicura l'accoppiamento più stretto tra il percorso in avanti del segnale e il loop. Ad esempio, se il segnale viene instradato sul primo livello e il loop viene instradato sul secondo livello e solo sul secondo livello, allora il segnale sul primo livello viene trasferito al terzo livello attraverso la "via". Il ciclo è ancora sul secondo strato, in modo da mantenere le caratteristiche di bassa induttanza, grande 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 10 ° strato, quindi il segnale loop deve trovare il piano di terra dal 9 ° strato e la corrente loop deve trovare il terreno più vicino via (come perni di terra di componenti come resistenze o condensatori). Se vi capita di essere una tale via nelle vicinanze, siete davvero fortunati. Se non c'è tale vicino via foro disponibile, l'induttanza diventerà più grande, la capacità sarà ridotta 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 loop possa tornare allo strato di messa a terra appropriato senza intoppi. Per la combinazione stratificata del 4 ° e 7 ° strato, il ciclo di segnale ritornerà dallo strato di potenza o dallo strato di terra (cioè, il 5 ° o 6 ° strato), perché l'accoppiamento capacitivo tra lo strato di potenza e lo strato di terra è buono e il segnale è facile da trasmettere.

7. Progettazione di più strati di potenza

Se i 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 terra. In questo caso, uno strato isolante viene posizionato tra ogni coppia di strati di potenza e terra. In questo modo, otteniamo le due coppie di barre del bus di potenza con impedenze uguali che dividono la corrente che ci aspettiamo. Se l'impilamento degli strati di potenza causa l'impedenza disuguale, lo shunt non sarà uniforme, la tensione transitoria sarà molto più grande e l'EMI aumenterà bruscamente.

Se ci sono più tensioni di alimentazione con valori diversi sul circuito stampato, più strati di alimentazione sono richiesti di conseguenza. Ricordate di creare il proprio alimentatore accoppiato e strati di terra per diversi alimentatori. Nei due casi di cui sopra, quando si determina la posizione dello strato di potenza accoppiato e dello strato di terra sul circuito stampato, tenere a mente i requisiti del produttore per una struttura equilibrata.

8. Sintesi

Dato che la maggior parte dei circuiti stampati progettati dagli ingegneri sono circuiti stampati tradizionali con uno spessore di 62 mil e senza vias ciechi o sepolti, la discussione di stratificazione e impilamento dei circuiti stampati in questo articolo è limitata a questo. Per circuiti stampati con grandi differenze di spessore, lo schema di stratificazione raccomandato in questo articolo potrebbe non essere ideale. Inoltre, il processo di elaborazione del circuito stampato con fori ciechi o fori sepolti è diverso e il metodo di stratificazione in questo articolo non è applicabile.

Nella progettazione del circuito stampato, lo spessore, via processo e il numero di strati del circuito stampato PCB non sono la chiave per risolvere il problema. L'impilamento a strati eccellente è quello di garantire il bypass e il disaccoppiamento del bus di alimentazione e la tensione transitoria sullo strato di alimentazione o sullo strato di terra La chiave per ridurre al minimo il campo elettromagnetico del segnale e dell'alimentazione elettrica. Idealmente, ci dovrebbe essere uno strato di isolamento isolante tra lo strato di instradamento del segnale e lo 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, è possibile progettare un circuito stampato in grado di soddisfare sempre i requisiti di progettazione. Ora che il tempo di aumento di IC è molto breve e sarà più breve, la tecnologia discussa in questo articolo è essenziale per risolvere il problema della schermatura EMI.