PCB Tecnico - Utilizzare l'impilamento stratificato PCB per controllare la radiazione EMI

Esistono molti modi per risolvere i problemi dell'IME. I moderni metodi di soppressione EMI includono: utilizzo di rivestimenti di soppressione EMI, selezione di parti di soppressione EMI appropriate e progettazione di simulazione EMI. Partendo dal layout PCB più basilare, questo articolo discute il ruolo e le tecniche di progettazione dell'impilamento stratificato PCB nel controllo della radiazione EMI.

Bus di alimentazione

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.

Per il IC sul circuito stampato, lo strato di potenza intorno al IC può essere considerato come un eccellente condensatore ad alta frequenza, che può raccogliere la parte dell'energia fuoriuscita 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, dai materiali tra gli strati e dalla frequenza di funzionamento (cioè in funzione del tempo di salita del 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.

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 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".

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

Scheda a 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. Queste due 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 di potenza richiesto). La prima è la soluzione preferita. Gli strati esterni del PCB 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 a 4 strati, il miglioramento è più piccolo e l'impedenza tra strati è povera come la tradizionale scheda 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 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 a 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 produrre schede a 12 strati con uno spessore di 62mil e non ci sono molti produttori che possono elaborare schede a 12 strati.

Progettazione di strati multi-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 la struttura equilibrata.

Lo spessore, via processo e il numero di strati del circuito stampato nella progettazione del circuito stampato 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 ridurre al minimo la tensione transitoria sullo strato di alimentazione o sullo strato di terra. E la chiave per schermare 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.