Rancangan Elektronik - Peran desain stacking lapisan PCB dalam menekan EMI

Ada banyak cara untuk menyelesaikan masalah EMI. Kaedah penindasan EMI modern termasuk: menggunakan penutup penindasan EMI, memilih bahagian penindasan EMI yang sesuai, dan rancangan simulasi EMI. Starting from the most basic PCB layout, this article discusses the role and design techniques of PCB layered stacking in controlling EMI radiation.

Bus kuasa

Meletakkan kondensator yang sesuai dekat pin bekalan kuasa IC boleh membuat tekanan output IC melompat lebih cepat. However, the problem does not end here. Kerana balas frekuensi terhad kondensator, kondensator tidak boleh menghasilkan kuasa harmonik yang diperlukan untuk memandu output IC dengan bersih dalam band frekuensi penuh. Selain itu, tekanan sementara yang terbentuk pada bas kuasa akan membentuk jatuh tekanan di seluruh induktansi laluan penyahpautan, dan tekanan sementara ini adalah sumber gangguan EMI mod umum utama. Bagaimana kita nak selesaikan masalah ini?

Secara IC pada papan sirkuit kita, lapisan kuasa sekitar IC boleh dianggap sebagai kondensator frekuensi tinggi yang baik, yang boleh mengumpulkan sebahagian tenaga yang bocor oleh kondensator diskret yang menyediakan tenaga frekuensi tinggi untuk output bersih. Selain itu, induktan lapisan kuasa yang baik seharusnya kecil, jadi isyarat sementara yang disintesis oleh induktan juga kecil, dengan itu mengurangi mod umum EMI.

Sudah tentu, sambungan antara lapisan kuasa dan pin kuasa IC mesti pendek yang mungkin, kerana pinggir naik isyarat digital semakin cepat dan cepat, dan lebih baik untuk menyambungkannya secara langsung ke pad di mana pin kuasa IC ditemui. Ini perlu dibahas secara terpisah.

Untuk mengawal EMI-mod umum, pesawat kuasa mesti membantu pemisahan dan mempunyai induksi yang cukup rendah. Pesawat kuasa ini mesti pasangan pesawat kuasa yang direka dengan baik. Seseorang mungkin bertanya, betapa baik? Jawapan kepada soalan bergantung pada lapisan bekalan kuasa, bahan diantara lapisan, dan frekuensi operasi (iaitu, fungsi masa naik IC). Secara umum, jarak lapisan kuasa ialah 6mil, dan interlayer ialah bahan FR4, kapasitas yang sama lapisan kuasa per inci kuasa dua ialah sekitar 75pF. Jelas, semakin kecil ruang lapisan, semakin besar kapasitasi.

Tiada banyak peranti dengan masa naik 100 hingga 300 ps, tetapi menurut kelajuan pembangunan IC semasa, peranti dengan masa naik dalam julat 100 hingga 300 ps akan mengambil proporsi yang tinggi. Untuk sirkuit dengan masa naik 100 hingga 300ps, ruang lapisan 3mil tidak lagi sesuai untuk kebanyakan aplikasi. Pada masa itu, perlu menggunakan teknologi lapisan dengan ruang lapisan kurang dari 1 juta, dan menggantikan bahan dielektrik FR4 dengan bahan dengan konstan dielektrik tinggi. Sekarang, keramik dan plastik keramik boleh memenuhi keperluan desain 100 hingga 300 ps sirkuit masa naik.

Walaupun bahan baru dan kaedah baru boleh digunakan pada masa depan, untuk hari ini umum 1 hingga 3ns naik sirkuit masa, 3 hingga 6mil ruang lapisan dan bahan dielektrik FR4, ia biasanya cukup untuk mengendalikan harmonik-end tinggi dan membuat isyarat sementara cukup rendah, iaitu, mod umum EMI boleh dikurangkan sangat rendah. Contoh reka tumpuan lapisan PCB yang diberikan dalam artikel ini akan menganggap ruang lapisan 3 hingga 6 mils.

Perisai elektromagnetik

Dari perspektif jejak isyarat, strategi lapisan yang baik patut ialah meletakkan semua jejak isyarat pada satu atau beberapa lapisan, dan lapisan ini berada di sebelah lapisan kuasa atau lapisan tanah. Untuk bekalan kuasa, strategi lapisan yang baik sepatutnya ialah lapisan kuasa disebelah lapisan tanah, dan jarak antara lapisan kuasa dan lapisan tanah adalah sebanyak mungkin. Inilah yang kita sebut strategi "lapisan".

Pemasangan PCB

Strategi pengumpulan apa yang membantu untuk melindungi dan menekan EMI? Skema tumpuan lapisan berikut menganggap bahawa arus bekalan kuasa mengalir pada lapisan tunggal, dan tekanan tunggal atau tekanan berbilang akan dikedarkan dalam bahagian yang berbeza dari lapisan yang sama. Kasus pelbagai lapisan kuasa akan dibahas nanti.

Papan 4 lapisan

There are several potential problems with the 4-layer board design. Pertama-tama, papan empat lapisan tradisional dengan tebal 62 mils, walaupun lapisan isyarat berada di lapisan luar, dan kuasa dan lapisan tanah berada di lapisan dalaman, jarak antara lapisan kuasa dan lapisan tanah masih terlalu besar.

Jika keperluan biaya adalah pertama, anda boleh mempertimbangkan dua alternatif papan 4 lapisan tradisional berikut. Dua penyelesaian ini boleh meningkatkan prestasi penghalangan EMI, tetapi ia hanya sesuai untuk aplikasi dimana densiti komponen di papan cukup rendah dan ada cukup kawasan di sekitar komponen (letakkan lapisan tembaga kuasa yang diperlukan).

Pertama adalah penyelesaian yang disukai. Lapisan luar PCB adalah lapisan tanah, dan dua lapisan tengah adalah lapisan isyarat/kuasa. Sumber kuasa pada lapisan isyarat dijalankan dengan garis lebar, yang boleh membuat halangan laluan bagi bekalan kuasa semasa rendah, dan halangan laluan microstrip isyarat juga rendah. Dari perspektif kawalan EMI, ini adalah struktur PCB 4 lapisan terbaik yang tersedia. Dalam skema kedua, lapisan luar menggunakan kuasa dan tanah, dan dua lapisan tengah menggunakan isyarat. Berbanding dengan papan 4 lapisan tradisional, peningkatan lebih kecil, dan impedance antar lapisan sama miskin seperti papan 4 lapisan tradisional.

Jika anda ingin mengawal pengendalian jejak, skema tumpukan di atas mesti sangat berhati-hati untuk mengatur jejak di bawah kekuatan dan pulau tembaga tanah. Selain itu, pulau tembaga pada bekalan tenaga atau lapisan tanah sepatutnya disambung sebanyak mungkin untuk memastikan sambungan DC dan frekuensi rendah.

Papan 6-lapisan

Jika ketepatan komponen pada papan 4 lapisan relatif tinggi, papan 6 lapisan adalah terbaik. Namun, beberapa skema tumpukan dalam rancangan papan 6 lapisan tidak cukup baik untuk melindungi medan elektromagnetik, dan mempunyai sedikit kesan pada pengurangan isyarat sementara bas kuasa.

Rancangan papan prestasi tinggi umum 6 lapisan biasanya membuang lapisan pertama dan keenam sebagai lapisan tanah, dan lapisan ketiga dan keempat digunakan untuk kuasa dan tanah. Kerana terdapat dua lapisan garis isyarat microstrip ganda di tengah antara lapisan kuasa dan lapisan tanah, kemampuan penghalang EMI adalah baik. Kegagalan rancangan ini adalah bahawa hanya ada dua lapisan penghalaan. Seperti yang disebutkan tadi, jika jejak luar pendek dan tembaga ditempatkan di kawasan tanpa jejak, tumpukan yang sama juga boleh dicapai dengan papan 6 lapisan tradisional.

Bentangan papan 6 lapisan lain ialah isyarat, tanah, isyarat, kuasa, tanah, isyarat, yang boleh menyadari persekitaran yang diperlukan untuk desain integriti isyarat maju. Lapisan isyarat disebelah lapisan tanah, dan lapisan kuasa dan lapisan tanah dipasang. Jelas sekali, kelemahan adalah tumpukan lapisan yang tidak seimbang.

Ini biasanya membawa masalah untuk memproduksi. Solusi untuk masalah adalah untuk mengisi semua kawasan kosong lapisan ketiga dengan tembaga. Selepas tembaga dipenuhi, jika densiti tembaga lapisan ketiga dekat dengan lapisan kuasa atau lapisan tanah, papan ini tidak boleh dihitung secara ketat sebagai papan sirkuit yang seimbang secara struktur. Kawasan penuh tembaga mesti disambung dengan kuasa atau tanah. Jarak antara saluran sambungan masih panjang gelombang 1/20, dan mungkin tidak perlu untuk disambung di mana-mana, tetapi ia sepatutnya disambung dalam keadaan yang ideal.

Ringkasan

Ketebusan, melalui proses dan bilangan lapisan papan sirkuit dalam desain papan sirkuit bukanlah kunci untuk menyelesaikan masalah. Stacking lapisan yang hebat adalah untuk memastikan bypass dan pemisahan bas kuasa, dan minimumkan tekanan sementara pada lapisan kuasa atau lapisan tanah. Dan kunci untuk melindungi medan elektromagnetik isyarat dan bekalan kuasa. Idealnya, sepatutnya ada lapisan izolasi diantara lapisan penghalaan isyarat dan lapisan tanah kembali, dan ruang lapisan pasangan (atau lebih dari satu pasangan) sepatutnya sebanyak mungkin. Berdasarkan konsep dan prinsip asas ini, papan sirkuit yang sentiasa boleh memenuhi keperluan desain boleh dirancang. Now that the rise time of IC is very short and will be shorter, the technology discussed in this article is essential to solve the problem of EMI shielding.