Data PCB - Peran papan PCB dalam mengawal radiasi EMI

Artikel ini bermula dengan asas Papan PCB bentangan dan membincangkan peran dan teknik desain lapisan Papan PCB mengawal radiasi EMI. Ada banyak cara untuk menyelesaikan masalah EMI. Kaedah penindasan EMI modern termasuk: penggunaan penutup penindasan EMI, pemilihan bahagian cadangan penahanan EMI yang sesuai dan rancangan simulasi EMI.

Bus kuasa

Letakkan kapasitas yang masuk akal dengan kapasitas yang sesuai dekat pin kuasa IC boleh membuat tekanan output IC melompat lebih cepat. Namun, masalah tidak berakhir di sana. Kerana tindak balas frekuensi terbatas kondensator, ini menghalang mereka daripada menghasilkan kuasa harmonik yang diperlukan untuk memandu output IC secara bersih atas band frekuensi penuh. Selain itu, tekanan sementara yang dikembangkan pada palang bas kuasa akan mencipta titik tekanan di seluruh induktan laluan pemisahan, dan tekanan sementara ini adalah sumber utama gangguan EMI-mod umum. Bagaimana kita boleh menyelesaikan masalah ini? Dalam kes IC di papan kami, pesawat kuasa di sekitar IC boleh dianggap sebagai kondensator frekuensi tinggi yang baik yang mengumpulkan tenaga yang bocor oleh kondensator diskret yang menyediakan tenaga frekuensi tinggi untuk output bersih. Selain itu, induktan lapisan bekalan kuasa yang baik seharusnya kecil, sehingga isyarat sementara yang disintesis oleh induktan juga kecil, dengan itu mengurangi mod umum EMI. Sudah tentu, sambungan dari lapisan bekalan kuasa ke pin bekalan kuasa IC mesti pendek yang mungkin, kerana pinggir naik isyarat digital semakin cepat dan cepat, dan ia secara langsung tersambung ke pad di mana pin bekalan kuasa IC ditemui, yang akan dibahas secara terpisah.

Untuk mengawal EMI-mod umum, pesawat kuasa mesti sepasang pesawat kuasa yang dirancang dengan baik untuk memudahkan pemisahan dan mempunyai induksi yang cukup rendah. Seseorang mungkin bertanya, betapa baik? Jawapan kepada soalan bergantung pada lapisan bekalan kuasa, bahan diantara lapisan, dan frekuensi operasi (ie, fungsi masa naik IC). Biasanya, jarak lapisan kuasa ialah 6mil, dan interlayer ialah bahan FR4, kapasitas yang sama per inci kuasa dua lapisan kuasa ialah sekitar 75pF. Jelas, semakin kecil ruang lapisan, semakin besar kapasitasi. Tidak banyak peranti dengan masa naik 100 hingga 300ps, tetapi pada kadar pembangunan ICs semasa, akan ada proporsi tinggi peranti dengan masa naik dalam julat 100 hingga 300ps. Untuk sirkuit dengan masa naik 100 hingga 300ps, ruang lapisan 3mil tidak lagi sesuai untuk kebanyakan aplikasi. Pada masa itu, perlu menggunakan teknik lapisan dengan ruang lapisan kurang dari 1 juta dan menggantikan bahan dielektrik FR4 dengan bahan dengan konstan dielektrik yang sangat tinggi. Sekarang, keramik dan keramik boleh memenuhi keperluan desain 100 hingga 300ps sirkuit masa naik. Walaupun bahan dan kaedah baru mungkin diterima di masa depan, untuk hari ini umum 1 hingga 3ns naik sirkuit masa, 3 hingga 6mil ruang antar lapisan, dan bahan dielektrik FR4, ia biasanya cukup untuk mengendalikan harmonik-end tinggi dan menjaga transien cukup rendah, iaitu, mod umum EMI boleh dikurangkan sangat rendah. Contoh reka tumpukan lapisan papan PCB yang diberikan dalam artikel ini akan menganggap ruang lapisan 3 hingga 6 mils.

Perisai elektromagnetik

Dari sudut pandangan laluan isyarat, strategi lapisan yang baik patut ialah meletakkan semua jejak isyarat pada satu atau beberapa lapisan di sebelah kapal tenaga atau tanah. Untuk kuasa, strategi lapisan yang baik sepatutnya ialah lapisan kuasa disebelah lapisan tanah, dan jarak antara lapisan kuasa dan lapisan tanah adalah sebanyak mungkin, yang mana yang kita panggil strategi "lapisan".

Stacking papan PCB

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

1) papan 4 lapisan: Ada beberapa masalah potensi dengan rekaan papan 4 lapisan. Pertama-tama, untuk papan empat lapisan tradisional dengan tebal 62 mil, 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 kos telah ditetapkan, pertimbangkan dua alternatif berikut kepada papan 4 lapisan tradisional. Kedua-dua penyelesaian boleh meningkatkan prestasi penghalang EMI, tetapi hanya apabila densiti komponen pada papan cukup rendah dan terdapat cukup kawasan disekitar komponen (di mana lapisan tembaga bekalan kuasa yang diperlukan ditempatkan). Lapisan luar PCB adalah lapisan tanah, dan dua lapisan tengah adalah lapisan isyarat/kuasa. Sumber kuasa pada lapisan isyarat dijalankan dengan jejak luas, yang menjadikan halangan laluan bekalan kuasa semasa rendah, dan halangan laluan microstrip isyarat juga rendah. Dari perspektif kawalan EMI, ini adalah struktur papan PCB 4 lapisan yang wujud. Dalam skema kedua, lapisan luar mengambil kuasa dan tanah, dan dua lapisan tengah mengambil isyarat. Berbanding dengan papan 4 lapisan tradisional, peningkatan skema ini lebih kecil, dan pengendalian antar lapisan sama miskin dengan papan 4 lapisan tradisional. Jika pengendalian jejak hendak dikawal, skema tumpukan di atas memerlukan pengendalian jejak yang sangat berhati-hati di bawah kekuatan dan pulau tembaga tanah. Selain itu, pulau tembaga di atas pesawat kuasa atau tanah sepatutnya disambung sebaik mungkin untuk memastikan sambungan DC dan frekuensi rendah.

2) papan 6 lapisan: Jika ketepatan komponen pada papan 4 lapisan relatif besar, papan 6 lapisan digunakan. Namun, beberapa skema tumpukan dalam rancangan papan 6 lapisan tidak cukup baik untuk melindungi medan elektromagnetik, dan mempunyai sedikit kesan untuk mengurangi isyarat sementara bagi palang busbar kuasa. Dua contoh dibahas di bawah. Contohnya, bekalan kuasa dan tanah ditempatkan pada lapisan kedua dan lima. Kerana kekuatan kuasa yang tinggi dari penutup tembaga bekalan tenaga, ia sangat tidak baik untuk mengawal radiasi EMI mod umum. Namun, dari sudut pandang kawalan impedance isyarat, kaedah ini cukup betul. Contoh kedua meletakkan kuasa dan tanah pada lapisan ke-3 dan ke-4, berdasarkan. Rancangan ini memecahkan masalah penyediaan tenaga tembaga impedance. Kerana prestasi perisai elektromagnetik yang lemah dari lapisan ke-1 dan ke-6, mod perbezaan EMI meningkat. Jika bilangan garis isyarat pada dua lapisan luar kecil dan panjang jejak pendek (lebih pendek daripada 1/20 panjang gelombang harmonik isyarat), rancangan ini boleh menyelesaikan masalah EMI mod perbezaan. Pemegangan mod berbeza EMI adalah terutama baik dengan mengisi kawasan bukan-komponen dan bukan-jejak pada lapisan luar dengan tembaga dan mendarat kawasan tertutup tembaga (setiap 1/20 panjang gelombang adalah selang). Seperti yang disebutkan tadi, kawasan tembaga patut disambungkan ke pesawat tanah dalaman pada beberapa titik. Rancangan papan prestasi tinggi 6 lapisan umum mengatur lapisan ke-1 dan ke-6 sebagai lapisan tanah, dan lapisan ke-3 dan ke-4 mengambil kuasa dan tanah. Pemegangan EMI adalah baik kerana dua lapisan garis isyarat microstrip dua pusat antara kuasa dan pesawat tanah. Kegagalan rancangan ini ialah hanya ada dua lapisan jejak. Seperti yang disebutkan tadi, kumpulan yang sama boleh dicapai dengan papan 6 lapisan tradisional jika jejak lapisan luar pendek dan tembaga ditempatkan di kawasan tanpa jejak. Bentangan papan 6 lapisan lain ialah isyarat, tanah, isyarat, kuasa, tanah, isyarat, yang membolehkan persekitaran yang diperlukan untuk rancangan integriti isyarat. Lapisan isyarat disebelah pesawat tanah, dan kuasa dan pesawat tanah adalah pasangan. Jelas, bahagian bawah adalah tumpukan lapisan yang tidak seimbang. Ini biasanya menyebabkan masalah dalam penghasilan. Solusi untuk masalah adalah untuk mengisi semua kawasan kosong lapisan ketiga dengan tembaga. Jika densiti tembaga lapisan ketiga dekat dengan lapisan kuasa atau lapisan tanah selepas penuh tembaga, papan ini boleh dihitung secara longgar sebagai papan sirkuit yang seimbang secara struktur. . Kawasan penuh tembaga mesti disambung dengan kuasa atau tanah. Jarak antara saluran yang menyambung masih panjang gelombang 1/20, tidak perlu di mana-mana, tetapi ideal seharusnya disambung.

3) papan 10 lapisan: Oleh kerana lapisan izolasi diantara papan berbilang lapisan sangat tipis, impedance diantara lapisan papan sirkuit 10 atau 12 lapisan sangat rendah. Selama tidak ada masalah dengan lapisan dan tumpukan, ia benar-benar dijangka untuk mendapatkan integriti isyarat Excellent. Ia lebih sukar untuk menghasilkan papan 12 lapisan dengan tebal 62 juta, dan tidak banyak pembuat yang boleh memproses papan 12 lapisan.

Oleh kerana sentiasa ada lapisan mengisolasi antara lapisan isyarat dan lapisan loop, penyelesaian untuk mengalokasi 6 lapisan tengah untuk lalui garis isyarat dalam desain papan 10 lapisan tidak. Juga, penting untuk mempunyai lapisan isyarat disebelah lapisan loop, iaitu layout papan adalah isyarat, tanah, isyarat, isyarat, kuasa, tanah, isyarat, isyarat, tanah, isyarat, isyarat. Rancangan ini menyediakan laluan yang baik untuk semasa isyarat dan semasa loopnya. Strategi laluan yang betul adalah untuk lalui lapisan pertama sepanjang arah X, lapisan ketiga sepanjang arah Y, lapisan keempat sepanjang arah X, dan sebagainya. Melihat jejak secara intuitif, lapisan 1 dan 3 adalah sepasang kombinasi lapisan, lapisan 4 dan 7 adalah sepasang kombinasi lapisan, dan lapisan 8 dan 10 adalah sepasang kombinasi lapisan. Apabila perlu mengubah arah jejak, garis isyarat pada lapisan pertama sepatutnya "melalui lubang" ke lapisan ketiga dan kemudian mengubah arah. Dalam praktik, mungkin tidak sentiasa mungkin untuk melakukannya, tetapi sebagai konsep desain cuba untuk mematuhinya. Sama seperti, apabila arah penghalaan isyarat berubah, ia patut melalui butang dari lapisan 8 dan 10 atau dari lapisan 4 ke lapisan 7. Penghalaan ini memastikan sambungan ketat antara laluan depan dan laluan kembali isyarat. Contohnya, jika isyarat dijalurkan pada lapisan 1 dan loop dijalurkan pada lapisan 2 dan hanya pada lapisan 2, walaupun isyarat pada lapisan 1 pergi ke lapisan 3 melalui "melalui", loop itu masih pada lapisan 2, sehingga menjaga induktan rendah, kapasitas tinggi, dan prestasi perisai elektromagnetik yang baik. Bagaimana jika kabel sebenarnya tidak seperti ini? Contohnya, garis isyarat pada lapisan pertama melalui lubang ke lapisan sepuluh. Pada masa ini, isyarat loop perlu mencari pesawat tanah dari lapisan ke-9, dan semasa loop perlu mencari tanah terdekat melalui lubang (seperti pins tanah komponen seperti resistor atau kondensator). Jika and a mempunyai seperti melalui lapisan ke-9, anda benar-benar bertuah. Jika tidak ada vial yang dekat tersedia, induktan akan meningkat, kapasitas akan menurun, dan EMI pasti akan meningkat. Bila garis isyarat mesti tinggalkan pasang lapisan wayar semasa ke lapisan wayar lain melalui vias, vias tanah mesti ditempatkan dekat vias, sehingga isyarat loop boleh kembali dengan lancar ke lapisan pendaratan yang sesuai. Untuk kombinasi lapisan 4 dan lapisan 7 lapisan, gelung isyarat akan kembali dari lapisan kuasa atau lapisan tanah (ie lapisan 5 atau lapisan 6), kerana sambungan kapasitif antara lapisan kuasa dan lapisan tanah adalah baik, dan isyarat mudah dihantar.

Rancangan Lapisan Kuasa Berbilang

Jika dua pesawat kuasa sumber tegangan yang sama perlu mengeluarkan arus besar, papan sirkuit patut diletakkan dalam dua set pesawat kuasa dan pesawat tanah. Dalam kes ini, lapisan mengisolasi ditempatkan antara setiap pasangan tenaga dan pesawat tanah. Dengan cara ini, kita mendapat dua pasang bar bas kuasa dengan impedance yang sama yang kita harapkan untuk membahagi semasa sama. Jika tumpukan pesawat kuasa mencipta impedance yang tidak sama, pengunduran tidak akan seragam, tekanan sementara akan jauh lebih besar, dan EMI akan meningkat secara dramatis. Jika terdapat tenaga bekalan berbilang dengan nilai yang berbeza di papan, maka pesawat kuasa berbilang diperlukan, mengingat untuk mencipta tenaga dan pesawat tanah mereka sendiri untuk bekalan kuasa yang berbeza. Dalam kedua-dua kes di atas, ingat keperluan pembuat untuk struktur seimbang apabila menentukan kedudukan kuasa pasangan dan pesawat tanah di papan.

Ringkasan

Mengingat bahawa kebanyakan jurutera merancang papan sebagai papan sirkuit cetak konvensional dengan tebal 62 mils dan tiada vial buta atau terkubur, this discussion of board layering and menampung is limited to that. Untuk papan dengan lebar terlalu berbeza, skema lapisan yang disarankan dalam artikel ini mungkin tidak ideal. Selain itu, papan sirkuit dengan kunci buta atau terkubur diproses berbeza, dan pendekatan lapisan dalam kertas ini tidak berlaku. Ketebusan, melalui proses dan bilangan lapisan papan sirkuit dalam papan sirkuit, desain bukanlah kunci untuk menyelesaikan masalah. Stacking lapisan yang hebat adalah untuk memastikan bypass dan pemisahan bar bas kuasa, supaya tekanan sementara pada pesawat kuasa atau pesawat tanah tidak terpengaruh. Kunci untuk melindungi medan elektromagnetik isyarat dan kuasa. Idealnya, seharusnya ada lapisan isolasi diantara lapisan jejak isyarat dan lapisan tanah kembalinya, and the paired layer spacing (or more than one pair) should be as small as possible. Berdasarkan konsep dan prinsip asas ini, the Papan PCB yang sentiasa boleh memenuhi keperluan desain boleh dirancang.