Teknik PCB - Bagaimana kilang papan sirkuit memecahkan masalah EMI dalam rancangan PCB berbilang lapisan

1. Bus kuasa

Meletakkan kondensator yang sesuai dekat pin bekalan kuasa IC boleh membuat tekanan output IC melompat lebih cepat. Namun, masalah tidak berakhir di sini. 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?

Apabila IC di papan kilang papan sirkuit kita berkaitan, lapisan kuasa di 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 antara 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 mungkin digunakan pada masa depan, untuk saluran masa yang biasa hari ini 1 hingga 3ns naik, 3 hingga 6mil lapisan ruang dan bahan dielektrik FR4, ia biasanya cukup untuk mengendalikan harmonik-hujung 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 lapisan tumpuan 3 hingga 6 mils.

2. 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 dan lapisan tanah disebelah, dan jarak antara lapisan kuasa dan lapisan tanah adalah sebanyak yang mungkin. Inilah yang kita sebut strategi "lapisan".

Stacking 3.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 dikedarkan dalam bahagian berbeza lapisan yang sama. Kasus pelbagai lapisan kuasa akan dibahas nanti.

Papan lapisan 4.4

Ada beberapa masalah potensi dengan rancangan papan 4 lapisan. 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. Kedua-dua penyelesaian ini boleh meningkatkan prestasi penghalangan EMI, tetapi ia hanya sesuai untuk aplikasi dimana densiti komponen pada papan cukup rendah dan ada cukup kawasan di sekitar komponen (letakkan lapisan tembaga bekalan kuasa yang diperlukan).

Pertama adalah penyelesaian yang disukai. Lapisan luar papan sirkuit PCB adalah semua 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 PCB 4 lapisan tradisional, penyelesaian ini mempunyai peningkatan yang lebih kecil, dan impedance antar lapisan adalah sama buruk seperti PCB 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 lapisan 5.6

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. Dua contoh dibahas di bawah.

Dalam contoh pertama, bekalan tenaga dan tanah ditempatkan pada lapisan ke-2 dan ke-5 respectively. Kerana kekuatan tembaga yang tinggi bagi bekalan kuasa, ia sangat tidak bermanfaat untuk mengawal radiasi EMI mod umum. Namun, dari sudut pandangan kawalan penghalang isyarat, kaedah ini sangat betul.

Dalam contoh kedua, bekalan kuasa dan tanah ditempatkan pada lapisan ke-3 dan ke-4 respectively. Rancangan ini memecahkan masalah penyediaan tenaga tembaga. 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 adalah sekurang-kurangnya, dan panjang jejak sangat pendek (lebih pendek daripada 1/20 panjang gelombang harmonik tertinggi isyarat), rancangan ini boleh menyelesaikan masalah EMI mod perbezaan. Isi kawasan dengan tiada komponen dan tiada jejak pada lapisan luar dengan tembaga dan tanah kawasan tebal-clad (setiap 1/20 panjang gelombang sebagai selang), yang sangat baik dalam menekan mod berbeza EMI. Seperti yang disebutkan tadi, perlu menyambungkan kawasan tembaga dengan pesawat tanah dalaman di beberapa titik.

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 penghasilan. 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.

Papan PCB lapisan 6.10

Kerana lapisan isolasi diantara papan pelbagai lapisan sangat tipis, impedance diantara 10 atau 12 lapisan papan sirkuit sangat rendah. Selama tiada masalah dengan lapisan dan tumpukan, integriti isyarat yang baik boleh dijangka. Ia lebih sukar untuk memproses dan menghasilkan papan PCB 12 lapisan dengan tebal 62 mils, dan tidak banyak pembuat yang boleh memproses papan 12 lapisan.

Oleh kerana sentiasa ada lapisan yang mengisolasi antara lapisan isyarat dan lapisan loop, penyelesaian untuk menetapkan 6 lapisan tengah untuk lalui garis isyarat dalam desain papan 10 lapisan bukanlah yang terbaik. Selain itu, penting untuk membuat lapisan isyarat bersebelahan dengan lapisan loop, iaitu, bentangan papan adalah isyarat, tanah, isyarat, isyarat, kuasa, tanah, isyarat, isyarat, tanah, dan isyarat.

Rancangan ini menyediakan laluan yang baik untuk semasa isyarat dan semasa loopnya. Strategi kawat yang betul adalah untuk melalui kawat dalam arah X pada lapisan pertama, arah Y pada lapisan ketiga, dan arah X pada lapisan keempat, dan sebagainya. Melihat pada laluan secara intuitif, lapisan pertama 1 dan lapisan ketiga adalah sepasang kombinasi lapisan, lapisan ke-4 dan ke-7 adalah sepasang kombinasi lapisan, Lapisan ke-8 dan ke-10 adalah pasangan terakhir kombinasi lapisan. Apabila perlu mengubah arah laluan, garis isyarat pada lapisan pertama patut pergi ke lapisan ketiga melalui "melalui" dan kemudian mengubah arah. Sebenarnya, mungkin tidak selalu mungkin untuk melakukan ini, tetapi sebagai konsep desain, ia mesti diikuti sebanyak mungkin.

Sama seperti, apabila arah penghalaan isyarat berubah, ia patut pergi dari lapisan ke-8 dan ke-10 atau dari lapisan ke-4 melalui vias. Kawalan ini memastikan sambungan terketat antara laluan depan isyarat dan loop. Contohnya, jika isyarat dijalurkan pada lapisan pertama dan loop dijalurkan pada lapisan kedua dan hanya pada lapisan kedua, maka isyarat pada lapisan pertama dipindahkan ke lapisan ketiga melalui "melalui". Gelung masih di lapisan kedua, supaya menyimpan ciri-ciri induksi rendah, kapasitasi besar dan prestasi perisai elektromagnetik yang baik.

Bagaimana jika kabel sebenarnya tidak seperti ini? Contohnya, garis isyarat pada lapisan pertama melalui lubang ke lapisan ke-10, kemudian isyarat loop perlu mencari pesawat tanah dari lapisan ke-9, dan arus loop mesti mencari tanah terdekat melalui (seperti pins tanah komponen seperti resistor atau kondensator). Jika ada jalan di dekat sini, awak sangat bertuah. Jika tidak terdapat begitu dekat melalui lubang tersedia, induktan akan menjadi lebih besar, kapasitas akan dikurangi, dan EMI pasti akan meningkat.

Apabila garis isyarat mesti tinggalkan pasang lapisan wayar semasa ke lapisan wayar lain melalui vias, vias tanah mesti ditempatkan dekat vias supaya isyarat loop boleh kembali ke lapisan pendaratan yang betul dengan lancar. Untuk kombinasi lapisan lapisan ke-4 dan ke-7, gelung isyarat akan kembali dari lapisan kuasa atau lapisan tanah (iaitu lapisan ke-5 atau ke-6), kerana sambungan kapasitif antara lapisan kuasa dan lapisan tanah adalah baik, dan isyarat mudah dihantar.

7. Raka lapisan kuasa berbilang

Jika dua lapisan kuasa sumber tegangan yang sama perlu keluarkan arus besar, papan sirkuit patut diletakkan dalam dua set lapisan kuasa dan lapisan tanah. Dalam kes ini, lapisan yang mengisolasi ditempatkan antara setiap pasangan kuasa dan lapisan tanah. Dengan cara ini, kita mendapatkan dua pasangan bar bas kuasa dengan impedance yang sama yang membahagi arus yang kita harapkan. Jika tumpukan lapisan kuasa menyebabkan impedance tidak sama, shunt tidak akan seragam, tenaga sementara akan jauh lebih besar, dan EMI akan meningkat dengan tajam.

Jika terdapat tenaga bekalan kuasa berbilang dengan nilai berbeza pada papan sirkuit, lapisan bekalan kuasa berbilang diperlukan sesuai dengan itu. Ingat untuk mencipta bekalan kuasa mereka sendiri dan lapisan tanah untuk bekalan kuasa yang berbeza. Dalam dua kes di atas, apabila menentukan kedudukan lapisan kuasa berpasangan dan lapisan tanah pada papan sirkuit, ingat keperluan pembuat untuk struktur yang seimbang.

8. Ringkasan

Dengan melihat fakta bahawa kebanyakan papan sirkuit yang direka oleh jurutera adalah papan sirkuit cetak tradisional dengan tebal 62 mils dan tidak buta atau dikuburkan vias, perbincangan tentang lapisan papan sirkuit dan tumpukan dalam artikel ini adalah terbatas kepada ini. Untuk papan sirkuit dengan perbezaan besar dalam tebal, skema lapisan yang disarankan dalam artikel ini mungkin tidak ideal. Selain itu, proses pemprosesan papan sirkuit dengan lubang buta atau lubang terkubur adalah berbeza, dan kaedah lapisan dalam artikel ini tidak berlaku.

Dalam rancangan papan sirkuit, kelebihan, melalui proses dan bilangan lapisan papan sirkuit PCB bukanlah kunci untuk menyelesaikan masalah. Stacking lapisan yang hebat adalah untuk memastikan bypass dan pemisahan bas kuasa, dan tekanan sementara pada lapisan kuasa atau lapisan tanah Kekunci untuk minimumkan medan elektromagnetik bagi 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. Sekarang masa naik IC sangat pendek dan akan lebih pendek, teknologi yang dibincangkan dalam artikel ini adalah penting untuk memecahkan masalah perisai EMI.