Teknik PCB - Analisis peran reka pencetakan lapisan papan sirkuit 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. Mulai dari bentangan PCB yang paling asas, artikel ini membincangkan peran dan teknik desain tumpukan lapisan papan sirkuit PCB dalam mengawal radiasi EMI.

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?

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 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 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 dan lapisan tanah disebelah, dan jarak antara lapisan kuasa dan lapisan tanah adalah sebanyak yang 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 dikedarkan dalam bahagian berbeza lapisan yang sama. Kasus pelbagai lapisan kuasa akan dibahas nanti.

Papan 4 lapisan

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 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.