Teknik PCB - Guna stacking lapisan PCB untuk mengawal radiasi 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 membahas peran dan teknik desain penumpang lapisan 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 titik tekanan di seluruh induktan laluan pemisahan, dan tekanan sementara ini adalah sumber gangguan EMI mod umum utama.

Untuk IC pada papan sirkuit, 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 dibincangkan 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.

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".

Strategi pengumpulan apa untuk pengumpulan PCB membantu 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

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. 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 kuasa yang diperlukan). Pertama adalah penyelesaian yang disukai. Lapisan luar 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 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. 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 impedance 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 pada 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, 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 10-lapisan

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 menghasilkan papan 12 lapisan dengan tebal 62mil, dan tidak banyak pembuat yang boleh memproses papan 12 lapisan.

Ralat lapisan berkuasa 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.

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.