Teknik PCB - Teknik untuk tumpukan 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 pins 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 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 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 dengan kata lain, mod biasa EMI boleh dikurangkan sangat rendah. Contoh reka tumpuan lapisan PCB yang diberikan dalam artikel ini akan menganggap ruang lapisan 3 hingga 6 mils.

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.

Papan 10-lapisan

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

Jika tidak terdapat begitu dekat melalui lubang tersedia, induktan akan menjadi lebih besar, kapasitasi akan dikurangi, dan EMI pasti akan meningkat. Apabila garis isyarat mesti meninggalkan pasangan semasa lapisan kabel PCB ke lapisan kabel lain melalui vias, vias tanah mesti ditempatkan dekat vias supaya isyarat loop boleh kembali dengan lancar ke lapisan pendaratan yang betul. 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.