Дизайн PCB - Роль иерархической компоновки PCB в подавлении EMI

Существует множество способов решения проблемы EMI. Современные методы подавления EMI включают в себя: использование ингибирующего покрытия EMI, выбор подходящего ингибирующего компонента EMI и моделирование EMI. В этой статье, начиная с самой базовой компоновки PCB, обсуждается роль и методы проектирования стратифицированной компоновки PCB для управления излучением EMI.

Электрическая шина

Надлежащее размещение конденсаторов соответствующей емкости вблизи штуцера питания IC позволяет быстро изменять выходное напряжение IC. Однако на этом проблема не заканчивается. Из - за ограниченной частотной реакции конденсатора конденсатор не может генерировать гармоническую мощность, необходимую для чистого управления выходом IC в полной полосе частот. Кроме того, переходное напряжение, образующееся на шине питания, будет формировать перепад давления на индуктивности развязанного пути, который является основным источником помех EMI. Как нам решить эти проблемы?

Что касается IC на наших платах, энергетический слой вокруг IC можно рассматривать как превосходный высокочастотный конденсатор, который собирает часть энергии, утекающей из дискретных конденсаторов, обеспечивая высокочастотную энергию для очистки выходной мощности. Кроме того, индуктивность в хорошем энергетическом слое должна быть меньше, поэтому переходные сигналы, синтезированные индуктивностью, также меньше, что снижает конформный EMI.

Конечно, соединение между силовым слоем и штырем питания IC должно быть как можно короче, так как цифровой сигнал поднимается все быстрее и быстрее, и лучше всего подключиться непосредственно к сварному диску, где находится штырь питания IC. Это требует отдельного обсуждения.

Для управления симмодальным ЭМИ плоскость мощности должна помочь в развязке и иметь достаточно низкую индуктивность. Эта динамическая плоскость должна быть хорошо продуманной динамической плоскостью. Кто - то может спросить, насколько это хорошо? Ответ на этот вопрос зависит от расслоения источника питания, материала между слоями и рабочей частоты (т.е. функции времени восхождения IC). Обычно интервал между силовыми слоями составляет 6 миль, промежуточный слой - материал FR4, а эквивалентная емкость на квадратный дюйм силового слоя составляет около 75 pF. Очевидно, что чем меньше расстояние между слоями, тем больше емкость.

Устройств с временем подъема от 100 до 300ps немного, но при нынешних темпах разработки IC устройства с временем подъема в диапазоне от 100 до 300ps будут составлять значительную долю. Для схем со временем подъема от 100 до 300ps расстояние между слоями 3mil больше не будет работать для большинства приложений. В то время требовалась стратификация с интервалом между слоями менее 1 метра и замена диэлектрических материалов FR4 на материалы с высокой диэлектрической константой. В настоящее время керамические и керамические пластмассы могут соответствовать требованиям проектирования цепей времени подъема от 100 до 300 с.

В то время как новые материалы и методы могут быть использованы в будущем, для схем восходящего времени от 1 до 3ns, интервалов между слоями от 3 до 6mil и диэлектрических материалов FR4, распространенных сегодня, обычно достаточно, чтобы обрабатывать высокопроизводительные гармоники и делать переходные сигналы достаточно низкими, то есть конформный EMI может быть уменьшен очень низко. Пример конструкции слоя PCB, приведенный в этой статье, предполагает расстояние между слоями от 3 до 6 футов уха.

Электромагнитная защита

С точки зрения сигнального следа, хорошей стратификационной стратегией должно быть размещение всех сигнальных следов на одном или нескольких слоях, которые находятся рядом с силовым или заземленным слоем. Хорошая стратификационная стратегия для источника питания должна заключаться в том, чтобы слой питания находился рядом с заземленным слоем и чтобы расстояние между слоем питания и заземлением было как можно меньше. Это то, что мы называем "стратифицированной" стратегией.

Пакет PCB

Какие стратегии стека помогают блокировать и подавлять EMI? Следующая схема стратификации предполагает, что ток питания течет в одном слое и что одно или несколько напряжений распределены между различными частями одного и того же слоя. Далее будет обсуждаться ситуация с несколькими уровнями мощности.

4 Слоны

Существует несколько потенциальных проблем с дизайном четырех слоев. Во - первых, традиционная четырехслойная пластина толщиной 62 м, даже если сигнальный слой находится на внешнем слое, а силовой слой и заземление - на внутреннем слое, расстояние между силовым слоем и заземлением все еще слишком велико.

Если требования к стоимости стоят на первом месте, вы можете рассмотреть следующие две традиционные альтернативы 4 - слоистой пластине. Оба решения могут улучшить ингибирующие свойства EMI, но только для приложений с достаточно низкой плотностью компонентов на панели и достаточной площадью вокруг компонентов (размещение требуемого медного слоя питания).

Первый - предпочтительное решение. Внешний слой PCB - это заземление, а два промежуточных слоя - слой сигнала / питания. Источники питания на сигнальном слое используют широкополосную проводку, которая может сделать сопротивление пути электрического тока ниже, а сопротивление пути микрополосы сигнала ниже. С точки зрения управления EMI, это лучшая четырехуровневая структура PCB в настоящее время. Во втором варианте внешний слой использует питание и заземление, а средний слой использует сигнал. Улучшения были меньше по сравнению с традиционными 4 - слойными пластинами, а сопротивление между слоями было таким же плохим, как и у традиционных 4 - слойных пластин.

Если вы хотите контролировать сопротивление трассировки, вышеупомянутая схема укладки должна быть очень осторожной, чтобы разместить трассу под источником питания и заземленным медным островом. Кроме того, медные острова на источнике питания или заземлении должны быть как можно более взаимосвязаны, чтобы обеспечить соединение постоянного тока и низкой частоты.

6 Слоны

Если плотность компонентов на 4 - слойной пластине относительно высока, то 6 - слойная пластина лучше всего. Тем не менее, некоторые схемы укладки в 6 - слойной конструкции недостаточны для защиты электромагнитного поля и мало влияют на снижение переходных сигналов от шины питания.

Общие высокопроизводительные 6 - слойные конструкции обычно используют первый и шестой слои в качестве заземления, а третий и четвертый слои используются для питания и заземления. Поскольку между силовым и заземленным слоями находятся два слоя с двойной микроволновой сигнальной линией, они обладают хорошей способностью подавлять EMI. Недостатком этой конструкции является то, что есть только два слоя маршрутизации. Как упоминалось ранее, если внешний след короче, а медь укладывается в область без следа, то такой же уклад может быть достигнут с использованием традиционных 6 - слойных пластин.

Другая 6 - слойная компоновка - это сигналы, заземление, сигналы, источники питания, заземление и сигналы, которые могут обеспечить среду, необходимую для усовершенствованной конструкции целостности сигнала. Сигнальный слой примыкает к заземленному слою, а силовой слой и заземление являются парами. Очевидно, что недостатком является несбалансированность стека слоев.

Обычно это создает проблемы для обрабатывающей промышленности. Решение проблемы заключается в том, чтобы заполнить все пустые участки третьего слоя медью. После заполнения меди, если плотность меди в третьем слое близка к энергетическому слою или заземлению, плата не может быть строго отнесена к структурно сбалансированным монтажным платам. Медная область должна быть подключена к источнику питания или заземлена. Расстояние между соединительными отверстиями по - прежнему составляет 1 / 20 длины волны и может не потребовать подключения повсюду, но должно быть подключено в идеальном случае.

Резюме

Толщина платы, процесс перфорации и количество слоев в конструкции платы не являются ключом к решению проблемы. Превосходная стратификация предназначена для обеспечения шунтирования и развязки шины питания и минимизации переходного напряжения на силовом слое или заземлении. А также ключ к экранированию сигналов и электромагнитных полей питания. В идеале между сигнальным маршрутизационным слоем и возвратным заземлением должен быть изолированный слой, а расстояние между парами слоев (или более пары) должно быть как можно меньше. Основываясь на этих основных концепциях и принципах, можно спроектировать платы, которые всегда отвечают требованиям дизайна. Теперь, когда IC имеет короткое время подъема и будет короче, технология, обсуждаемая в этой статье, имеет решающее значение для решения проблемы защиты EMI.