Новости PCB - Конструкция проводки на основе технологии электромагнитной совместимости

Метод проектирования PCB для многослойной монтажной платы на основе технологии электромагнитной совместимости (EMC) - это новая всеобъемлющая дисциплина, которая в основном изучает электромагнитные помехи и проблемы помех. Электромагнитная совместимость означает, что электронное оборудование или система не снижают показатели производительности из - за электромагнитных помех при заданном уровне электромагнитной среды, создавая электромагнитное излучение, не превышающее предельного уровня, не влияя на нормальную работу других систем. Достижение цели невмешательства между оборудованием и оборудованием, системой и системой и надежной совместной работы. Электромагнитные помехи (ЭМИ) вызваны передачей энергии от источника электромагнитных помех к чувствительной системе по пути связи. Он включает в себя три основные формы: проводимость через провода и общие наземные линии, а также связь через космическое излучение или ближнее поле. Практика доказала, что даже если принципиальная схема схемы спроектирована правильно, неправильная конструкция печатной платы может негативно повлиять на надежность электронного оборудования. Поэтому обеспечение электромагнитной совместимости печатных плат является ключом к проектированию всей системы. В этой статье основное внимание уделяется технологии электромагнитной совместимости и ее применению при проектировании многослойных печатных плат (PCB). Об этом сообщает Shenzhen Honglijie Electronics!

Плата PCB - это поддержка элементов цепи и устройств в электронике. Он обеспечивает электрическое соединение между компонентами схемы и оборудованием и является самым основным компонентом различных электронных устройств. В настоящее время крупномасштабные и сверхмассивные интегральные схемы широко используются в электронных устройствах, плотность установки элементов на печатных платах становится все выше и выше, а скорость передачи сигнала становится все быстрее и быстрее. Проблема EMC становится все более очевидной. PCB имеет одну панель (однослойную), двухстороннюю (двухслойную) и многослойную. Однопанельные и двойные пластины обычно используются для проводных схем средней и низкой плотности и низкоинтегральных схем, а многослойные пластины используют проводки высокой плотности и высокоинтегральные схемы. С точки зрения электромагнитной совместимости, односторонние и двухсторонние платы не подходят для высокоскоростных схем. Односторонняя и двухсторонняя проводка больше не отвечает требованиям высокопроизводительных цепей. Разработка многослойных кабельных схем открывает возможности для решения вышеуказанных проблем. Их применение становится все более широким.

Особенности многослойной проводки

ПХБ состоит из органических и неорганических диэлектрических материалов и имеет многослойную структуру. Связь между слоями осуществляется через сквозные отверстия. Проникающие отверстия покрыты или заполнены металлическими материалами для обеспечения передачи электрических сигналов между слоями. Причина, по которой многослойная проводка широко используется, имеет следующие характеристики:

(1) В многослойной пластине имеется специальный слой питания и заземление. Мощный слой может использоваться в качестве шумового кольца для уменьшения помех; В то же время, слой питания также обеспечивает петлю для всех сигналов в системе, чтобы устранить помехи связи с общественным сопротивлением. Уменьшите сопротивление линии электропитания, тем самым уменьшая помехи общественного сопротивления.

(2) В многослойных пластинах используется специальный заземленный слой, и все сигнальные линии имеют специальные заземленные линии. Характеристики сигнальных линий: сопротивление стабильно, легко согласуется, уменьшает искажения формы волны, вызванные отражением; В то же время использование специального заземления увеличивает распределенную емкость между сигнальными линиями и линиями земли и уменьшает последовательные помехи.

2 Ламинирование печатных плат

2.1 Правила проводки PCB

Анализ электромагнитной совместимости многослойных плат может основываться на законе Кирхгофа и законе электромагнитной индукции Фарадея. Согласно закону Кирхгофа, любой сигнал временной области от источника к нагрузке должен иметь путь с наименьшим сопротивлением.

Многоуровневые PCB обычно используются в высокоскоростных и высокопроизводительных системах, в которых многослойные используются в источниках питания постоянного тока (DC) или в референсных плоскостях заземления. Эти плоскости обычно представляют собой сплошные плоскости без какого - либо разделения, так как существует достаточно слоев для питания или заземления, поэтому нет необходимости накладывать различное напряжение постоянного тока на один и тот же слой. Этот слой будет использоваться в качестве пути возврата тока сигнала на соседней линии передачи. Построение пути возврата тока с низким сопротивлением является самой важной целью EMC для этих плоских слоев.

Сигнальный слой распределен между физическими эталонными плоскостями и может быть симметричной полосой и асимметричной полосой. Возьмем, к примеру, 12 слоёв, чтобы проиллюстрировать структуру и расположение многослойных пластин. Слоеная структура - T - P - S - P - S - P - P - S - P - P - S - S - S - S - P - B, "Т" - верхний слой, "П" - эталонный плоский слой, "С" - сигнальный слой. "Б" - самый нижний уровень. С верхнего этажа - первый, второй и двенадцатый. Верхний и нижний слои используются в качестве прокладок для компонентов. Сигнал не должен передаваться слишком долго между верхним и нижним слоями, чтобы уменьшить прямое излучение линии следа. Несовместимые сигнальные линии должны быть изолированы друг от друга. Цель состоит в том, чтобы избежать помех связи между собой. Высокочастотные и низкочастотные, большие и малые токи, цифровые и аналоговые сигнальные линии несовместимы. В компоновке элементов несовместимые элементы должны быть размещены в разных местах на печатной плате. Размещение сигнальных линий по - прежнему необходимо. Будьте осторожны, чтобы изолировать их. При проектировании учитываются следующие три вопроса:

(1) Определение того, какой эталонный плоский слой будет содержать несколько зон питания для различных напряжений постоянного тока. Предположим, что 11 - й уровень имеет несколько напряжений постоянного тока, это означает, что проектировщики должны максимально удалять высокоскоростные сигналы от 10 - го и нижнего уровней, поскольку обратный ток не может течь через опорную плоскость над 10 - м уровнем и требует соединительных конденсаторов. Слои 5, 7 и 9 являются сигнальными слоями для высокоскоростных сигналов. Следовые линии важных сигналов должны быть расположены, насколько это возможно, в одном направлении, чтобы оптимизировать количество возможных каналов на слое. Следы сигнала, распределенные по различным слоям, должны быть перпендикулярны друг другу, что уменьшает помехи связи между электрическим полем и магнитным полем между линиями. Третий и седьмой уровни могут быть установлены для направления « Восток - Запад», а пятый и девятый уровни - для направления « Север - Юг». Слой проводки зависит от направления, в котором он достигает места назначения.

(2) Изменение слоя в процессе маршрутизации высокоскоростного сигнала, а также то, какие различные слои используются для самостоятельной маршрутизации, чтобы обеспечить обратный ток от опорной плоскости к новой опорной плоскости по мере необходимости. Это делается для уменьшения площади сигнального кольца, уменьшения излучения дифференциального тока кольца и излучения конформного тока. Радиация кольца пропорциональна интенсивности тока и площади кольца. На самом деле, лучшая конструкция не требует возврата тока, чтобы изменить опорную плоскость, а просто изменить ее с одной стороны опорной плоскости на другую. Например, комбинация сигнальных слоев может использоваться в качестве пары сигнальных слоев: слой 3 и слой 5, слой 5 и слой 7, слой 7 и слой 9, что позволяет комбинировать проводку с востока на запад и с севера на юг. Однако не следует использовать комбинацию слоев 3 и 9, поскольку для этого требуется обратный ток от слоя 4 к слою 8. Хотя развязывающие конденсаторы могут быть размещены вблизи сквозных отверстий, при высоких частотах конденсаторы бесполезны из - за наличия проводов и индуктивности сквозных отверстий. Кроме того, такая проводка увеличивает площадь сигнального контура и не способствует уменьшению электрического излучения.

(3) Выберите напряжение постоянного тока для эталонного плоского слоя. В этом примере, из - за высокой скорости обработки сигналов внутри процессора, на опорных выводах питания / заземления много шума. Поэтому важно использовать развязывающие конденсаторы, чтобы обеспечить процессору такое же напряжение постоянного тока и максимально эффективно использовать развязывающие конденсаторы. Лучший способ снизить индуктивность этих компонентов - соединить как можно короче и шире следа и сделать отверстие как можно короче и толще.

Если второй слой выделен как « заземление», а четвертый - как источник питания процессора, то проходное отверстие должно быть как можно короче верхнего слоя, на котором размещен процессор и развязывающий конденсатор. Оставшееся пространство, простирающееся до нижнего слоя платы, не содержит никаких важных токов и не создает антенного эффекта на короткие расстояния. В таблице 1 приводится справочная конфигурация компоновки пакетов.

2.2 Правила 20 - H и 3 - W

При проектировании электромагнитной совместимости многослойных пластин PCB существуют два основных принципа для определения расстояния между слоем питания многослойной пластины и краем и решения расстояния между печатными полосами: правило 20 - H и правило 3 - W.

Принцип 20 - H: Радиочастотный ток обычно присутствует на краю плоскости питания из - за соединения между магнитными потоками. Эта межслойная связь называется граничным эффектом. При использовании высокоскоростной цифровой логики и часовых сигналов плоскость питания будет взаимодействовать. Связанный радиочастотный ток, как показано на рисунке 1. Чтобы уменьшить это воздействие, физический размер плоскости питания должен быть по крайней мере на 20H меньше, чем физический размер ближайшей плоскости заземления (H - расстояние между плоскостью питания и плоскостью заземления). Краевой эффект питания обычно происходит около 10H, около 20H, когда блокируется около 10% магнитного потока, для достижения 98% магнитного потока требуется 100% пограничное значение, как показано на рисунке 1. Правило 20 - H определяет физическое расстояние между плоскостью питания и ближайшей плоскостью заземления. Расстояние включает толщину меди, предварительное заполнение и изоляционный разделительный слой. Использование 20 - H может увеличить резонансную частоту самого PCB. Правило 3 - Вт: Когда расстояние между двумя печатными линиями меньше, между двумя линиями возникают электромагнитные помехи, которые приводят к сбоям в соответствующих схемах. Чтобы избежать таких помех, держите любое расстояние между строками не менее 3 - кратной ширины линии печати, то есть не менее 3 Вт (W - ширина линии печати). Ширина печатной линии зависит от требований к сопротивлению линии. Слишком широкая может повлиять на плотность проводки, слишком узкая может повлиять на целостность и интенсивность сигнала, передаваемого на терминал. Часовые схемы, дифференциальные пары и проводка портов ввода / вывода являются основными объектами применения принципа 3 - Вт. Принцип 3 - Вт представляет собой только границу линии электромагнитного потока, где энергия последовательного возмущения распадается на 70%. Если требования выше, например, граница электромагнитного потока с затуханием энергии последовательного возмущения на 98%, необходимо использовать интервал в 10 Вт.

2.3 Размещение заземленных линий

Во - первых, мы должны установить концепцию параметров распределения. Когда частота выше определенной частоты, любая металлическая проволока должна рассматриваться как устройство, состоящее из сопротивления и индуктивности. Поэтому заземление имеет определенное сопротивление, которое составляет электрический контур. Независимо от того, является ли это одноточечным или многоточечным заземлением, должен быть сформирован контур с низким сопротивлением, чтобы войти в фактическое заземление или раму. Типичная печатная линия длиной 25 мм покажет индуктивность около 15 - 20H. При наличии распределенной емкости между полами и стойками оборудования образуются резонансные схемы. Во - вторых, когда ток заземления протекает через линию заземления, возникает эффект линии передачи и эффект антенны. Когда длина линии составляет 1 / 4 длины волны, она показывает высокое сопротивление, заземление на самом деле включено, и заземление становится антенной, излучающей наружу. Наконец, соединительный пол заполнен вихрями, образованными высокочастотными токами и помехами. В результате между точками приземления образуется множество контуров. Диаметр этих колец (или расстояние между точками соприкосновения) должен быть меньше 1 / 20 от максимальной длины волны частоты. Выбор подходящего оборудования является важным фактором успеха дизайна. В частности, при выборе логического устройства выбирайте, насколько это возможно, логическое устройство, время подъема которого превышает 5 ns. Не выбирайте логические устройства с более быстрыми временными рядами, чем того требует схема.

2.4 Размещение линий электропитания

Для многослойных пластин электроэнергия подается с использованием структуры заземления силового слоя. Характерное сопротивление этой структуры намного меньше, чем характеристическое сопротивление орбитальной пары, которая может быть меньше 1 мко. Эта структура имеет определенную емкость и не требует добавления высокочастотных развязывающих конденсаторов рядом с каждым интегрированным чипом. Даже если емкость слоя конденсатора недостаточна, когда требуется внешний развязывающий конденсатор, его не следует добавлять к интегральному чипу, а можно добавлять в любое место на печатной плате. Подключатели питания и заземления интегральных чипов могут быть подключены непосредственно к силовому слою и заземлению через металлические отверстия, поэтому контур питания всегда минимален. Из - за принципа « ток всегда идет по пути наименьшего сопротивления», высокочастотный обратный поток на земле всегда близок к орбите, если только препятствие не блокирует землю, поэтому контур сигнала всегда минимален. Можно видеть, что по сравнению с баллистическим источником питания, структура силового пласта имеет преимущества простой и гибкой компоновки, хорошей электромагнитной совместимости.