PCB Блог - Электромагнитная совместимая конструкция многослойной печатной платы

В печатных платах очень важно учитывать электромагнитную совместимость (ЭМС) на этапе проектирования схемы. Пример 12 Слоёв, метод наслоения, правила разводки, схема заземления и линии электропередач, электромагнитная совместимость. электромагнитная совместимость - Новая комплексная дисциплина, изучающая в основном электромагнитные помехи и проблемы защиты от помех. электромагнитная болезнь означает, что при заданном уровне электромагнитной среды индекс работоспособности электронного оборудования или систем не будет снижаться из-за электромагнитных помех, а генерируемое ими электромагнитное излучение не превышает предельно допустимого уровня, что не влияет на нормальную работу других систем. А для достижения цели невмешательства между оборудованием и оборудованием, системой и системой, обычная надёжная работа. Электромагнитные помехи (EMI) вызваны тем, что источник электромагнитных помех передает энергию чувствительной системе через тракт связи. Она состоит из трех основных форм: проводная проводимость и общественное обнаружение, космическое излучение или связь в ближнем поле. Практика доказала, что даже если схема схем правильно выбрана, Таким образом, обеспечение электромагнитной печатной платой является ключом к проектированию всей системы. В этой статье в основном обсуждается электромагнитная совместимость. технология и ее применение в проектировании многослойных печатных плат.

Печатная плата - это поддержка компонентов схемы и устройств в электронных продуктах. Он обеспечивает электрические соединения между компонентами схемы и устройствами и является основным компонентом различных электронных устройств. В настоящее время в электронной аппаратуре широко применяются крупногабаритные и сверхкрупногабаритные интегральные схемы, а плотность монтажа компонентов на печатных платах становится все выше и выше, а скорость передачи сигналов все быстрее и быстрее. Вопросы ЭМС также становятся все более и более заметными. Печатные платы делятся на односторонние (однослойные платы), двухсторонние (двухслойные платы) и многослойные платы. Платы с односторонними и двухсторонними схемами обычно используются для монтажа проводов с низкими значениями и высокими значениями, а также для схем с низкими значениями, С точки зрения электромагнитной совместимости односторонние и двусторонние схемы не подходят для высокоскоростных цепей, а односторонняя и двусторонняя проводка больше не может удовлетворять требованиям высокопроизводительных схем, и разработка мульти Схемы многослойных проводок позволяют решить указанные выше проблемы. Приложения получают все большее распространение.

1. Характеристики многослойной проводки

Печатная плата состоит из органических и неорганических диэлектрических материалов с многослойной структурой. соединение между слоями осуществляется через отверстие, а проведение электрического сигнала между слоями может быть достигнуто за счет покрытия или заполнения отверстий металлическими материалами. Причина, по которой многослойная проводка широко используется, имеет следующие характеристики:

(1) Внутри многослойной платы имеется специальный слой источника питания и слой заземляющего провода. Уровень источника питания можно использовать в качестве шумовой петли для уменьшения помех; в то же время, силовой слой также использует схему для всех сигналов системы, чтобы устранить нарушение связи с нарушением сопротивления. сопротивление линии питания понизилось, тем самым уменьшая помехи общего импеданса.

(2) Многослойная плата использует специальный заземляющий слой, который имеет специальный заземляющий провод для всех сигнальных линий. Характеристики сигнальной линии: импеданс стабилен и легко согласуется, что уменьшает искажение формы сигнала, вызванное отражением; при этом используется специальный заземляющий провод. Линейный слой увеличивает распределенную емкость между сигнальной линией и линией заземления, уменьшает помехи.

2. Ламинирование печатных плат

2.1 Правила подключения печатной платы

Анализ электромагнитной совместимости многослойных печатных плат может быть основан на законе Кирхгофа и законе электромагнитной индукции Фарадея. Согласно закону Кирхгофа, любая передача сигнала во временной области от источника к нагрузке должна иметь импедансный тракт. многослойная панель печатной платы обычно используется в высокоскоростных схемах, высокопроизводительных системах, где несколько слоев используются для питания постоянного тока (DC) или опорных плоскостей заземления. Эти плоскости обычно представляют собой сплошные плоскости без каких-либо делений, поэтому нет необходимости помещать разные напряжения постоянного тока на один и тот же слой. Этот слой будет служить текущим обратным путем для сигналов на соседних с ними линиях передачи. Создание пути обратного тока с низким импедансом является важной целью ЭМС для этих плоских слоев. накопления сигнального слоя между базовыми поверхностями слоя, и они могут быть как симметричными полосковыми, так и асимметричными полосковыми. Возьмите 12-слойную плату в качестве примера, чтобы проиллюстрировать структуру и компоновку многослойной платы. Его иерархическая структура такова: Т-П-С-П-С-П-С-П-С-С-П-В, «Т» — верхний слой, «П» — опорный слой, С — сигнальный слой, «В» — нижний слой. с самого верха - первый этаж., второй слой, А двенадцатый этаж. Верхний и нижний слои используются в качестве контактных площадок для компонентов, и сигналы не должны проходить слишком долго по верхнему и нижнему слоям, чтобы уменьшить прямое излучение от дорожек. Несовместимые сигнальные линии должны быть изолированы друг от друга, цель чего состоит в том, чтобы избежать интерференции друг с другом. Высокочастотные и низкочастотные, большие и малые токи, цифровые и аналоговые сигнальные линии несовместимы. в компоновке компонентов несовместимые компоненты должны быть размещены в разных местах на печатной плате, схема линии сигнала по-прежнему необходима. Позаботьтесь об их изоляции. расчетное время, обратите внимание на следующие 3 вопроса:

(1) Определите, какой слой опорной плоскости будет содержать несколько областей мощности для разных напряжений постоянного тока. Это означает, что проектировщики должны держать высокоскоростные сигналы как можно дальше от слоя 10 и нижнего слоя. этаже и требуются прошивочные конденсаторы, 3-й, 5, 7 и 9 - сигнальный слой высокоскоростных сигналов соответственно. Трассы важных сигналов должны быть направлены как можно больше в одном направлении, чтобы оптимизировать возможное количество каналов трассировки на слое. Трассы сигналов, распределенные по разным слоям, должны быть перпендикулярны друг другу, чтобы уменьшить помехи связи между линиями и полями. 3-й и 7-й слои могут быть установлены как трассы «восток-запад», а 5-й и 9-й слои могут быть установлены как трассы «восток-запад». линия Север - Юг. На какой слой маршрутизируется трасса, зависит от направления, в котором она достигает пункта назначения.

(2) Изменения уровня при маршрутизации высокоскоростных сигналов, а также то, какие уровни используются для независимой маршрутизации, обеспечение того, чтобы ток обратного течения двигался с одной опорной стороны к требуемой новой базисной производительности. Это должно уменьшить площадь сигнального контура и уменьшить токовое излучение дифференциального режима и токовое излучение синфазного режима контура. передаточное представление механизма тока и контура контура. На самом деле конструкция не требует, чтобы обратный ток менял опорную плоскость, а просто переходил с одной стороны опорной плоскости на другую. например, в качестве пары сигнальных слоев можно использовать комбинацию слоев сигнала: уровень 3 и уровень 5, уровень 5 и уровень 7, уровень 7 и уровень 9, которые позволяют направлениям восток-запад и север-юг формировать комбинацию проводки. . Но комбинацию слоев 3 и 9 использовать не следует, так как это требует протекания обратного тока из слоя 4 в слой 8. Развязку конденсатора можно установить около проходного отверстия, на высоких частотах конденсатор становится бесполезным из-за наличия свинца и переходных отверстий. индуктивность. А такая разводка увеличит площадь сигнального шлейфа, что невыгодно для уменьшения токов излучения.

(3) Выберите напряжение постоянного тока для слоя базовой плоскости. В этом примере много шума на опорных контактах питания/земли из-за высокой скорости обработки сигнала внутри процессора. Поэтому очень важно, чтобы процессор имел высокую плотность напряжения с помощью развязывающего конденсатора, и широко использует быстро развязывающий конденсатор. Способ уменьшить индуктивность этих компонентов состоит в том, чтобы дорожки соединения были как можно короче и шире, а переходные отверстия были как можно короче и толще. Если слой 2 назначен как «земля», а слой 4 назначен как питание для процессора, переходные отверстия должны быть как можно короче от верхнего слоя, где расположены процессор и развязывающие конденсаторы. Оставшаяся пустота, простирающаяся до нижнего слоя платы, не содержит значительного тока, и короткое расстояние не оказывает антенного эффекта.

2.2 Правило 20-H и правило 3-W

При проектировании электромагнитной совместимости многослойных печатных плат существует два основных принципа для определения расстояния между слоем питания и краем многослойной платы и определения расстояния между печатными полосами: правило 20-H и правило 3-W. Принцип 20-H: РЧ-ток обычно существует на краю силовой плоскости из-за связи между магнитными потоками. Эта связь между слоями называется краевым эффектом. При использовании высокоскоростной цифровой логики и тактовых сигналов силовые плоскости будут взаимодействовать друг с другом. связанный высокочастотный ток. Чтобы уменьшить этот эффект, физический размер плоскости питания должен быть по крайней мере на 20H меньше, чем физический размер рядом с плоскостью заземления (H — расстояние между плоскостью питания и плоскостью заземления), а краевой эффект питания обычно происходит около 10ч. Заблокировано около 10% магнитного потока, если вы хотите довести до 98% заблокированного потока, вам необходимо граничное значение 100%. Правило 20-H определяет физическое расстояние между силовой плоскостью и ближайшей заземляющей плоскостью, толщину меди, включая предварительное заполнение, изоляционный слой. Использование 20-H может увеличить резонансную частоту самой печатной платы.

Краевые радиочастотные эффекты на печатных платах

Правило 3-W: когда расстояние между двумя печатными линиями мало, между двумя линиями возникнут перекрестные электромагнитные помехи, что приведет к неисправности соответствующей схемы. Чтобы избежать этой помехи, расстояние между любыми линиями должно быть выдержано не менее чем в 3 раза. Толщина строки, Тоесть, не менее 3W (W - ширина печатных строк). Ширина напечатанной линии зависит от требований к импедансу линии, слишком широкая повлияет на плотность проводки, слишком узкая повлияет на целостность и силу сигнала, передаваемого на терминал. Разводка тактовых цепей, дифференциальных пар и портов ввода-вывода — все это основные прикладные объекты принципа 3-W. Принцип 3-W представляет собой только границу линии электромагнитного потока, где энергия перекрестных помех ослабляется на 70%. Если требования выше, например, граничная линия электромагнитного потока, которая гарантирует ослабление энергии перекрестных помех на 98%, необходимо использовать интервал 10 Вт.

2.3 Схема заземляющего провода

Прежде всего, чтобы установить понятие распределенных параметров, превышение частоты, любой металлический провод следует рассматривать как устройство, состоящее из сопротивления и индуктивности. Следовательно, заземляющий провод имеет определенный импеданс и представляет собой электрическую петлю, будь то одноточечное заземление или многоточечное заземление. типичная траектория траектории длинной 25 мм показывает индуктивность около 15 - 20 мА, а наличие распределенной емкости образует резонансный контур между заземляющей пластиной и стойкой для оборудования. Во-вторых, когда ток заземления протекает через заземляющий провод, возникают эффекты линии передачи и эффекты антенны. Когда длина линии составляет 1/4 длины волны, она показывает высокий импеданс, наблюдаемие природы открытия, и заземляющий провод становится антенной, излучающей наружу, а заземляющая пластина полна высокочастотных токов и вихревых токов, образованных возмущением. . Поэтому между точками заземления образуется много петель, и диаметр этих петель (или расстояние между точками земли) должен быть меньше 1/20 длины волны частоты. Выбор правильного устройства является важным фактором успеха проекта, особенно при выборе логического устройства, старайтесь выбирать логическое устройство с временем нарастания более 5 нс и никогда не выбирайте логическое устройство с более быстрой временной последовательностью, чем схема. требует.

2.4 Расположение шнуров питания

Для многослойных плат для питания используется структура «слой-земля» источника питания. Волновое сопротивление этой структуры намного меньше, чем у дорожковой пары, Может быть меньше 1. Эта структура имеет определенную емкость, и нет необходимости добавлять высокочастотные развязывающие конденсаторы рядом с каждым интегрированным чипом. Даже если емкости многослойного конденсатора недостаточно, когда требуется внешний развязывающий конденсатор, его не следует добавлять рядом с интегральной микросхемой, а можно добавить в любом месте печатной платы. Контакты питания и заземления встроенного чипа могут быть напрямую подключены к слою питания и слою заземления через металлизированные сквозные отверстия, поэтому петля питания всегда присутствует. Из-за принципа «ток всегда идет по пути импеданса» высокочастотный обратный поток на земле всегда следует по трассе, если только нет зазора в земле, который блокирует его, поэтому сигнальная петля всегда существует. Можно видеть, что структура силовой слой-земля имеет преимущества простой и гибкой компоновки и хорошей электромагнитной совместимости по сравнению с источником питания рельсовой пары.

3. Заключение

Короче говоря, при разработке многослойных печатных плат сборка должна быть помещена в блоки для предотвращения интерференции между нагрузками; высокоскоростная частота должна быть разумно расположена, чтобы избежать помех через электрическое поле или магнитное поле связи с другими цепями; помехи в связи с сопротивлением с включением; площадь контура питания должна быть в Соединенном Королевстве неограниченного размера, а контуры питания различных источников питания не должны перекрываться, чтобы избежать связи по магнитному полю; несовместимые сигнальные линии должны быть изолированы друг от друга, чтобы избежать интерференции; Небольшая площадь сигнального контура для уменьшения излучения контура и синфазного излучения на печатной плате.