PCB Блог - Роль укладки пластин PCB в радиационном контроле EMI

Эта статья начинается с базовой компоновки панелей PCB и обсуждает роль и методы проектирования слоя PCB для управления эмиссией EMI.

Электрическая шина

Разумное 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 конденсаторов это не позволяет им генерировать гармоническую мощность, необходимую для чистого привода IC - вывода в полной полосе частот. Кроме того, переходное напряжение, генерируемое на шине питания, будет генерировать перепады давления на индуктивность развязанного пути, который является основным источником интерференций EMI в симмодальном режиме. Как нам решить эти проблемы? В случае с IC на нашей панели, плоскость питания вокруг IC может считаться хорошим высокочастотным конденсатором, который собирает энергию, вытекающую из дискретных конденсаторов, которые обеспечивают высокочастотную энергию для чистого выхода. Кроме того, хороший слой питания должен иметь меньшую индуктивность, что делает переходные сигналы, синтезированные индуктивностью, меньшими, тем самым уменьшая конформный EMI. Конечно, соединение от слоя питания к штырю питания IC должно быть как можно короче, так как цифровой сигнал поднимается все быстрее и быстрее, и он подключается непосредственно к сварному диску, где находится штырь питания IC, что будет обсуждаться отдельно.

Для управления симмодальным ЭМИ плоскость мощности должна быть парой хорошо спроектированных плоскостей мощности, чтобы облегчить развязку и иметь достаточно низкую индуктивность. Кто - нибудь 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. Не так много устройств, которые поднимаются от 100 до 300ps, но при нынешних темпах развития IC значительная доля устройств, которые поднимаются в диапазоне от 100 до 300ps. Для схем со временем подъема от 100 до 300ps расстояние между слоями 3mil больше не будет работать для большинства приложений. В то время необходимо было использовать технологию стратификации с интервалом между слоями менее 1 мили и заменить диэлектрические материалы FR4 очень высокой диэлектрической константой. В настоящее время керамика и керамика могут удовлетворять требованиям к проектированию цепей времени подъема от 100 до 300ps. Хотя в будущем могут быть использованы новые материалы и методы, для современных схем восходящего времени от 1 до 3ns, интервалов между слоями от 3 до 6mil и диэлектрических материалов FR4, как правило, достаточно, чтобы обрабатывать гармоники высокого класса и поддерживать переходный процесс на достаточно низком уровне. Пример конструкции слоя PCB, приведенный в этой статье, предполагает расстояние между слоями от 3 до 6 футов уха.

Электромагнитная защита

С точки зрения маршрутизации сигнала хорошей стратификационной стратегией должно быть размещение всех сигнальных линий на одном или нескольких уровнях рядом с плоскостью питания или заземления. Хорошая стратификационная стратегия для электричества должна заключаться в том, чтобы электрический слой находился рядом с наземным слоем и чтобы расстояние между силовым слоем и наземным слоем было как можно меньше, и это то, что мы называем « стратификацией».

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 распределяются между различными частями одного слоя. Далее будет обсуждаться ситуация с несколькими уровнями мощности.

4 Слоны

Существует несколько потенциальных проблем с дизайном четырех слоев. Во - первых, для традиционных четырехслойных пластин толщиной 62 м расстояние между силовым слоем и заземленным слоем все еще слишком велико, даже если сигнальный слой находится на внешнем слое, а силовой слой и заземление - на внутреннем слое. Оба решения могут улучшить ингибирующую способность EMI, но только при условии, что плотность компонентов на панели достаточно низкая, а вокруг компонентов достаточно места (расположение требуемого медного слоя питания). Внешний слой PCB является заземленным, а средний слой - сигнальным / энергетическим. Источники питания на сигнальном слое оснащены широкополосной проводкой, что делает сопротивление пути тока питания низким, а сопротивление пути микрополосы сигнала низким. С точки зрения управления EMI, это существующая 4 - уровневая структура PCB. Во втором варианте внешний слой получает электричество и заземление, а средний слой принимает сигнал. По сравнению с традиционными 4 - слойными пластинами эта схема менее улучшена, а межслойное сопротивление так же плохо, как и у традиционных 4 - слойных пластин. Если вы хотите контролировать сопротивление линии следа, вышеупомянутая схема укладки требует очень осторожной проводки линии следа под источником питания и заземленным медным островом. Кроме того, медные острова на плоскости электропитания или заземления должны быть как можно более тесно связаны друг с другом, чтобы обеспечить соединение постоянного тока и низкой частоты.

6 Слоны

Если плотность элементов на 4 - слойной пластине относительно высока, то используется 6 - слойная пластина. 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. Ниже рассматриваются два примера. В первом примере питание и заземление размещаются на втором и пятом уровнях соответственно. Из - за высокого сопротивления медного покрытия источника питания управление комбинированным излучением EMI очень неблагоприятно. Однако, с точки зрения управления сопротивлением сигнала, этот метод очень правилен. Второй пример помещает питание и заземление на третий и четвертый уровни соответственно. Конструкция решает проблему сопротивления медной оболочки источника питания. Из - за плохих характеристик электромагнитной защиты первого и шестого слоев дифференциальный EMI увеличивается. Если количество сигнальных линий на обоих внешних слоях невелико, а длина следа коротка (короче 1 / 20 длины гармонической волны сигнала), эта конструкция может решить проблему дифференциального EMI. Ингибирование дифференциального EMI особенно хорошо, заполняя нефунтовые и непроходимые участки на внешнем слое медью и заземлением покрытой медью области (интервал на 1 / 20 длины волны). Как упоминалось ранее, медная область должна быть соединена с внутренней плоскостью заземления в нескольких точках. Общие высокопроизводительные 6 - слойные конструкции обычно размещают 1 - й и 6 - й этажи в качестве заземления, 3 - й и 4 - й этажи для получения электричества и заземления. Поскольку между плоскостью питания и плоскостью заземления есть два промежуточных слоя двухполосной сигнальной линии, эффект подавления EMI превосходен. Недостатком этого дизайна является то, что есть только два слоя следов. Как упоминалось ранее, если внешняя линия следа коротка, а медь размещена в зоне без следа, то такая же укладка может быть достигнута с помощью традиционной шестислойной пластины. Другая 6 - слойная компоновка - это сигналы, заземление, сигналы, питание, заземление и сигналы, которые обеспечивают среду, необходимую для проектирования целостности сигнала. Сигнальный слой примыкает к плоскости заземления, а плоскость питания и плоскость заземления спариваются. Очевидно, что неблагоприятной стороной является несбалансированность слоев. Это обычно создает проблемы в производстве. Решение проблемы заключается в том, чтобы заполнить все пустые участки третьего слоя медью. Если плотность меди в третьем слое после заполнения меди приближается к силовому слою или заземлению, пластина может быть грубо 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, не обязательно везде, но в идеале должно быть соединение.

10 Слоны

Поскольку изоляция между многослойными пластинами очень тонкая, сопротивление между 10 или 12 слоями очень низкое, и до тех пор, пока нет проблем с расслоением и укладкой, можно ожидать хорошей целостности сигнала. Изготовление 12 - слойной пластины толщиной 62 м сложнее, и не так много производителей, способных обрабатывать 12 - слойную пластину. Поскольку между сигнальным и кольцевым слоями всегда есть изоляционный слой, решение, которое выделяет шесть промежуточных слоев для маршрутизации сигнальных линий в 10 - слойной конструкции, не так. Точно так же важно, чтобы сигнальный слой примыкал к слою кольца, то есть компоновка доски - это сигнал, заземление, сигнал, питание, заземление, сигнал, сигнал, земля, сигнал. Эта конструкция обеспечивает хороший путь для сигнального тока и его кольцевого тока. Подходящей стратегией маршрутизации является маршрутизация первого слоя по направлению X, третьего слоя по направлению Y, четвертого слоя по направлению X и так далее. Интуитивно видно, что слои 1 и 3 - это пара слоёв, слои 4 и 7 - пара слоёв, а слои 8 и 10 - последняя пара слоёв. Когда необходимо изменить направление линии следа, сигнальная линия на первом слое должна « пробить» отверстие к третьему слою, а затем изменить направление. На практике это может быть не всегда возможно, но как конструкция, концепция пытается придерживаться его. Точно так же, когда направление маршрута сигнала меняется, это должно быть перфорация с 8 - го и 10 - го слоев или с 4 - го на 7 - й уровень. Этот маршрут обеспечивает тесную связь между прямым и обратным путями сигнала. Например, если сигнал идет по первому слою, а петля - по второму и только по второму, то, даже если сигнал первого слоя достигает третьего слоя через « перфорацию», петля остается на втором уровне, сохраняя низкую индуктивность, высокую емкость и хорошие характеристики электромагнитной защиты. А если это не так? Например, сигнальная линия на первом уровне проходит через отверстие до десятого уровня. На этом этапе сигнал кольца должен найти плоскость заземления с девятого слоя, а ток кольца должен найти ближайшее заземление через отверстие (например, заземление таких компонентов, как резистор или конденсатор). Если у вас есть такой проход поблизости, вам действительно повезло. Без этой плотной перфорации индуктивность увеличивается, емкость уменьшается, и EMI, безусловно, увеличивается. Когда сигнальная линия должна выйти из текущей пары проводов через отверстие в другой проводной слой, заземляющее отверстие должно быть размещено вблизи отверстия, чтобы сигнал кольцевой линии мог плавно вернуться в соответствующий заземленный слой. Для комбинации 4 - го и 7 - го слоев сигнальная петля возвращается из силового или заземленного слоя (т. е. 5 - го или 6 - го уровня), поскольку конденсаторная связь между силовым и заземленным слоями хороша, и сигнал легко передается.

Дизайн нескольких уровней питания.

Если две плоскости питания одного и того же источника напряжения требуют выхода большого тока, монтажная плата должна быть расположена в двух наборах плоскостей питания и плоскости заземления. В этом случае изоляционный слой помещается между каждой парой плоскостей питания и плоскостью заземления. Таким образом, мы получаем две пары силовых шин с равным сопротивлением, и мы ожидаем, что ток будет разделен поровну. Если сложение плоскости мощности создает неравное сопротивление, шунт будет неравномерным, переходное напряжение будет намного больше, и EMI резко возрастет. Если на панели есть несколько источников напряжения с различными значениями, требуется несколько плоскостей питания, не забывайте создавать свои собственные парные источники питания и плоскости заземления для разных источников питания. В обоих случаях, при определении места расположения панели с питанием и плоскостью заземления, помните требования производителя к балансировочной структуре.

Резюме

Учитывая, что большинство инженеров спроектировали пластину как традиционную печатную плату толщиной 62 метра без слепых отверстий или погруженных перфораций, обсуждение расслоения и укладки пластины ограничивается этим. Для листов с слишком большой разницей в толщине схема стратификации, рекомендованная в этой статье, может быть не идеальной. Кроме того, обработка платы со слепыми или погребенными отверстиями отличается, и метод стратификации в этой статье не применяется. Толщина платы, процесс перфорации и количество слоев в конструкции платы не являются ключом к решению проблемы. Хорошая стратификация предназначена для обеспечения шунтирования и развязки шины питания, так что переходное напряжение на плоскости питания или плоскости заземления не влияет. Ключ к экранированию сигналов и электромагнитного поля питания. В идеале между сигнальным следом и его 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 разработать PCB - платы, которые всегда отвечают требованиям дизайна. Теперь, когда время роста IC становится все короче и короче, технологии, обсуждаемые в этой статье, имеют решающее значение для решения проблемы защиты EMI.