Технология PCB - Лекция по проектированию EMI / EMC: печатные платы на уровне изображений (вверх)

Плоскость изображения это слой медных проводников (или других проводников),расположенный внутри печатной платы (ПП).Это может быть плоскость напряжения или опорная плоскость 0 В,примыкающая к слою печатные платы маршрутизации сигналов.В 1990-х годах широко использовалось понятие "плоскость изображения",а в настоящее время этот термин является общепринятым в промышленных стандартах.В этой статье мы рассмотрим определение,принцип действия и конструкцию плоскости изображения. EMI

Определение плоскости изображения

ВЧ-ток должен возвращаться к источнику тока по ранее заданному или другому пути, короче говоря, этот путь возврата является своего рода плоскостью изображения. Плоскость изображения может быть зеркальным отражением исходной проводки (зеркальное изображение) или другим путем, расположенным рядом, т.е. перекрестными помехами; плоскость изображения может быть плоскостью питания, плоскостью земли или свободным пространством (свободное пространство). ВЧ-ток будет подключен к любой линии передачи в виде емкости или индуктивности, если только импеданс этой линии передачи меньше импеданса ранее определенного тракта. Однако для того чтобы соответствовать стандартам ЭМС, необходимо избегать использования свободного пространства в качестве обратного пути.

Хотя односторонняя печатная плата позволяет снизить затраты, такая простая структура может не соответствовать стандартам ЭМС. Большинство двухслойных или четырехслойных печатных плат имеют относительно высокую целостность сигнала и могут пройти испытания на ЭМС. Стек печатных плат высокой плотности (многослойных плат) может обеспечить подавление радиочастотного сигнала на 6-8 дБ для каждой пары плоскостей изображения, что обусловлено эффектом устранения магнитного потока. Существует простое правило, по которому можно определить, когда следует использовать многослойную плату: Если частота превышает 5 МГц или время нарастания превышает 5 нс, то необходимо использовать многослойную плату.

Определение индуктивности

Как трассы, так и медные плоскости имеют ограниченное число индуктивностей. При подаче напряжения на трассы или линии передачи эти индуктивности будут препятствовать возникновению тока.поэтому два провода становятся несимметричными синфазными излучениями, а магнитный поток не может быть уменьшен. В структуре печатной платы существуют три различных типа индуктивности:

-частичная индуктивность: индуктивность,существующая в проводе или трассе печатной платы.

-Самоиндукция: индуктивность участка провода,в отличие от бесконечно длинного участка.

-Общая частичная индуктивность: влияние одного участка индуктивности на второй участок индуктивности.

По сравнению с емкостью и сопротивлением, индуктивность является наиболее сложной для измерения величиной. Индуктивность представляет собой динамическую характеристику замкнутого контура тока. Индуктивность это отношение магнитного потока, проходящего через замкнутый контур, и тока, создающего этот магнитный поток. Ее математическое выражение таково: Lij=Ψij/li, Ψ магнитный поток,I ток в контуре. В замкнутом контуре величина индуктивности зависит от формы и размеров контура. При проектировании печатной платы инженеры часто игнорируют индуктивность трассы. Индуктивность всегда связана с замкнутым контуром. Эффект индуктивности замкнутого контура может быть описан парциальной индуктивностью и общим парциальным эффектом индуктивности.

Частичная индуктивность

Внутренняя индуктивность проводника, создаваемая магнитным потоком внутри проводника. Сумма парциальных индуктивностей замкнутого контура равна сумме парциальных индуктивностей каждого участка, то есть. А Li каждого участка равна Ψi / li, Ψi - магнитный поток, подключенный к контуру в i-м участке, I - сила тока в i-м участке, а Li - парциальная индуктивность. Поэтому в разных контурах будут разные значения парциальной индуктивности. Нас интересует именно значение частичной индуктивности, а не общая индуктивность трассы. Кроме того, парциальная индуктивность может быть использована для получения общей парциальной индуктивности.

Общая парциальная индуктивность

Основным фактором, позволяющим плоскости изображения устранить магнитный поток, является "общая парциальная индуктивность". После устранения магнитного потока можно соединить магнитные силовые линии и найти оптимальный путь возврата радиочастотного тока. Частичная индуктивность сама по себе относится к индуктивности конкретного участка контура и не имеет никакого отношения к другим участкам контура. На рис. 1 показана частичная собственная индуктивность. Ток в контуре трассы равен I, а Lp - собственная частичная индуктивность участка трассы. Предположим, что эта трасса простирается от одного конца бесконечности до другого конца бесконечности.

Теоретически, хотя собственная индуктивность не имеет никакого отношения к соседним проводам, фактически соседние провода, находящиеся на небольшом расстоянии, будут изменять значения собственной частичной индуктивности друг друга. Это связано с тем, что один провод будет взаимодействовать с другими проводами, в результате чего распределение тока по всей длине провода перестанет быть равномерным. Особенно если отношение расстояния между двумя проводами к радиусу составляет менее 5:1, такая ситуация будет более очевидной.

Между двумя проводами будет существовать общая частичная индуктивность.Общая частичная индуктивность Mp зависит от параллельной прокладки, или расстояния (s) между участками провода. Mp - это отношение "магнитного потока, создаваемого током в первом проводе (до дальнего места через второй провод)" и "тока, создаваемого первым проводом". На рис. 2 показана обычная частичная индуктивность. Ее эквивалентная схема показана на рис. 3, а математическое выражение этой схемы выглядит следующим образом:

Диаграмма 2 общая частичная индуктивность

Теперь, имея представление об общей частичной индуктивности, рассмотрим передачу сигнала по цепи рис. 3, например частотного сигнала. V1 находится на пути сигнала, а V2 - на пути возврата радиочастотного тока. Предположим, что эти два провода образуют сигнальный и обратный пути, поэтому I1 = I и I2 = -I. Если бы не существование общей частичной индуктивности, два провода не смогли бы соединиться друг с другом, схема не работала бы нормально и не образовывала бы замкнутый контур. Падение напряжения на рис. 3 станет:

Из приведенной выше формулы следует, что для уменьшения падения напряжения необходимо увеличить общую часть индуктивности (Mp).

Самый простой способ увеличить общую часть индуктивности - сделать тракт обратного радиочастотного тока как можно ближе к сигнальной трассе. Наилучшим методом проектирования является использование радиочастотной плоскости возврата вблизи сигнальной трассы. Расстояние между ними должно быть как можно меньше в пределах достижимого диапазона.

Часть индуктивности всегда существует в проводе, она равна значению по умолчанию. Поэтому она эквивалентна антенне с определенной резонансной частотой. "Общая частичная индуктивность" может уменьшить эффект "частичной индуктивности". Уменьшая расстояние между двумя проводами, можно снизить индуктивность отдельных частей, что позволяет удовлетворить требования стандартов по электромагнитной совместимости.

Для того чтобы максимально усилить эффект общей части индуктивности, токи в двух проводах должны быть одинаковыми по величине, но противоположными по направлению. Именно поэтому плоскость изображения (или заземляющий провод) может быть столь эффективна. Между двумя параллельными проводами существуют общие индуктивности, которые зависят от расстояния и длины двух проводов (см. технические характеристики проводов). При наименьшем расстоянии и длине двух параллельных проводов значение индуктивности их общей части будет наибольшим.

Если для разделения плоскостей питания и заземления используется диэлектрик, то какую роль при этом будет играть "общая частичная индуктивность"? Аналогично, пока расстояние между двумя плоскостями мало, значение индуктивности их общей части будет большим. В это время ток ВЧ-сигнала, измеренный на силовой плоскости, должен быть равен нулю. Так как он компенсируется обратным ВЧ-током той же величины и противоположного направления.

Кроме того, следует отметить, что если уменьшить значение индуктивности общей части между двумя проводами, то не только уменьшится влияние плоскости изображения, но и увеличится значение емкости между двумя плоскостями.