Технология PCB - Как решить проблему EMI в многоуровневом дизайне PCB

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, образует перепад давления на индукторе развязанного пути. Эти переходные напряжения являются основными источниками интерференций 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 энергетический слой находился рядом с заземленным слоем и чтобы расстояние между силовым слоем и наземным слоем 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. Ситуация с несколькими уровнями мощности будет обсуждаться позже.

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 ингибирование EMI, но они подходят только для приложений с достаточно низкой плотностью компонентов на панели и достаточной площадью вокруг компонентов (размещение необходимого 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. Ниже рассматриваются два примера.

В первом примере питание и заземление размещаются на втором и пятом уровнях соответственно. Из - за высокого медного сопротивления источника питания управление комбинированным излучением EMI очень неблагоприятно. Однако, с точки зрения управления сопротивлением сигнала, этот метод очень правилен.

Во втором примере питание и заземление размещаются на третьем и четвертом уровнях соответственно. Конструкция решает проблему медного сопротивления питания. Из - за плохих характеристик электромагнитной защиты первого и шестого слоев дифференциальный EMI увеличивается. Если количество сигнальных линий на обоих внешних слоях является минимальным, а длина следа очень короткая (короче 1 / 20 от максимальной гармонической длины волны сигнала), эта конструкция может решить проблему дифференциального EMI. Заполнение внешнего слоя покрытой медью областью без компонентов и без следов и заземление покрытой медью области (с интервалом каждые 1 / 20 длины волны) особенно хорошо для подавления дифференциального EMI. Как упоминалось ранее, необходимо соединить медную область с внутренней плоскостью заземления в нескольких точках.

Универсальные высокопроизводительные 6 - слойные конструкции обычно, первый и шестой слои расположены как заземленные, 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 такая же укладка может быть достигнута 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.

10 Слоны

Поскольку изоляционный слой между многослойными пластинами очень тонкий, сопротивление между 10 или 12 слоями монтажной платы очень низкое. Пока нет проблем с расслоением и укладкой, можно получить отличную целостность сигнала. Сделать 12 - слойную пластину толщиной 62 мили 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 является лучшим. Кроме того, важно сделать так, чтобы сигнальный слой примыкал к слою кольца, то есть компоновка панели была сигналом, заземлением, сигналом, источником питания, заземлением, сигналом, сигналом, землей и сигналом.

Эта конструкция обеспечивает хороший путь для сигнального тока и его кольцевого тока. Правильная стратегия проводки - это X - направление на первом уровне, Y - направление на третьем уровне и X - направление на четвертом уровне и так далее. Восьмой и десятый уровни - последняя пара слоёв. Когда необходимо изменить направление проводки, сигнальная линия первого слоя должна достигать третьего слоя через « перфорацию», а затем менять направление. На самом деле, это может быть не всегда возможно, но как концепция дизайна, она должна следовать как можно больше.

Аналогичным образом, при изменении направления сигнала он должен проходить через отверстие от 8 - го и 10 - го слоев или от 4 - го до 7 - го уровня. Эта проводка обеспечивает самую тесную связь между прямым маршрутом сигнала и кольцевым контуром. Например, если сигнал маршрутизируется на первом уровне, кольцевая дорога - на втором и только на втором уровне, сигнал на первом уровне передается на третий уровень через « перфорацию». Контур все еще находится на втором уровне для поддержания характеристик низкой индуктивности, большой емкости и хороших характеристик электромагнитной защиты.

А если это не так? Например, сигнальная линия первого слоя проходит через отверстие до 10 - го слоя, после чего сигнал кольцевой линии должен найти плоскость заземления с 9 - го слоя, а ток кольцевой линии должен найти ближайшую заземленную пробоину (например, заземление таких компонентов, как резисторы или конденсаторы). Если поблизости есть такой проход, вам действительно повезло. Без таких околоходовых отверстий индуктивность станет больше, емкость уменьшится, и EMI, безусловно, увеличится.

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 стратифицированной комбинации 4 - го и 7 - го слоев сигнальная петля возвращается из слоя питания или заземления (т. е. 5 - го или 6 - го уровня), поскольку конденсаторная связь между слоем питания и заземлением хороша, и сигнал легко передается.

Многоуровневая конструкция

Если два слоя питания одного и того же источника напряжения требуют выхода большого тока, монтажная плата должна быть разделена на две группы источников питания и заземления. В этом случае изоляция размещается между каждой парой силовых и заземленных слоев. Таким образом, мы получаем две пары силовых шин с равным сопротивлением, которые разделяют ток, который мы ожидаем. Если перекрытие силовых слоев приводит к неравному сопротивлению, шунт будет неравномерным, переходное напряжение будет намного больше, и EMI резко возрастет.

Если на монтажной плате имеется несколько напряжений питания с различными значениями, то соответственно требуется несколько слоев питания. Не забывайте создавать собственные пары источников питания и заземления для различных источников питания. В обоих случаях при определении местоположения парных слоев питания и заземления на монтажной плате помните требования производителя к балансировочной структуре.

Резюме

Учитывая, что большинство плат, разработанных инженерами, являются традиционными печатными платами толщиной 62 мили без слепых или погребенных отверстий, обсуждение слоя и укладки плат в этой статье ограничивается этим. Для монтажных плат с большой разницей в толщине схема стратификации, рекомендованная в этой статье, может быть не идеальной. Кроме того, технология обработки платы со слепыми или погребенными отверстиями различна, и метод стратификации в этой статье не применяется.

Толщина, процесс перфорации и количество слоев в конструкции платы не являются ключом к решению проблемы. Хорошая стратификация предназначена для обеспечения шунтирования и развязки шины питания и минимизации переходного напряжения на силовом слое или заземлении. Ключ к экранированию сигналов и электромагнитного поля 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. Поскольку IC имеет короткое время подъема и будет короче, технология, обсуждаемая в этой статье, имеет решающее значение для решения проблемы защиты EMI.