Jak rozwiązać problem EMI w projektowaniu wielowarstwowych PCB?

Czy wiesz, jak rozwiązać problem EMI podczas projektowania wielowarstwowych PCB?

Pozwól, że ci powiem!

Istnieje wiele sposobów rozwiązywania problemów związanych z EMI. Nowoczesne metody tłumienia EMI obejmują: stosowanie powłoki tłumiącej EMI, dobór odpowiednich części tłumiących EMI oraz projektowanie symulacji EMI. W oparciu o najbardziej podstawowy układ PCB, w tym artykule omówiono funkcję stosu PCB w kontrolowaniu promieniowania EMI i umiejętności projektowania PCB.

szyna zasilająca

Skok napięcia wyjściowego układu scalonego można przyspieszyć, umieszczając odpowiednią pojemność w pobliżu pinu zasilania układu scalonego. Jednak to nie koniec problemu. Ze względu na ograniczoną odpowiedź częstotliwościową kondensatora nie jest możliwe, aby kondensator generował moc harmoniczną potrzebną do czystego napędzania wyjścia układu scalonego w pełnym paśmie częstotliwości. Ponadto przejściowe napięcie powstające na szynie zasilającej spowoduje spadek napięcia na obu końcach indukcyjności ścieżki odsprzęgania. Te przejściowe napięcia są głównymi źródłami zakłóceń EMI w trybie wspólnym. Jak możemy rozwiązać te problemy?

W przypadku układu scalonego na naszej płytce drukowanej, warstwę mocy wokół układu można uznać za dobry kondensator wysokiej częstotliwości, który może zbierać energię wyciekającą z dyskretnego kondensatora, który zapewnia energię o wysokiej częstotliwości w celu uzyskania czystej mocy wyjściowej. Ponadto indukcyjność dobrej warstwy mocy jest mała, więc sygnał przejściowy syntetyzowany przez cewkę jest również mały, zmniejszając w ten sposób EMI trybu wspólnego.

Oczywiście połączenie między warstwą zasilania a pinem zasilającym układ scalony musi być jak najkrótsze, ponieważ narastające zbocze sygnału cyfrowego jest coraz szybsze. Lepiej jest podłączyć go bezpośrednio do pada, w którym znajduje się pin zasilania układu scalonego, co należy omówić osobno.

Aby kontrolować EMI w trybie wspólnym, warstwa mocy musi być dobrze zaprojektowaną parą warstw mocy, aby pomóc w rozłączeniu i mieć wystarczająco niską indukcyjność. Niektórzy ludzie mogą zapytać, jak to jest dobre? Odpowiedź zależy od warstwy mocy, materiału między warstwami i częstotliwości roboczej (tj. Funkcji czasu narastania IC). Ogólnie odstępy między warstwami mocy wynoszą 6 mil, a warstwa pośrednia jest wykonana z materiału FR4, więc równoważna pojemność na cal kwadratowy warstwy mocy wynosi około 75 pF. Oczywiście im mniejszy odstęp między warstwami, tym większa pojemność.

Niewiele jest urządzeń o czasie narastania 100-300ps, ale zgodnie z obecnym tempem rozwoju układu scalonego, urządzenia z czasem narastania w zakresie 100-300ps będą zajmować dużą część. W przypadku obwodów o czasach narastania od 100 do 300 PS odstępy między warstwami 3 mil nie mają już zastosowania w większości zastosowań. Konieczne jest wówczas przyjęcie technologii rozwarstwiania z odstępami międzywarstwowymi mniejszymi niż 1mil oraz wymiana materiału dielektrycznego FR4 na materiał o wysokiej stałej dielektrycznej. Obecnie ceramika i tworzywa sztuczne w opakowaniach mogą spełniać wymagania projektowe obwodów czasu narastania od 100 do 300 ps.

Chociaż w przyszłości mogą być stosowane nowe materiały i metody, powszechne obwody czasu narastania od 1 do 3 ns, odstępy między warstwami od 3 do 6 milicali i materiały dielektryczne FR4 są zwykle wystarczające, aby poradzić sobie z wysokimi harmonicznymi i sprawić, że sygnały przejściowe będą wystarczająco niskie, to znaczy , EMI w trybie wspólnym można zredukować do bardzo niskiego poziomu. W tym artykule podano przykład projektowania układania warstw PCB, przy czym zakłada się, że odstępy między warstwami wynoszą od 3 do 6 milicali.

ekranowanie elektromagnetyczne

Z punktu widzenia trasowania sygnału, dobrą strategią tworzenia warstw powinno być umieszczenie wszystkich śladów sygnału w jednej lub kilku warstwach, które znajdują się obok warstwy mocy lub płaszczyzny uziemienia. W przypadku zasilania dobrą strategią nakładania warstw powinno być to, że warstwa mocy przylega do płaszczyzny uziemienia, a odległość między warstwą mocy a płaszczyzną uziemienia powinna być jak najmniejsza, co nazywamy strategią „warstwowania”.

Stos PCB

Jaki rodzaj strategii łączenia może pomóc w ochronie i tłumieniu zakłóceń elektromagnetycznych? Poniższy schemat układania warstw zakłada, że ​​prąd zasilania płynie na jednej warstwie, a pojedyncze napięcie lub wiele napięć jest rozłożonych na różne części tej samej warstwy. Przypadek wielu warstw mocy zostanie omówiony później.

Płyta 4-warstwowa

Istnieją pewne potencjalne problemy w projektowaniu laminatów czterowarstwowych. Po pierwsze, nawet jeśli warstwa sygnału znajduje się w warstwie zewnętrznej, a płaszczyzna mocy i uziemienia w warstwie wewnętrznej, odległość między warstwą mocy a płaszczyzną uziemienia jest nadal zbyt duża.

Jeśli koszt jest pierwszy, można rozważyć dwie alternatywy dla tradycyjnej płyty czterowarstwowej. Oba mogą poprawić skuteczność tłumienia EMI, ale nadają się tylko w przypadku, gdy gęstość komponentów na płycie jest wystarczająco niska, a wokół komponentów jest wystarczająco dużo miejsca (aby umieścić wymaganą powłokę miedzianą do zasilania).

Pierwszy to schemat preferowany. Warstwy zewnętrzne PCB to wszystkie warstwy, a dwie środkowe warstwy to warstwy sygnału / mocy. Zasilanie na warstwie sygnałowej jest kierowane szerokimi liniami, co powoduje, że impedancja toru prądu zasilacza jest niska, a impedancja toru mikropaskowego sygnału niska. Z punktu widzenia kontroli EMI jest to najlepsza dostępna 4-warstwowa struktura PCB. W drugim schemacie warstwa zewnętrzna przenosi moc i masę, a dwie warstwy środkowe przenoszą sygnał. W porównaniu z tradycyjną płytą czterowarstwową poprawa tego schematu jest mniejsza, a impedancja międzywarstwowa nie jest tak dobra, jak w przypadku tradycyjnej płyty czterowarstwowej.

Jeśli ma być kontrolowana impedancja okablowania, powyższy schemat łączenia w stosy powinien być bardzo ostrożny przy układaniu okablowania pod miedzianą wyspą zasilania i uziemienia. Ponadto miedziana wyspa na zasilaniu lub warstwie zasilania powinna być połączona ze sobą w jak największym stopniu, aby zapewnić łączność między prądem stałym a niską częstotliwością.

Płyta 6-warstwowa

Jeśli gęstość komponentów na płycie 4-warstwowej jest duża, płyta 6-warstwowa jest lepsza. Jednak efekt ekranowania niektórych schematów układania w stos w konstrukcji płytki 6-warstwowej nie jest wystarczająco dobry, a sygnał przejściowy szyny zasilającej nie jest zmniejszany. Poniżej omówiono dwa przykłady.

W pierwszym przypadku zasilanie i masa są umieszczone odpowiednio w drugiej i piątej warstwie. Ze względu na wysoką impedancję zasilacza pokrytego miedzią bardzo niekorzystne jest sterowanie promieniowaniem EMI w trybie wspólnym. Jednak z punktu widzenia kontroli impedancji sygnału metoda ta jest bardzo poprawna.

W drugim przykładzie zasilacz i masa są umieszczone odpowiednio w trzeciej i czwartej warstwie. Taka konstrukcja rozwiązuje problem impedancji zasilacza pokrytego miedzią. Ze względu na słabą wydajność ekranowania elektromagnetycznego warstwy 1 i warstwy 6, EMI trybu różnicowego wzrasta. Jeśli liczba linii sygnałowych na dwóch warstwach zewnętrznych jest najmniejsza, a długość linii jest bardzo krótka (mniej niż 1/20 długości fali o najwyższej harmonicznej sygnału), projekt może rozwiązać problem różnicowego trybu EMI. Wyniki pokazują, że tłumienie zakłóceń elektromagnetycznych w trybie różnicowym jest szczególnie dobre, gdy warstwa zewnętrzna jest wypełniona miedzią, a obszar pokryty miedzią jest uziemiony (co 1/20 przedział długości fali). Jak wspomniano powyżej, układana będzie miedź


Czas postu: Lip-29-2020