Hvordan løse EMI-problemstilling i flersjikt PCB-design?

Vet du hvordan du løser EMI-problemet når flerlags PCB-design?

La meg fortelle deg!

Det er mange måter å løse EMI-problemer på. Moderne EMI-undertrykkelsesmetoder inkluderer: å bruke EMI-undertrykkingsbelegg, velge passende EMI-undertrykkelsesdeler og EMI-simuleringsdesign. Basert på det mest grunnleggende PCB-oppsettet, diskuterer denne artikkelen funksjonen til PCB-stack i å kontrollere EMI-stråling og PCB-designferdigheter.

kraftbuss

Utgangsspenningshoppet til IC kan akselereres ved å plassere passende kapasitans i nærheten av strømstiften til IC. Dette er imidlertid ikke slutten på problemet. På grunn av kondensatorens begrensede frekvensrespons, er det umulig for kondensatoren å generere den harmoniske effekten som trengs for å drive IC-utgangen rent i hele frekvensbåndet. I tillegg vil forbigående spenning dannet på kraftbussen forårsake spenningsfall i begge ender av induktansen til avkoblingsbanen. Disse forbigående spenningene er de viktigste vanlige EMI-forstyrrelseskildene. Hvordan kan vi løse disse problemene?

Når det gjelder IC på kretskortet vårt, kan kraftlaget rundt IC betraktes som en god høyfrekvenskondensator, som kan samle inn energien som er lekket av den diskrete kondensatoren som gir høyfrekvent energi for ren ytelse. I tillegg er induktansen til et godt kraftlag liten, så det forbigående signalet syntetisert av induktoren er også lite, og reduserer dermed den vanlige modusen EMI.

Forbindelsen mellom strømforsyningslaget og IC-strømforsyningsnålen må selvfølgelig være så kort som mulig, fordi den stigende kanten til det digitale signalet er raskere og raskere. Det er bedre å koble den direkte til puten der IC-strømstiften er plassert, som må diskuteres separat.

For å kontrollere vanlig modus EMI, må kraftlaget være et godt designet par kraftlag for å hjelpe til med å koble fra og ha tilstrekkelig lav induktans. Noen mennesker kan spørre, hvor bra er det? Svaret avhenger av kraftlaget, materialet mellom lagene og driftsfrekvensen (dvs. en funksjon av IC-tid). Generelt er avstanden til kraftlag 6 mil, og mellomlaget er FR4-materiale, så den ekvivalente kapasitansen per kvadrat tomme kraftlag er omtrent 75pF. Det er klart, jo mindre lagavstand er, jo større er kapasitansen.

Det er ikke mange enheter med en økningstid på 100-300ps, men i henhold til dagens utviklingshastighet på IC vil enhetene med økningstid i området 100-300ps oppta en høy andel. For kretser med stigningstider på 100 til 300 PS, er avstand på 3 mil ikke lenger aktuelt for de fleste bruksområder. På det tidspunktet er det nødvendig å bruke delamineringsteknologien med mellomlagsavstand mindre enn 1 mil, og erstatte det dielektriske materialet FR4 med materialet med høy dielektrisk konstant. Nå kan keramikk og potteplast oppfylle designkravene på 100 til 300ps stigtidskretser.

Selv om nye materialer og metoder kan brukes i fremtiden, er vanlige 1 til 3 ns stigetidskretser, mellomrom på mellom 3 og 6 mil, og FR4 dielektriske materialer vanligvis tilstrekkelig til å håndtere avanserte harmonier og gjøre forbigående signaler lave nok, det vil si , kan EMI i vanlig modus reduseres veldig lavt. I dette papiret er designeksemplet på PCB-lagd stabling gitt, og lagavstanden antas å være 3 til 6 mil.

elektromagnetisk skjerming

Fra signalrute synspunkt, bør en god lagstrategi være å plassere alle signalsporene i ett eller flere lag, som ligger ved siden av kraftlaget eller jordplanet. For strømforsyning bør en god lagdelingsstrategi være at kraftlaget ligger i tilknytning til bakkeplanet, og avstanden mellom kraftlaget og bakken skal være så liten som mulig, og det er det vi kaller “lagdelingen”.

PCB-stabel

Hva slags stablingsstrategi kan bidra til å beskytte og undertrykke EMI? Følgende lagdelte stablingsskjema antar at strømforsyningsstrømmen strømmer på et enkelt lag, og at enkeltspenning eller flere spenninger er fordelt i forskjellige deler av det samme laget. Tilfellet med flere kraftlag vil bli diskutert senere.

4-lags plate

Det er noen potensielle problemer i utformingen av 4-lags laminater. For det første, selv om signallaget er i det ytre laget og kraft- og bakkeplanet er i det indre laget, er avstanden mellom kraftlaget og bakken fortsatt for stor.

Hvis kostnadskravet er det første, kan følgende to alternativer til det tradisjonelle firelagsbrettet vurderes. Begge kan forbedre EMI-undertrykkelsesytelsen, men de er bare egnet for tilfeller der tettheten til komponentene på kortet er lav nok og det er nok areal rundt komponentene (for å plassere det nødvendige kobberbelegget for strømforsyning).

Den første er den foretrukne ordningen. De ytre lagene av PCB er alle lag, og de to midterste lagene er signal / kraftlag. Strømforsyningen på signallaget er rutet med brede linjer, noe som gjør banens impedans for strømforsyningsstrømmen lav og impedansen til signalmikrostripbanen lav. Fra perspektivet med EMI-kontroll er dette den beste 4-lags PCB-strukturen som er tilgjengelig. I det andre skjemaet bærer det ytre laget kraften og bakken, og det to midterste laget bærer signalet. Sammenlignet med det tradisjonelle 4-lagsbrettet, er forbedringen av denne ordningen mindre, og mellomlagsimpedansen er ikke like god som den for den tradisjonelle 4-lagsbrettet.

Hvis ledningsimpedansen skal kontrolleres, bør ovennevnte stablingsskjema være veldig nøye med å legge ledningene under kobberøyen for strømforsyning og jording. I tillegg bør kobberøya på strømforsyning eller stratum kobles sammen så mye som mulig for å sikre tilkoblingen mellom DC og lavfrekvens.

6-lags plate

Hvis tettheten av komponentene på 4-lagsplaten er stor, er 6-lagsplaten bedre. Skjermingseffekten av noen stablingsskjemaer i utformingen av 6-lags plate er imidlertid ikke god nok, og det forbigående signalet til kraftbussen reduseres ikke. To eksempler er diskutert nedenfor.

I det første tilfellet plasseres strømforsyningen og bakken i henholdsvis det andre og det femte laget. På grunn av den høye impedansen til kobberbelagt strømforsyning, er det veldig ugunstig å kontrollere EMI-stråling med vanlig modus. Men sett fra synsimpedansstyring er denne metoden veldig riktig.

I det andre eksemplet plasseres strømforsyningen og bakken i henholdsvis tredje og fjerde lag. Denne designen løser problemet med kobberkledd impedans av strømforsyningen. På grunn av den dårlige elektromagnetiske skjermingsytelsen til lag 1 og lag 6, øker differensialmodus EMI. Hvis antallet signallinjer på de to ytre lagene er minst, og lengden på linjene er veldig kort (mindre enn 1/20 av signalets høyeste harmoniske bølgelengde), kan designen løse problemet med differensialmodus EMI. Resultatene viser at undertrykkelsen av differensialmodus EMI er spesielt god når det ytre laget er fylt med kobber og det kobberkledde området er jordet (hvert intervall på 1/20 bølgelengde). Som nevnt ovenfor skal kobber legges


Posttid: 29. juli-2020