Come risolvere il problema EMI nella progettazione di PCB multistrato?

Sai come risolvere il problema EMI durante la progettazione di PCB multistrato?

Lascia che ti dica!

Esistono molti modi per risolvere i problemi EMI. I moderni metodi di soppressione EMI includono: utilizzo del rivestimento di soppressione EMI, selezione di parti di soppressione EMI appropriate e progettazione di simulazione EMI. Basato sul layout PCB più elementare, questo documento discute la funzione dello stack PCB nel controllo delle radiazioni EMI e delle capacità di progettazione PCB.

bus di alimentazione

Il salto della tensione di uscita dell'IC può essere accelerato posizionando la capacità appropriata vicino al pin di alimentazione dell'IC. Tuttavia, questa non è la fine del problema. A causa della risposta in frequenza limitata del condensatore, è impossibile per il condensatore generare la potenza armonica necessaria per pilotare l'uscita IC in modo pulito nella banda di frequenza completa. Inoltre, la tensione transitoria formata sul bus di alimentazione provocherà una caduta di tensione ad entrambe le estremità dell'induttanza del percorso di disaccoppiamento. Queste tensioni transitorie sono le principali fonti di interferenza EMI di modo comune. Come possiamo risolvere questi problemi?

Nel caso dell'IC sul nostro circuito, lo strato di potenza attorno all'IC può essere considerato come un buon condensatore ad alta frequenza, che può raccogliere l'energia fuoriuscita dal condensatore discreto che fornisce energia ad alta frequenza per un output pulito. Inoltre, l'induttanza di un buon livello di potenza è piccola, quindi anche il segnale transitorio sintetizzato dall'induttore è piccolo, riducendo così l'EMI di modo comune.

Ovviamente, la connessione tra lo strato di alimentazione e il pin di alimentazione dell'IC deve essere il più breve possibile, perché il fronte di salita del segnale digitale è sempre più veloce. È meglio collegarlo direttamente al pad dove si trova il pin di alimentazione IC, che deve essere discusso separatamente.

Per controllare l'EMI di modo comune, lo strato di potenza deve essere una coppia ben progettata di strati di potenza per aiutare il disaccoppiamento e avere un'induttanza sufficientemente bassa. Alcune persone potrebbero chiedere, quanto è buono? La risposta dipende dallo strato di potenza, dal materiale tra gli strati e dalla frequenza operativa (cioè, una funzione del tempo di salita dell'IC). In generale, la spaziatura degli strati di potenza è di 6mil e l'interstrato è in materiale FR4, quindi la capacità equivalente per pollice quadrato di strato di potenza è di circa 75pF. Ovviamente, minore è la distanza tra gli strati, maggiore è la capacità.

Non ci sono molti dispositivi con un tempo di salita di 100-300ps, ma in base all'attuale tasso di sviluppo dell'IC, i dispositivi con tempo di salita nell'intervallo di 100-300ps occuperanno una proporzione elevata. Per circuiti con tempi di salita da 100 a 300 PS, la spaziatura tra gli strati di 3 mil non è più applicabile per la maggior parte delle applicazioni. A quel punto, è necessario adottare la tecnologia di delaminazione con una distanza tra gli strati inferiore a 1 mil e sostituire il materiale dielettrico FR4 con il materiale con elevata costante dielettrica. Ora, la ceramica e la plastica in vaso possono soddisfare i requisiti di progettazione di circuiti con tempo di salita da 100 a 300ps.

Sebbene in futuro possano essere utilizzati nuovi materiali e metodi, i comuni circuiti con tempo di salita da 1 a 3 ns, spaziatura tra gli strati da 3 a 6 mil e materiali dielettrici FR4 sono generalmente sufficienti per gestire le armoniche di fascia alta e rendere i segnali transitori sufficientemente bassi, ovvero , l'EMI di modo comune può essere ridotto molto basso. In questo documento, viene fornito l'esempio di progettazione dell'impilamento a strati di PCB e si presume che la spaziatura degli strati sia compresa tra 3 e 6 mil.

schermatura elettromagnetica

Dal punto di vista del routing del segnale, una buona strategia di stratificazione dovrebbe essere quella di posizionare tutte le tracce del segnale in uno o più strati, che si trovano accanto allo strato di potenza o al piano di massa. Per l'alimentazione, una buona strategia di stratificazione dovrebbe essere che lo strato di potenza sia adiacente al piano di massa e la distanza tra lo strato di potenza e il piano di terra dovrebbe essere la più piccola possibile, che è ciò che chiamiamo strategia di "stratificazione".

Stack PCB

Che tipo di strategia di stacking può aiutare a schermare e sopprimere l'EMI? Il seguente schema di impilamento a strati presuppone che la corrente di alimentazione fluisca su un singolo strato e che una o più tensioni siano distribuite in parti diverse dello stesso strato. Il caso di più livelli di potenza verrà discusso più avanti.

Piastra a 4 strati

Ci sono alcuni potenziali problemi nella progettazione di laminati a 4 strati. Prima di tutto, anche se lo strato di segnale si trova nello strato esterno e il piano di alimentazione e il piano di massa si trovano nello strato interno, la distanza tra lo strato di potenza e il piano di massa è ancora troppo grande.

Se il requisito di costo è il primo, si possono considerare le seguenti due alternative al tradizionale cartone a 4 strati. Entrambi possono migliorare le prestazioni di soppressione EMI, ma sono adatti solo nel caso in cui la densità dei componenti sulla scheda sia sufficientemente bassa e vi sia spazio sufficiente intorno ai componenti (per posizionare il rivestimento di rame richiesto per l'alimentazione).

Il primo è lo schema preferito. Gli strati esterni del PCB sono tutti strati, e i due strati centrali sono strati segnale / potenza. L'alimentatore sullo strato del segnale è instradato con linee larghe, il che rende bassa l'impedenza del percorso della corrente di alimentazione e bassa l'impedenza del percorso della microstriscia del segnale. Dal punto di vista del controllo EMI, questa è la migliore struttura PCB a 4 strati disponibile. Nel secondo schema, lo strato esterno trasporta la potenza e la massa, mentre i due strati centrali trasporta il segnale. Rispetto alla tradizionale scheda a 4 strati, il miglioramento di questo schema è minore e l'impedenza dell'intercalare non è buona come quella della tradizionale scheda a 4 strati.

Se l'impedenza del cablaggio deve essere controllata, lo schema di impilamento di cui sopra dovrebbe essere molto attento a posare il cablaggio sotto l'isola di rame di alimentazione e messa a terra. Inoltre, l'isola di rame sull'alimentazione o sulla falda dovrebbe essere interconnessa il più possibile per garantire la connettività tra CC e bassa frequenza.

Piastra a 6 strati

Se la densità dei componenti sulla scheda a 4 strati è grande, la piastra a 6 strati è migliore. Tuttavia, l'effetto di schermatura di alcuni schemi di impilamento nella progettazione di schede a 6 strati non è abbastanza buono e il segnale transitorio del bus di alimentazione non è ridotto. Di seguito vengono discussi due esempi.

Nel primo caso, l'alimentatore e la massa sono posti rispettivamente nel secondo e nel quinto strato. A causa dell'elevata impedenza dell'alimentatore rivestito in rame, è molto sfavorevole controllare la radiazione EMI di modo comune. Tuttavia, dal punto di vista del controllo dell'impedenza del segnale, questo metodo è molto corretto.

Nel secondo esempio, l'alimentatore e la terra sono posti rispettivamente nel terzo e quarto strato. Questo design risolve il problema dell'impedenza rivestita in rame dell'alimentazione. A causa delle scarse prestazioni di schermatura elettromagnetica dello strato 1 e dello strato 6, l'EMI in modalità differenziale aumenta. Se il numero di linee di segnale sui due strati esterni è il minimo e la lunghezza delle linee è molto breve (meno di 1/20 della lunghezza d'onda armonica più alta del segnale), il progetto può risolvere il problema dell'EMI in modo differenziale. I risultati mostrano che la soppressione dell'EMI in modalità differenziale è particolarmente buona quando lo strato esterno è riempito di rame e l'area rivestita di rame è messa a terra (ogni intervallo di lunghezza d'onda di 1/20). Come accennato in precedenza, verrà posato il rame


Tempo post: luglio-29-2020