Як вирішити проблему EMI в дизайні багатошарових друкованих плат?

Чи знаєте ви, як вирішити проблему ЕМІ при розробці багатошарової друкованої плати?

Дозвольте мені сказати вам!

Існує багато способів вирішити проблеми ЕМІ. Сучасні методи придушення EMI включають: використання покриття для придушення EMI, вибір відповідних частин придушення EMI та модель імітаційного моделювання EMI. На основі найпростішого макета друкованої плати, в даній роботі розглядається функція стека PCB в управлінні випромінюванням EMI та навичками дизайну PCB.

силова шина

Стрибок вихідної напруги ІС можна прискорити, розмістивши відповідну ємність біля силового штифта ІМС. Однак на цьому проблема не закінчується. Через обмежену частотну характеристику конденсатора конденсатор не може генерувати гармонічну потужність, необхідну для чистого керування вихідною мікросхемою в повній смузі частот. Крім того, перехідне напруга, утворене на шині живлення, спричинить падіння напруги на обох кінцях індуктивності контуру роз'єднання. Ці перехідні напруги є основними загальними джерелами перешкод EMI. Як ми можемо вирішити ці проблеми?

У випадку ІС на нашій платі, рівень живлення навколо ІС може розглядатися як хороший високочастотний конденсатор, який може збирати енергію, що просочується дискретним конденсатором, що забезпечує високочастотну енергію для чистого виходу. Крім того, індуктивність хорошого силового шару невелика, тому перехідний сигнал, синтезований індуктором, також малий, тим самим зменшуючи загальний режим EMI.

Звичайно, зв’язок між рівнем живлення та контактом джерела живлення ІС повинен бути якомога коротшим, оскільки висхідний край цифрового сигналу стає все швидшим і швидшим. Краще підключити його безпосередньо до колодки, де знаходиться штифт живлення ІС, про що потрібно поговорити окремо.

Для управління загальним режимом EMI силовий шар повинен бути добре спроектованою парою шарів живлення, щоб допомогти роз'єднатись і мати досить низьку індуктивність. Деякі люди можуть запитати, наскільки це добре? Відповідь залежить від потужності шару, матеріалу між шарами та робочої частоти (тобто, функції часу зростання ІС). Загалом, відстань між силовими шарами становить 6 мільйонів, а прошарок - матеріал FR4, тому еквівалентна ємність на квадратний дюйм силового шару становить близько 75pF. Очевидно, що чим менший міжшаровий проміжок, тим більша ємність.

Існує не так багато пристроїв з часом зростання 100-300ps, але відповідно до поточного темпу розвитку IC, пристрої з часом зростання в межах 100-300ps будуть займати велику частку. Для ланцюгів із часом підйому від 100 до 300 к.с. відстань між шарами більше не застосовується для більшості застосувань. У той час необхідно прийняти технологію розшарування з проміжком між прошарками менше 1 мілілітра і замінити діелектричний матеріал FR4 на матеріал з високою діелектричною постійною. Тепер кераміка та горщикова пластмаса можуть відповідати проектним вимогам 100 - 300ps ланцюгів часу підйому.

Незважаючи на те, що в майбутньому можуть бути використані нові матеріали та методи, загальні схеми часу наростання від 1 до 3 нс, міжшаровий інтервал між 3 та 6 міліметрами та діелектричні матеріали FR4 зазвичай достатні для обробки гармонік високого класу та отримання перехідних сигналів досить низькими, тобто , загальний режим EMI може бути зменшений дуже низько. У цій роботі наведено приклад дизайну шаруватого укладання друкованих плат, а відстань шарів передбачається від 3 до 6 мільйонів.

електромагнітне екранування

З точки зору маршрутизації сигналу, гарною стратегією шарування має бути розміщення всіх слідів сигналу в одному або декількох шарах, які знаходяться поруч із силовим шаром або землею. Для енергозабезпечення хороша стратегія шарування повинна полягати в тому, щоб силовий шар прилягав до площини заземлення, а відстань між шаром живлення та земною площиною повинно було бути якомога меншим, що називається стратегією «шарування».

Стек PCB

Яка стратегія укладання може допомогти захистити та придушити EMI? Наступна схема шаруватого укладання передбачає, що струм живлення тече на одному шарі і що одна напруга або кілька напруг розподіляються в різних частинах одного шару. Справа з декількома шарами живлення буде обговорена пізніше.

4-шарова пластина

У дизайні 4-шарового ламінату є деякі потенційні проблеми. Перш за все, навіть якщо рівень сигналу знаходиться у зовнішньому шарі, а потужність і площина заземлення знаходяться у внутрішньому шарі, відстань між силовим шаром та площиною заземлення все ще занадто велике.

Якщо вимога до вартості є першою, можна розглянути наступні дві альтернативи традиційній 4-шаровій дошці. Обидва вони можуть покращити продуктивність придушення EMI, але вони підходять лише в тому випадку, коли щільність компонентів на платі є досить низькою і навколо компонентів є достатня площа (для розміщення необхідного мідного покриття для живлення).

Перша - краща схема. Зовнішні шари друкованої плати - це всі шари, а середній - два шари сигналу / потужності. Блок живлення на шарі сигналу прокладається широкими лініями, що робить імпеданс шляху струму живлення низьким, а імпеданс сигнального мікрополоскового шляху низьким. З точки зору управління EMI, це найкраща 4-шарова структура PCB. У другій схемі зовнішній шар несе потужність і землю, а середній два шари - сигнал. У порівнянні з традиційною 4-шаровою платою, вдосконалення цієї схеми є меншим, а міжшаровий імпеданс не такий хороший, як у традиційної 4-шарової плати.

Якщо потрібно контролювати опір проводки, вищезазначена схема укладання повинна бути дуже обережною, щоб прокласти проводку під мідним острівцем джерела живлення та заземлення. Крім того, мідний острів на джерелі живлення або прошарку повинен бути зв'язаний якомога більше, щоб забезпечити зв'язок між постійним струмом і низькою частотою.

6-шарова плита

Якщо щільність компонентів на 4-шаровій дошці велика, 6-шарова плита краще. Однак екрануючий ефект деяких схем укладання в конструкції 6-шарової плати недостатньо хороший, а перехідний сигнал шини живлення не зменшується. Два приклади розглянуті нижче.

У першому випадку блок живлення і заземлення розміщуються відповідно на другому і п’ятому шарах. Через високий опір живлення мідної оболонки дуже несприятливим є управління загальним режимом випромінювання ЕМІ. Однак, з точки зору контролю опору сигналу, цей метод є дуже правильним.

У другому прикладі джерело живлення та заземлення розміщуються відповідно в третьому та четвертому шарах. Ця конструкція вирішує проблему імпедансу живлення мідного покриття. Через погані показники електромагнітного екранування шару 1 та шару 6 диференціальний режим ЕМІ збільшується. Якщо число сигнальних ліній на двох зовнішніх шарах найменше і довжина ліній дуже коротка (менше 1/20 найвищої гармонічної довжини хвилі сигналу), конструкція може вирішити задачу диференціального режиму EMI. Отримані результати показують, що придушення диференціального режиму EMI особливо добре, коли зовнішній шар заповнений міддю і обкладений мідною областю ділянку (кожні 1/20 інтервал довжини хвилі). Як було сказано вище, мідь повинна бути закладена


Час публікації: липень-29-2020