Ako vyriešiť problém EMI pri návrhu viacvrstvových DPS?

Viete, ako vyriešiť problém EMI pri návrhu viacvrstvových dosiek plošných spojov?

Dovoľ mi povedať ti!

Existuje veľa spôsobov, ako vyriešiť problémy s EMI. Medzi moderné metódy potlačenia EMI patrí: použitie potláčania povlaku EMI, výber vhodných častí potlačenia EMI a návrh simulácie EMI. Na základe najzákladnejšieho rozloženia PCB, tento článok pojednáva o funkcii stohu PCB v ovládaní EMI žiarenia a návrhu DPS.

napájacia zbernica

Skok výstupného napätia IC je možné urýchliť umiestnením príslušnej kapacity do blízkosti napájacieho kolíka IC. Toto však nie je koniec problému. Kvôli obmedzenej frekvenčnej odozve kondenzátora nie je možné, aby kondenzátor generoval harmonický výkon potrebný na čisté riadenie výstupu IC v celom frekvenčnom pásme. Okrem toho prechodné napätie vytvorené na výkonovej zbernici spôsobí pokles napätia na obidvoch koncoch indukčnosti oddeľovacej cesty. Tieto prechodné napätia sú hlavnými zdrojmi rušenia EMI v spoločnom režime. Ako môžeme tieto problémy vyriešiť?

V prípade IC na našej doske s plošnými spojmi možno vrstvu výkonu okolo IC považovať za dobrý vysokofrekvenčný kondenzátor, ktorý dokáže zhromažďovať energiu uniknutú z diskrétneho kondenzátora, ktorý poskytuje vysokofrekvenčnú energiu pre čistý výstup. Okrem toho je indukčnosť dobrej výkonovej vrstvy malá, takže prechodný signál syntetizovaný induktorom je tiež malý, čím sa znižuje EMI v bežnom režime.

Spojenie medzi vrstvou napájania a kolíkom napájania IC musí byť samozrejme čo najkratšie, pretože stúpajúca hrana digitálneho signálu je rýchlejšia a rýchlejšia. Je lepšie pripojiť ho priamo k podložke, na ktorej je umiestnený napájací kolík IC, čo je potrebné prediskutovať osobitne.

Aby bolo možné regulovať EMI v bežnom režime, musí byť výkonová vrstva dobre navrhnutým párom výkonových vrstiev, ktoré pomáhajú oddeliť sa a majú dostatočne nízku indukčnosť. Niektorí ľudia sa môžu pýtať, aké je to dobré? Odpoveď závisí od výkonovej vrstvy, materiálu medzi vrstvami a prevádzkovej frekvencie (tj. Funkcie doby nábehu IC). Všeobecne je rozmiestnenie výkonových vrstiev 6 mil a medzivrstva je materiál FR4, takže ekvivalentná kapacita na štvorcový palec výkonovej vrstvy je asi 75 pF. Je zrejmé, že čím menšie sú rozstupy vrstiev, tým väčšia je kapacita.

Nie je veľa zariadení s dobou nábehu 100-300ps, ale podľa súčasnej rýchlosti vývoja IC budú zariadenia s dobou nábehu v rozmedzí 100-300ps zaberať vysoký podiel. Pre obvody s dobou nábehu 100 až 300 PS sa rozostup vrstvy 3 mil. Už vo väčšine aplikácií neuplatňuje. V tom čase je potrebné prijať delaminačnú technológiu s medzivrstvou menšou ako 1 mil a dielektrický materiál FR4 nahradiť materiálom s vysokou dielektrickou konštantou. Teraz môžu keramika a plasty v kvetináči spĺňať požiadavky na dizajn časových obvodov s dobou nábehu 100 až 300 s.

Aj keď v budúcnosti môžu byť použité nové materiály a metódy, bežné 1 až 3 ns nábehové časové obvody, medzivrstvy 3 až 6 mil a dielektrické materiály FR4 sú zvyčajne dostatočné na zvládnutie vysokofrekvenčných harmonických a zníženie prechodných signálov dostatočne nízko, čo je , EMI v bežnom režime je možné znížiť veľmi nízko. V tomto článku je uvedený príklad dizajnu stohovania vrstvených dosiek PCB a predpokladá sa, že rozmiestnenie vrstiev je 3 až 6 mil.

elektromagnetické tienenie

Z hľadiska smerovania signálu by dobrou stratégiou vrstvenia malo byť umiestnenie všetkých signálových stôp do jednej alebo viacerých vrstiev, ktoré sú vedľa výkonovej vrstvy alebo základnej roviny. Pokiaľ ide o napájanie energiou, mala by byť dobrou stratégiou vrstvenia to, že vrstva energie susedí so základnou rovinou a vzdialenosť medzi energetickou vrstvou a základnou rovinou by mala byť čo najmenšia, čo sa nazýva stratégia „vrstvenia“.

Zásobník PCB

Aký druh stratégie stohovania môže pomôcť chrániť a potlačiť EMI? Nasledujúca schéma vrstveného stohovania predpokladá, že prúd napájacieho prúdu tečie na jednej vrstve a že jediné napätie alebo viacnásobné napätie sú rozdelené v rôznych častiach tej istej vrstvy. Prípad viacerých výkonových vrstiev bude diskutovaný neskôr.

4-vrstvová doska

Pri navrhovaní 4-vrstvových laminátov existujú určité potenciálne problémy. Po prvé, aj keď je signálna vrstva vo vonkajšej vrstve a výkonová a základná rovina sú vo vnútornej vrstve, vzdialenosť medzi výkonovou vrstvou a základnou rovinou je stále príliš veľká.

Ak je požiadavka na náklady prvá, je možné zvážiť nasledujúce dve alternatívy k tradičnej 4-vrstvovej doske. Oba môžu vylepšiť výkon potlačenia EMI, ale sú vhodné iba v prípade, keď je hustota komponentov na doske dostatočne nízka a okolo nich je dostatočná plocha (na umiestnenie požadovaného medeného povlaku pre napájanie).

Prvá je preferovaná schéma. Vonkajšie vrstvy PCB sú všetky vrstvy a stredné dve vrstvy sú vrstvy signálu / výkonu. Napájanie na signálovej vrstve je vedené širokými vedeniami, čo znižuje impedanciu dráhy napájacieho prúdu a impedanciu signálovej mikropáskovej dráhy. Z pohľadu riadenia EMI je to najlepšia dostupná 4-vrstvová štruktúra DPS. V druhej schéme vonkajšia vrstva prenáša energiu a zem a stredná dve vrstvy prenášajú signál. V porovnaní s tradičnou štvorvrstvovou doskou je vylepšenie tejto schémy menšie a impedancia medzivrstvy nie je tak dobrá ako impedancia tradičnej štvorvrstvovej dosky.

Ak sa má ovládať impedancia vodičov, vyššie uvedená schéma stohovania by mala byť veľmi opatrná, aby sa káble položili pod medený ostrov napájania a uzemnenia. Okrem toho by mal byť medený ostrov na napájacom zdroji alebo vrstve čo najviac prepojený, aby sa zabezpečilo prepojenie medzi jednosmerným prúdom a nízkou frekvenciou.

6-vrstvová doska

Ak je hustota komponentov na 4-vrstvovej doske veľká, je 6-vrstvová doska lepšia. Avšak tieniaci efekt niektorých stohovacích schém v dizajne 6-vrstvovej dosky nie je dosť dobrý a prechodný signál výkonovej zbernice sa neznižuje. Dva príklady sú diskutované nižšie.

V prvom prípade sú napájanie a zem umiestnené v druhej a piatej vrstve. Z dôvodu vysokej impedancie zdroja energie pokrytého meďou je veľmi nepriaznivé regulovať žiarenie EMI v bežnom režime. Avšak z hľadiska riadenia impedancie signálu je táto metóda veľmi správna.

V druhom príklade sú napájanie a zem umiestnené v tretej a štvrtej vrstve. Táto konštrukcia rieši problém impedancie napájacieho zdroja s medeným povlakom. Kvôli zlému elektromagnetickému tieneniu vrstiev 1 a 6 sa zvyšuje EMI diferenciálneho režimu. Ak je počet signálnych vedení na oboch vonkajších vrstvách najmenší a dĺžka vedení je veľmi krátka (menej ako 1/20 najvyššej harmonickej vlnovej dĺžky signálu), návrh môže vyriešiť problém EMI s diferenciálnym režimom. Výsledky ukazujú, že potlačenie diferenciálneho režimu EMI je obzvlášť dobré, keď je vonkajšia vrstva naplnená meďou a oblasť pokrytá meďou je uzemnená (každý interval vlnových dĺžok 1/20). Ako bolo uvedené vyššie, kladie sa meď


Čas zverejnenia: 29. júla 2020