Kuinka ratkaista EMI-ongelma monikerroksisten piirilevyjen suunnittelussa?

Tiedätkö kuinka ratkaista EMI-ongelma monikerroksisten piirilevyjen suunnittelussa?

Haluan kertoa teille!

EMI-ongelmia voidaan ratkaista monella tapaa. Nykyaikaisiin EMI-vaimennusmenetelmiin sisältyy: EMI-vaimennuspinnoitteen käyttö, sopivien EMI-vaimennusosien valinta ja EMI-simulaatiosuunnittelu. Perusteellisimpaan piirilevyasetteluun perustuen tässä artikkelissa tarkastellaan piirilevypinojen toimintaa EMI-säteilyn ja PCB-suunnittelutaitojen ohjauksessa.

voimabussi

IC: n lähtöjännitteen hyppy voidaan nopeuttaa asettamalla sopiva kapasitanssi IC: n virtapistokkeen lähelle. Tämä ei kuitenkaan ole ongelman loppu. Kondensaattorin rajoitetun taajuusvasteen vuoksi kondensaattorin on mahdotonta tuottaa harmonista tehoa, jota tarvitaan IC-lähdön puhtaan ohjaamiseksi koko taajuuskaistalla. Lisäksi tehoväylään muodostettu ohimenevä jännite aiheuttaa jännitteen laskun irrottamispolun induktanssin molemmissa päissä. Nämä ohimenevät jännitteet ovat tärkeimmät yhteismoodin EMI-häiriölähteet. Kuinka voimme ratkaista nämä ongelmat?

Jos kyseessä on piirilevyllä oleva IC, voimakerrosta IC: n ympärillä voidaan pitää hyvänä korkean taajuuden kondensaattorina, joka pystyy keräämään erillisen kondensaattorin vuotaman energian, joka tarjoaa korkeataajuista energiaa puhdasta lähtöä varten. Lisäksi hyvän voimakerroksen induktanssi on pieni, joten myös induktorin syntetisoima ohimenevä signaali on pieni, mikä vähentää yhteisen tilan EMI: tä.

Tietysti virransyöttökerroksen ja IC-virtalähteen nastan välisen yhteyden on oltava mahdollisimman lyhyt, koska digitaalisen signaalin nouseva reuna on nopeampi ja nopeampi. On parempi liittää se suoraan tyynyyn, jossa IC-virtatappi sijaitsee, josta on keskusteltava erikseen.

Tavallisen tilan EMI: n hallitsemiseksi tehokerroksen on oltava hyvin suunniteltu tehokerrospari, joka auttaa irrottamaan laitteen ja jolla on riittävän pieni induktanssi. Jotkut saattavat kysyä, kuinka hyvä se on? Vastaus riippuu tehokerroksesta, kerrosten välisestä materiaalista ja toimintataajuudesta (ts. IC: n nousun ajan funktiosta). Yleensä tehokerrosten välimatka on 6mil, ja välikerros on FR4-materiaalia, joten vastaava kapasitanssi voimakerroksen neliötuumaa kohti on noin 75pF. On selvää, että mitä pienempi kerrosväli on, sitä suurempi kapasitanssi on.

Laitteita, joiden nousuaika on 100-300ps, ei ole paljon, mutta IC: n nykyisen kehitysnopeuden mukaan laitteet, joiden nousuaika on välillä 100-300ps, vievät suuren osan. Piireissä, joiden nousuaika on 100-300 PS, 3 miljoonan kerroksen väli ei ole enää sovellettavissa useimpiin sovelluksiin. Tuolloin on tarpeen omaksua delaminointitekniikka, jonka välikerrosväli on pienempi kuin 1mil, ja korvata FR4-dielektrinen materiaali materiaalilla, jolla on korkea dielektrisyysvakio. Nyt keramiikka ja ruukumuovi voivat täyttää suunnitteluvaatimukset 100-300ps: n nousuajan piirien osalta.

Vaikka uusia materiaaleja ja menetelmiä voidaan käyttää tulevaisuudessa, yleiset 1-3 ns nousuajan piirit, 3 - 6 mil kerroksen etäisyydet ja FR4-dielektriset materiaalit ovat yleensä riittäviä käsittelemään huippuluokan harmonisia ja tekemään transienttisignaalit riittävän mataliksi, ts. , yleisen tilan EMI voidaan vähentää erittäin alhaisella tasolla. Tässä artikkelissa annetaan piirustuspiirilevykerroksen suunnitteluesimerkki ja kerrosten välisen etäisyyden oletetaan olevan 3 - 6 mil.

sähkömagneettinen suojaus

Signaalin reititysnäkökulmasta hyvän kerrosstrategian tulisi olla sijoittaa kaikki signaalijäljet ​​yhteen tai useampaan kerrokseen, jotka ovat tehokerroksen tai maatason vieressä. Virtalähteen osalta hyvä kerrostamisstrategia on, että tehokerros on maatason vieressä ja tehokerroksen ja maatason välisen etäisyyden tulisi olla mahdollisimman pieni, mitä me kutsumme "kerrostamisstrategiaksi".

PCB-pino

Millainen pinoamisstrategia voi auttaa suojaamaan ja estämään EMI: tä? Seuraava kerrostettu pinoamismenetelmä olettaa, että tehonsyöttövirta virtaa yhdellä kerroksella ja että yksi jännite tai useita jännitteitä on jakautunut saman kerroksen eri osiin. Useiden tehokerrosten tapausta käsitellään myöhemmin.

4-kerroksinen levy

4-kerroksisten laminaattien suunnittelussa on joitain mahdollisia ongelmia. Ensinnäkin, vaikka signaalikerros olisi ulkokerroksessa ja teho- ja maataso ovat sisäkerroksessa, voimakerroksen ja maatason välinen etäisyys on edelleen liian suuri.

Jos kustannusvaatimus on ensimmäinen, voidaan harkita seuraavia kahta vaihtoehtoa perinteiselle 4-kerroksiselle levylle. Molemmat voivat parantaa EMI-vaimennusominaisuuksia, mutta ne soveltuvat vain tapauksiin, joissa levyllä olevien komponenttien tiheys on riittävän pieni ja komponenttien ympärillä on tarpeeksi tilaa (tarvittavan kuparipinnoitteen asettamiseksi virtalähteelle).

Ensimmäinen on edullinen järjestelmä. PCB: n ulkokerrokset ovat kaikki kerroksia, ja kaksi keskimmäistä kerrosta ovat signaali / tehokerroksia. Signaalikerroksen virransyöttö johdetaan leveillä linjoilla, mikä tekee virransyötön virran impedanssista alhaisen ja signaalin mikroliuskareitin impedanssin alhainen. EMI-ohjauksen kannalta tämä on paras käytettävissä oleva 4-kerroksinen piirilevyrakenne. Toisessa kaaviossa ulkokerros kantaa voimaa ja maata, ja keskimmäinen kaksi kerrosta kuljettaa signaalia. Verrattuna perinteiseen 4-kerroslevyyn, tämän järjestelmän parannus on pienempi, ja kerrosten välinen impedanssi ei ole yhtä hyvä kuin perinteisellä 4-kerroksisella levyllä.

Jos johdotuksen impedanssia on tarkoitus säätää, yllä olevan pinoamisjärjestelmän tulisi olla erittäin varovainen asettamalla johdotus virtalähteen ja maadoituksen kuparisaaren alle. Lisäksi virtalähteen tai kerroksen kuparisaari olisi kytkettävä yhteen niin paljon kuin mahdollista DC: n ja matalien taajuuksien yhteyden varmistamiseksi.

6-kerroksinen levy

Jos 4-kerroslevyn komponenttien tiheys on suuri, 6-kerroslevy on parempi. Joidenkin pinoamismenetelmien suojausvaikutus 6-kerroslevyn suunnittelussa ei kuitenkaan ole riittävän hyvä, ja tehoväylän ohimenevä signaali ei vähene. Kaksi esimerkkiä käsitellään jäljempänä.

Ensimmäisessä tapauksessa virtalähde ja maa sijoitetaan vastaavasti toiseen ja viidenteen kerrokseen. Kuparilla verhotun virtalähteen suuren impedanssin takia on erittäin epäsuotuisa hallita yhteisen tilan EMI-säteilyä. Signaalin impedanssin ohjauksen näkökulmasta tämä menetelmä on kuitenkin erittäin oikea.

Toisessa esimerkissä virtalähde ja maa sijoitetaan vastaavasti kolmanteen ja neljänteen kerrokseen. Tämä malli ratkaisee virtalähteen kuparipinnoitetun impedanssin ongelman. Kerroksen 1 ja kerroksen 6 heikosta sähkömagneettisesta suojausominaisuudesta johtuen differentiaalitilan EMI kasvaa. Jos signaalilinjojen lukumäärä kahdessa ulkokerroksessa on pienin ja linjojen pituus on hyvin lyhyt (alle 1/20 signaalin suurimmasta harmonisesta aallonpituudesta), suunnittelu voi ratkaista differentiaalimoodin EMI: n ongelman. Tulokset osoittavat, että differentiaalimoodin EMI vaimennus on erityisen hyvä, kun ulkokerros on täytetty kuparilla ja kuparilla päällystetty alue on maadoitettu (jokainen 20/20 aallonpituusväli). Kuten edellä mainittiin, kupari on asetettava


Lähetysaika: heinä-29-2020