Wie kann man das EMI-Problem im mehrschichtigen PCB-Design lösen?

Wissen Sie, wie Sie das EMI-Problem beim mehrschichtigen PCB-Design lösen können?

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Es gibt viele Möglichkeiten, EMI-Probleme zu lösen.Moderne EMI-Unterdrückungsmethoden umfassen: Verwendung einer EMI-Unterdrückungsbeschichtung, Auswahl geeigneter EMI-Unterdrückungsteile und EMI-Simulationsdesign.Basierend auf dem grundlegendsten PCB-Layout erörtert dieses Dokument die Funktion des PCB-Stapels bei der Kontrolle der EMI-Strahlung und der PCB-Designfähigkeiten.

Strombus

Der Ausgangsspannungssprung des IC kann beschleunigt werden, indem eine geeignete Kapazität in der Nähe des Leistungsanschlusses des IC platziert wird.Dies ist jedoch nicht das Ende des Problems.Aufgrund des begrenzten Frequenzgangs des Kondensators ist es dem Kondensator unmöglich, die harmonische Leistung zu erzeugen, die erforderlich ist, um den IC-Ausgang sauber im vollen Frequenzband zu treiben.Außerdem verursacht die auf dem Leistungsbus gebildete transiente Spannung einen Spannungsabfall an beiden Enden der Induktivität des Entkopplungspfads.Diese transienten Spannungen sind die Hauptquellen für Gleichtakt-EMI-Störungen.Wie können wir diese Probleme lösen?

Im Fall von IC auf unserer Leiterplatte kann die Leistungsschicht um den IC herum als guter Hochfrequenzkondensator angesehen werden, der die Energie sammeln kann, die von dem diskreten Kondensator abgegeben wird, der Hochfrequenzenergie für eine saubere Ausgabe liefert.Darüber hinaus ist die Induktivität einer guten Leistungsschicht klein, sodass das von der Induktivität synthetisierte transiente Signal ebenfalls klein ist, wodurch die Gleichtakt-EMI reduziert wird.

Natürlich muss die Verbindung zwischen der Stromversorgungsschicht und dem IC-Stromversorgungspin so kurz wie möglich sein, da die Anstiegsflanke des digitalen Signals immer schneller wird.Es ist besser, es direkt an das Pad anzuschließen, an dem sich der IC-Stromanschluss befindet, was separat besprochen werden muss.

Um Gleichtakt-EMI zu kontrollieren, muss die Leistungsschicht ein gut konzipiertes Paar von Leistungsschichten sein, um die Entkopplung zu unterstützen und eine ausreichend niedrige Induktivität zu haben.Manche Leute mögen fragen, wie gut ist es?Die Antwort hängt von der Leistungsschicht, dem Material zwischen den Schichten und der Betriebsfrequenz (dh einer Funktion der IC-Anstiegszeit) ab.Im Allgemeinen beträgt der Abstand der Leistungsschichten 6 mil, und die Zwischenschicht besteht aus FR4-Material, sodass die äquivalente Kapazität pro Quadratzoll der Leistungsschicht etwa 75 pF beträgt.Offensichtlich ist die Kapazität um so größer, je kleiner der Schichtabstand ist.

Es gibt nicht viele Bauelemente mit einer Anstiegszeit von 100–300 ps, ​​aber gemäß der aktuellen Entwicklungsgeschwindigkeit von IC werden die Bauelemente mit einer Anstiegszeit im Bereich von 100–300 ps einen hohen Anteil einnehmen.Für Schaltungen mit Anstiegszeiten von 100 bis 300 PS ist ein Schichtabstand von 3 mil für die meisten Anwendungen nicht mehr anwendbar.Zu diesem Zeitpunkt ist es notwendig, die Delaminierungstechnologie mit einem Zwischenschichtabstand von weniger als 1 mil einzusetzen und das dielektrische FR4-Material durch das Material mit hoher Dielektrizitätskonstante zu ersetzen.Jetzt können Keramik und vergossene Kunststoffe die Designanforderungen von Schaltungen mit Anstiegszeiten von 100 bis 300 ps erfüllen.

Obwohl in Zukunft möglicherweise neue Materialien und Methoden verwendet werden, reichen herkömmliche Schaltungen mit einer Anstiegszeit von 1 bis 3 ns, einem Schichtabstand von 3 bis 6 mil und dielektrische FR4-Materialien normalerweise aus, um High-End-Harmonische zu verarbeiten und transiente Signale niedrig genug zu machen, das heißt , Gleichtakt-EMI kann sehr niedrig reduziert werden.In diesem Dokument wird das Konstruktionsbeispiel einer geschichteten Leiterplattenstapelung gegeben, und der Schichtabstand wird mit 3 bis 6 mil angenommen.

elektromagnetische Abschirmung

Aus Sicht des Signalroutings sollte eine gute Schichtungsstrategie darin bestehen, alle Signalspuren in einer oder mehreren Schichten zu platzieren, die sich neben der Leistungsschicht oder Masseebene befinden.Für die Stromversorgung sollte eine gute Schichtungsstrategie darin bestehen, dass die Leistungsschicht an die Masseebene angrenzt und der Abstand zwischen der Leistungsschicht und der Masseebene so gering wie möglich ist, was wir als „Schichtungsstrategie“ bezeichnen.

PCB-Stapel

Welche Art von Stapelstrategie kann helfen, EMI abzuschirmen und zu unterdrücken?Das folgende geschichtete Stapelschema geht davon aus, dass der Stromversorgungsstrom auf einer einzelnen Schicht fließt und dass eine einzelne Spannung oder mehrere Spannungen in verschiedenen Teilen derselben Schicht verteilt sind.Der Fall mehrerer Leistungsschichten wird später diskutiert.

4-lagige Platte

Es gibt einige potenzielle Probleme bei der Gestaltung von 4-lagigen Laminaten.Zunächst einmal ist der Abstand zwischen der Leistungsschicht und der Masseebene immer noch zu groß, selbst wenn sich die Signalschicht in der äußeren Schicht und die Stromversorgungs- und Masseebene in der inneren Schicht befinden.

Wenn die Kostenanforderung an erster Stelle steht, können die folgenden zwei Alternativen zum herkömmlichen 4-lagigen Karton in Betracht gezogen werden.Beide können die EMI-Unterdrückungsleistung verbessern, sie sind jedoch nur für den Fall geeignet, in dem die Dichte der Komponenten auf der Platine gering genug ist und genügend Fläche um die Komponenten herum vorhanden ist (um die erforderliche Kupferbeschichtung für die Stromversorgung zu platzieren).

Das erste ist das bevorzugte Schema.Die äußeren Schichten der Leiterplatte sind alle Schichten, und die mittleren beiden Schichten sind Signal- / Leistungsschichten.Die Stromversorgung auf der Signalschicht wird mit breiten Leitungen geführt, was die Pfadimpedanz des Stromversorgungsstroms und die Impedanz des Signalmikrostreifenpfads niedrig macht.Aus Sicht der EMI-Kontrolle ist dies die beste verfügbare 4-Lagen-PCB-Struktur.Im zweiten Schema trägt die äußere Schicht Strom und Masse, und die beiden mittleren Schichten tragen das Signal.Verglichen mit der herkömmlichen 4-Schicht-Platine ist die Verbesserung dieses Schemas geringer, und die Zwischenschichtimpedanz ist nicht so gut wie die der herkömmlichen 4-Schicht-Platine.

Wenn die Verdrahtungsimpedanz gesteuert werden soll, sollte das obige Stapelschema sehr darauf achten, die Verdrahtung unter der Kupferinsel der Stromversorgung und Erdung zu verlegen.Darüber hinaus sollte die Kupferinsel am Netzteil oder Stratum so weit wie möglich miteinander verbunden werden, um die Konnektivität zwischen DC und Niederfrequenz zu gewährleisten.

6-lagige Platte

Wenn die Dichte der Komponenten auf der 4-Schicht-Platte groß ist, ist die 6-Schicht-Platte besser.Allerdings ist die Abschirmwirkung einiger Stapelschemata beim Design von 6-Lagen-Platinen nicht gut genug, und das transiente Signal des Leistungsbusses wird nicht reduziert.Nachfolgend werden zwei Beispiele diskutiert.

Im ersten Fall werden die Stromversorgung und Masse in der zweiten bzw. fünften Schicht platziert.Aufgrund der hohen Impedanz der kupferkaschierten Stromversorgung ist es sehr ungünstig, die Gleichtakt-EMI-Strahlung zu kontrollieren.Vom Standpunkt der Signalimpedanzsteuerung ist dieses Verfahren jedoch sehr korrekt.

Im zweiten Beispiel sind die Stromversorgung und Masse in der dritten bzw. vierten Schicht angeordnet.Dieses Design löst das Problem der kupferummantelten Impedanz der Stromversorgung.Aufgrund der schlechten elektromagnetischen Abschirmleistung von Schicht 1 und Schicht 6 nimmt die EMI im Differentialmodus zu.Wenn die Anzahl der Signalleitungen auf den beiden äußeren Schichten am geringsten und die Länge der Leitungen sehr kurz ist (weniger als 1/20 der höchsten harmonischen Wellenlänge des Signals), kann das Design das Problem der Gegentakt-EMI lösen.Die Ergebnisse zeigen, dass die Unterdrückung von Gegentakt-EMI besonders gut ist, wenn die äußere Schicht mit Kupfer gefüllt und der kupferkaschierte Bereich geerdet ist (alle 1/20-Wellenlängenintervalle).Wie oben erwähnt, soll Kupfer verlegt werden


Postzeit: 29. Juli 2020