Wie löse ich das EMI-Problem im Multilayer-PCB-Design?

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 der EMI-Unterdrückungsbeschichtung, Auswahl geeigneter EMI-Unterdrückungsteile und EMI-Simulationsdesign. Basierend auf dem grundlegendsten PCB-Layout wird in diesem Dokument die Funktion des PCB-Stapels bei der Steuerung der EMI-Strahlung und der PCB-Designfähigkeiten erläutert.

Leistungsbus

Der Ausgangsspannungssprung des IC kann beschleunigt werden, indem eine geeignete Kapazität in der Nähe des Leistungsstifts 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 im gesamten Frequenzband sauber anzusteuern. Zusätzlich verursacht die auf dem Leistungsbus gebildete transiente Spannung einen Spannungsabfall an beiden Enden der Induktivität des Entkopplungspfades. Diese transienten Spannungen sind die wichtigsten Gleichtakt-EMI-Interferenzquellen. Wie können wir diese Probleme lösen?

Im Fall eines IC auf unserer Leiterplatte kann die Leistungsschicht um den IC als ein guter Hochfrequenzkondensator angesehen werden, der die von dem diskreten Kondensator austretende Energie sammeln kann, die Hochfrequenzenergie für eine saubere Ausgabe liefert. Außerdem ist die Induktivität einer guten Leistungsschicht klein, so dass das vom Induktor synthetisierte transiente Signal ebenfalls klein ist, wodurch die Gleichtakt-EMI verringert wird.

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

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

Es gibt nicht viele Geräte mit einer Anstiegszeit von 100 bis 300 ps, ​​aber gemäß der aktuellen Entwicklungsrate von IC werden Geräte mit einer Anstiegszeit im Bereich von 100 bis 300 ps einen hohen Anteil einnehmen. Für Schaltungen mit Anstiegszeiten von 100 bis 300 PS gilt für die meisten Anwendungen kein Schichtabstand von 3 mil mehr. Zu diesem Zeitpunkt ist es notwendig, die Delaminierungstechnologie mit einem Zwischenschichtabstand von weniger als 1 mil anzuwenden und das dielektrische FR4-Material durch das Material mit hoher Dielektrizitätskonstante zu ersetzen. Jetzt können Keramik und Topfkunststoffe die Konstruktionsanforderungen von Anstiegszeitschaltungen mit 100 bis 300 ps erfüllen.

Obwohl in Zukunft möglicherweise neue Materialien und Verfahren verwendet werden, reichen übliche Anstiegszeitschaltungen von 1 bis 3 ns, Schichtabstände von 3 bis 6 mil und dielektrische FR4-Materialien normalerweise aus, um High-End-Harmonische zu handhaben und transiente Signale niedrig genug zu machen, d. H. Gleichtakt-EMI kann sehr niedrig reduziert werden. In dieser Arbeit wird das Entwurfsbeispiel für das Stapeln von PCB-Schichten angegeben, und der Schichtabstand wird mit 3 bis 6 mil angenommen.

elektromagnetische Abschirmung

Unter dem Gesichtspunkt der Signalführung sollte eine gute Schichtstrategie darin bestehen, alle Signalspuren in einer oder mehreren Schichten zu platzieren, die sich neben der Leistungsschicht oder der Grundebene befinden. Für die Stromversorgung sollte eine gute Schichtstrategie darin bestehen, dass die Leistungsschicht an die Grundebene 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 dazu beitragen, EMI abzuschirmen und zu unterdrücken? Das folgende Schichtstapelschema setzt voraus, 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 erörtert.

4-lagige Platte

Es gibt einige mögliche Probleme bei der Konstruktion von 4-lagigen Laminaten. Erstens ist der Abstand zwischen der Leistungsschicht und der Grundebene immer noch zu groß, selbst wenn sich die Signalschicht in der äußeren Schicht befindet und sich die Leistungs- und Masseebene in der inneren Schicht befinden.

Wenn die Kostenanforderung die erste ist, können die folgenden zwei Alternativen zur herkömmlichen 4-lagigen Platte in Betracht gezogen werden. Beide können die EMI-Unterdrückungsleistung verbessern, sind jedoch nur für den Fall geeignet, dass die Dichte der Komponenten auf der Platine niedrig 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 zwei Schichten sind Signal- / Leistungsschichten. Die Stromversorgung auf der Signalschicht wird mit breiten Leitungen geleitet, wodurch die Pfadimpedanz des Stromversorgungsstroms niedrig und die Impedanz des Signal-Mikrostreifenpfads niedrig wird. Aus Sicht der EMI-Steuerung ist dies die beste verfügbare 4-Schicht-Leiterplattenstruktur. Im zweiten Schema trägt die äußere Schicht die Leistung und Masse, und die mittleren zwei Schichten tragen das Signal. Im Vergleich zu der herkömmlichen 4-Lagen-Platine ist die Verbesserung dieses Schemas geringer und die Zwischenschichtimpedanz ist nicht so gut wie die der herkömmlichen 4-Lagen-Platine.

Wenn die Verdrahtungsimpedanz gesteuert werden soll, sollte das obige Stapelschema sehr vorsichtig sein, um die Verdrahtung unter der Kupferinsel der Stromversorgung und Erdung zu verlegen. Darüber hinaus sollte die Kupferinsel an der Stromversorgung oder Schicht so weit wie möglich miteinander verbunden werden, um die Konnektivität zwischen Gleichstrom und Niederfrequenz sicherzustellen.

6-lagige Platte

Wenn die Dichte der Komponenten auf der 4-Schicht-Platte groß ist, ist die 6-Schicht-Platte besser. Der Abschirmeffekt einiger Stapelschemata beim Entwurf einer 6-Schicht-Platine ist jedoch nicht gut genug, und das Übergangssignal des Leistungsbusses wird nicht verringert. Zwei Beispiele werden unten diskutiert.

Im ersten Fall befinden sich die Stromversorgung und die Erdung in der zweiten bzw. fünften Schicht. Aufgrund der hohen Impedanz der kupferkaschierten Stromversorgung ist es sehr ungünstig, die Gleichtakt-EMI-Strahlung zu steuern. Unter dem Gesichtspunkt der Signalimpedanzsteuerung ist dieses Verfahren jedoch sehr korrekt.

Im zweiten Beispiel sind die Stromversorgung und die Erdung in der dritten bzw. vierten Schicht angeordnet. Diese Konstruktion löst das Problem der kupferkaschierten Impedanz der Stromversorgung. Aufgrund der schlechten elektromagnetischen Abschirmleistung von Schicht 1 und Schicht 6 steigt die EMI im Differentialmodus an. Wenn die Anzahl der Signalleitungen auf den beiden äußeren Schichten am geringsten ist und die Länge der Leitungen sehr kurz ist (weniger als 1/20 der Wellenlänge der höchsten Harmonischen des Signals), kann der Entwurf das Problem der Differenzialmodus-EMI lösen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Unterdrückung der Differentialmodus-EMI besonders gut ist, wenn die äußere Schicht mit Kupfer gefüllt und der kupferkaschierte Bereich geerdet ist (alle 1/20 Wellenlängenintervall). Wie oben erwähnt, ist Kupfer zu verlegen


Beitragszeit: 29.07.2020