Como resolver o problema EMI no deseño de PCB multicapa?

¿Sabe resolver o problema EMI cando se proxecta un PCB de varias capas?

Déixame dicirche!

Hai moitos xeitos de resolver problemas EMI. Os métodos modernos de supresión de EMI inclúen: usar revestimento de supresión EMI, seleccionar pezas adecuadas de supresión EMI e deseño de simulación EMI. Baseado no deseño máis básico de PCB, este artigo analiza a función da pila de PCB no control da radiación EMI e das habilidades de deseño de PCB.

autobús eléctrico

O salto de tensión de saída de IC pode ser acelerado colocando unha capacitancia axeitada preto do pin de enerxía de IC. Non obstante, este non é o final do problema. Debido á resposta de frecuencia limitada do condensador, é imposible para o condensador xerar a potencia harmónica necesaria para dirixir a saída de IC limpiamente na banda de frecuencias completa. Ademais, a tensión transitoria formada no bus de enerxía causará caída de tensión nos dous extremos da inductancia do camiño de desacoplamiento. Estas tensións transitorias son as principais fontes de interferencia EMI de modo común. Como podemos resolver estes problemas?

No caso de IC na nosa placa de circuíto, a capa de potencia arredor da CI pode considerarse como un bo condensador de alta frecuencia, que pode recoller a enerxía filtrada polo condensador discreto que proporciona enerxía de alta frecuencia para unha produción limpa. Ademais, a inductancia dunha boa capa de potencia é pequena, polo que o sinal transitorio sintetizado polo indutor tamén é pequeno, reducindo así o modo común EMI.

Por suposto, a conexión entre a capa de alimentación e o pin de alimentación de CI debe ser o máis curto posible, porque o bordo ascendente do sinal dixital é máis rápido e rápido. É mellor conectalo directamente á almofada onde se atopa o pin de alimentación IC, que hai que discutir por separado.

Para controlar o EMI en modo común, a capa de potencia debe ser un par de capas de enerxía ben deseñado para axudar a desacoplarse e ter unha inductancia suficientemente baixa. Algunhas persoas poden preguntar, que bo é? A resposta depende da capa de potencia, do material entre as capas e da frecuencia de funcionamento (é dicir, unha función do tempo de subida de IC). En xeral, o espazo entre as capas de enerxía é de 6mil e a capa intermedia é material FR4, polo que a capacitancia equivalente por polgada cadrada de capa de potencia é de aproximadamente 75pF. Obviamente, canto maior sexa o espazo entre a capa, maior é a capacitancia.

Non hai moitos dispositivos cun tempo de ascenso de 100-300ps, pero segundo a taxa de desenvolvemento actual de IC, os dispositivos con tempo de subida no rango de 100-300ps ocuparán unha alta proporción. Para circuítos con tempos de ascenso de 100 a 300 CV, o espazo de 3 mil capas xa non é aplicable para a maioría das aplicacións. Nese momento, é necesario adoptar a tecnoloxía de delaminación coa distancia entre capas inferior a 1 milímetro e substituír o material dieléctrico FR4 polo material con alta constante dieléctrica. Agora, as cerámicas e plásticos en po poden satisfacer os requisitos de deseño de circuítos de tempo de ascenso de 100 a 300 pts.

Aínda que se poden empregar novos materiais e métodos no futuro, os circuítos comúns de 1 a 3 ns, o espazo entre as capas de 3 a 6 mil e os materiais dieléctricos FR4 adoitan ser suficientes para manexar harmónicos de gama alta e facer que os sinais transitorios sexan suficientemente baixos, é dicir, O modo común EMI pode reducirse moi baixo. Neste artigo, dáse o exemplo de deseño de apilamento en capas de PCB e suponse que o espazo entre capas é de 3 a 6 mil.

blindaje electromagnético

Desde o punto de vista do enrutamento do sinal, unha boa estratexia de capas debería ser colocar todos os rastros de sinal nunha ou máis capas, que están xunto á capa de potencia ou o plano terrestre. Para a subministración de enerxía, unha boa estratexia de capas debería ser que a capa de potencia estea adxacente ao plano terrestre e a distancia entre a capa de potencia e o plano terrestre sexa o máis pequena posible, que é o que chamamos estratexia de "capas".

Pila de PCB

Que tipo de estratexia de empilhado pode axudar a blindar e suprimir a EMI? O seguinte esquema de apilamento en capas supón que a corrente de subministración de enerxía flúe nunha soa capa e que a única tensión ou varias tensións distribúense en diferentes partes da mesma capa. Máis adiante falarase do caso de varias capas de potencia.

Prato de 4 capas

Hai algúns problemas potenciais no deseño de laminados de 4 capas. Primeiro de nada, aínda que a capa de sinal está na capa exterior e o plano de potencia e de terra se atopan na capa interior, a distancia entre a capa de potencia e o plano de terra é aínda demasiado grande.

Se o requisito de custo é o primeiro, pódense considerar as seguintes dúas alternativas á placa tradicional de 4 capas. Ambos poden mellorar o rendemento de supresión de EMI, pero só son adecuados para o caso de que a densidade dos compoñentes no taboleiro sexa bastante baixa e exista unha superficie suficiente arredor dos compoñentes (para colocar o revestimento de cobre necesario para a subministración de enerxía).

O primeiro é o esquema preferido. As capas externas do PCB son todas capas, e as dúas capas intermedias son capas de sinal / potencia. A fonte de alimentación da capa de sinal está dirixida con liñas amplas, o que fai que a impedancia de traxectoria da corrente de subministración de enerxía sexa baixa e a impedancia da ruta de microstrip de sinal baixa. Desde a perspectiva do control EMI, esta é a mellor estrutura de PCB de 4 capas dispoñible. No segundo esquema, a capa externa leva a potencia e a terra, e a capa media dúas leva o sinal. En comparación coa tarxeta tradicional de 4 capas, a mellora deste esquema é menor e a impedancia de entrelazados non é tan boa como a do taboleiro tradicional de 4 capas.

Se se quere controlar a impedancia do cableado, o esquema de empilhado anterior debería ter moito coidado para colocar o cableado baixo a illa de cobre de alimentación e terra. Ademais, a illa de cobre da fonte de alimentación ou estrato debe estar conectada o máximo posible para garantir a conectividade entre corrente continua e baixa frecuencia.

Placa de 6 capas

Se a densidade dos compoñentes da placa de 4 capas é grande, a placa de 6 capas é mellor. Non obstante, o efecto de blindaxe dalgúns esquemas de apilamento no deseño de placas de 6 capas non é suficientemente bo, e non se reduce o sinal transitorio do bus de enerxía. A continuación falamos de dous exemplos.

No primeiro caso, a fonte de alimentación e a terra sitúanse na segunda e na quinta capa respectivamente. Debido á elevada impedancia da alimentación cuberta de cobre, é moi desfavorable controlar a radiación EMI en modo común. Non obstante, desde o punto de vista do control de impedancia de sinal, este método é moi correcto.

No segundo exemplo, a fonte de alimentación e a terra sitúanse na terceira e cuarta capa respectivamente. Este deseño resolve o problema da impedancia revestida de cobre da fonte de alimentación. Debido ao escaso rendemento de blindaxe electromagnética da capa 1 e da capa 6, o modo diferencial EMI aumenta. Se o número de liñas de sinal nas dúas capas exteriores é o menor e a lonxitude das liñas é moi curta (menos de 1/20 da lonxitude de onda armónica máis alta do sinal), o deseño pode resolver o problema do modo diferencial EMI. Os resultados mostran que a supresión do modo diferencial EMI é especialmente boa cando a capa externa está chea de cobre e a área revestida de cobre está conectada a terra (cada intervalo de lonxitude de onda de 20/20). Como se mencionou anteriormente, colocarase o cobre


Data de publicación: 29 de xullo de 2020