Hur löser jag EMI-problem i multilayer PCB-design?

Vet du hur man löser EMI-problemet vid design med flera lager PCB?

Låt mig berätta för dig!

Det finns många sätt att lösa EMI-problem. Moderna EMI-undertryckningsmetoder inkluderar: att använda EMI-undertryckningsbeläggning, välja lämpliga EMI-undertryckningsdelar och EMI-simuleringsdesign. Baserat på den mest grundläggande PCB-layouten diskuterar detta papper PCB-stackens funktion för att kontrollera EMI-strålning och PCB-designfärdigheter.

kraftbuss

Utgångsspänningshoppet på IC kan påskyndas genom att placera lämplig kapacitans nära IC-strömstiftet. Detta är dock inte slutet på problemet. På grund av kondensatorns begränsade frekvenssvar är det omöjligt för kondensatorn att generera den harmoniska effekt som behövs för att driva IC-utgången rent i hela frekvensbandet. Dessutom kommer den transienta spänningen som bildas på kraftbussen orsaka spänningsfall i båda ändarna av induktansen hos frikopplingsbanan. Dessa övergående spänningar är de vanligaste EMI-störningskällorna för vanligt läge. Hur kan vi lösa dessa problem?

När det gäller IC på vårt kretskort kan kraftlagret runt IC betraktas som en bra högfrekvent kondensator, som kan samla in den energi som läckts ut av den diskreta kondensatorn som ger högfrekvent energi för ren effekt. Dessutom är induktansen hos ett bra kraftlager liten, så den transienta signalen som syntetiseras av induktorn är också liten, vilket minskar det gemensamma läget EMI.

Naturligtvis måste kopplingen mellan strömförsörjningsskiktet och IC-strömförsörjningsstiftet vara så kort som möjligt, eftersom den stigande kanten på den digitala signalen är snabbare och snabbare. Det är bättre att ansluta den direkt till dynan där IC-stiftet sitter, vilket måste diskuteras separat.

För att styra EMI i vanligt läge måste kraftlagret vara ett väl utformat par kraftlager för att hjälpa till att avkoppla och ha en tillräckligt låg induktans. Vissa människor kanske frågar, hur bra är det? Svaret beror på kraftlagret, materialet mellan lagren och arbetsfrekvensen (dvs en funktion av IC-stigtid). I allmänhet är avståndet mellan kraftlager 6 mil, och mellanlagret är FR4-material, så den ekvivalenta kapacitansen per kvadrat tum kraftlager är cirka 75 pF. Uppenbarligen, desto mindre lageravstånd, desto större är kapacitansen.

Det finns inte många enheter med en stigningstid på 100-300 pund, men enligt den nuvarande utvecklingsgraden för IC kommer enheterna med stigningstiden i intervallet 100-300 pund att uppta en hög andel. För kretsar med 100 till 300 PS stigtider är 3 mil lageravstånd inte längre tillämpligt för de flesta applikationer. Vid den tidpunkten är det nödvändigt att anta delamineringstekniken med mellanlagrets avstånd mindre än 1 mil och ersätta FR4-dielektriskt material med materialet med hög dielektrisk konstant. Nu kan keramik och plast i plast uppfylla konstruktionskraven på 100 till 300ps stigningskretsar.

Även om nya material och metoder kan användas i framtiden, är vanliga 1 till 3 ns stigningskretsar, 3 till 6 mils lageravstånd och FR4 dielektriska material vanligtvis tillräckliga för att hantera avancerade övertoner och göra transienta signaler tillräckligt låga, det vill säga , kan EMI för vanligt läge reduceras mycket lågt. I detta papper anges konstruktionsexemplet på PCB-skiktad stapling och skiktavståndet antas vara 3 till 6 mil.

elektromagnetisk avskärmning

Ur signalriktningssynpunkt bör en bra lagerstrategi vara att placera alla signalspår i ett eller flera lager, som ligger bredvid kraftlagret eller jordplanet. För strömförsörjning bör en bra lagerläggningsstrategi vara att kraftlagret ligger i anslutning till markplanet, och avståndet mellan kraftlagret och markplanet ska vara så litet som möjligt, vilket vi kallar ”skiktning” -strategin.

PCB-stack

Vilken typ av staplingsstrategi kan hjälpa till att skydda och undertrycka EMI? Följande skiktade staplingsschema antar att strömförsörjningsströmmen flyter på ett enda lager och att enspänning eller flera spänningar är fördelade i olika delar av samma skikt. Fallet med flera kraftlager kommer att diskuteras senare.

4-lags platta

Det finns några potentiella problem i utformningen av 4-lagers laminat. Först och främst, även om signalskiktet är i det yttre lagret och kraft- och markplanet är i det inre skiktet, är avståndet mellan kraftlagret och markplanet fortfarande för stort.

Om kostnadskravet är det första, kan följande två alternativ till det traditionella 4-lagsskivan övervägas. Båda kan förbättra EMI-undertryckningsprestanda, men de är bara lämpliga för fallet där komponentens densitet är tillräckligt låg och det finns tillräckligt med område runt komponenterna (för att placera den nödvändiga kopparbeläggningen för strömförsörjning).

Det första är det föredragna schemat. De yttre lagren av PCB är alla lager, och de två mellersta lagren är signal / effektlager. Strömförsörjningen på signalskiktet dirigeras med breda linjer, vilket gör banans impedans för strömförsörjningsströmmen låg och impedansen för signalmikrostripbanan låg. Ur EMI-styrningens perspektiv är detta den bästa fyra-lager PCB-strukturen som finns tillgänglig. I det andra schemat bär det yttre lagret kraften och marken, och det mellersta två skiktet bär signalen. Jämfört med det traditionella 4-lagersskivan är förbättringen av detta schema mindre, och mellanlagringsimpedansen är inte lika bra som den för det traditionella 4-skiktsskivan.

Om ledningsimpedansen ska kontrolleras, bör ovanstående staplingsschema vara mycket noga med att lägga ledningarna under kopparö för strömförsörjning och jordning. Dessutom bör kopparön på strömförsörjning eller stratum kopplas så mycket som möjligt för att säkerställa anslutningen mellan DC och lågfrekvens.

6-lags platta

Om tätheten hos komponenterna på 4-skivkortet är stor, är 6-skiktsplattan bättre. Emellertid är skärmningseffekten av vissa staplingsscheman vid utformningen av 6-skiktsskiva inte tillräckligt bra, och den övergående signalen från kraftbussen reduceras inte. Två exempel diskuteras nedan.

I det första fallet placeras strömförsörjningen och marken i det andra respektive femte lagret. På grund av den höga impedansen hos kopparbelagd strömförsörjning är det mycket ogynnsamt att styra EMI-strålningen för vanligt läge. Men med tanke på signalimpedansreglering är denna metod mycket korrekt.

I det andra exemplet placeras strömförsörjningen och marken i det tredje respektive fjärde lagret. Denna design löser problemet med kopparpläterad impedans av strömförsörjningen. På grund av den dåliga elektromagnetiska skärmningsprestandan hos skikt 1 och skikt 6 ökar det differentiella läget EMI. Om antalet signallinjer på de två yttre skikten är minst och längden på linjerna är mycket kort (mindre än 1/20 av signalens högsta harmoniska våglängd) kan designen lösa problemet med differentiellt läge EMI. Resultaten visar att undertrycket av differentiellt läge EMI är särskilt bra när det yttre lagret fylls med koppar och kopparklädda området är jordat (varje 1/20 våglängdsintervall). Som nämnts ovan ska koppar läggas


Posttid: 29-220 jul