Hoe EMI-probleem oplossen in meerlagig PCB-ontwerp?

Weet jij hoe je het EMI-probleem kunt oplossen bij het ontwerpen van meerlaags PCB's?

Laat me je vertellen!

Er zijn veel manieren om EMI-problemen op te lossen. Moderne EMI-onderdrukkingsmethoden omvatten: het gebruik van EMI-onderdrukkingscoating, het selecteren van geschikte EMI-onderdrukkingsonderdelen en het ontwerp van EMI-simulatie. Gebaseerd op de meest elementaire PCB-lay-out, bespreekt dit artikel de functie van PCB-stack bij het beheersen van EMI-straling en PCB-ontwerpvaardigheden.

stroombus

De uitgangsspanningssprong van IC kan worden versneld door de juiste capaciteit in de buurt van de voedingspin van IC te plaatsen. Dit is echter niet het einde van het probleem. Vanwege de beperkte frequentierespons van de condensator, is het onmogelijk voor de condensator om het harmonische vermogen te genereren dat nodig is om de IC-uitgang schoon aan te sturen in de volledige frequentieband. Bovendien zal de tijdelijke spanning die op de vermogensbus wordt gevormd, een spanningsval veroorzaken aan beide uiteinden van de zelfinductie van het ontkoppelingspad. Deze transiënte spanningen zijn de belangrijkste EMI-interferentiebronnen in de gewone modus. Hoe kunnen we deze problemen oplossen?

In het geval van een IC op onze printplaat, kan de vermogenslaag rond de IC worden beschouwd als een goede hoogfrequente condensator, die de energie kan opvangen die wordt gelekt door de discrete condensator die hoogfrequente energie levert voor een schone output. Bovendien is de inductantie van een goede vermogenslaag klein, dus het transiënte signaal dat door de inductor wordt gesynthetiseerd, is ook klein, waardoor de common-mode EMI wordt verminderd.

Natuurlijk moet de verbinding tussen de voedingslaag en de IC-voedingspin zo kort mogelijk zijn, omdat de stijgende flank van het digitale signaal steeds sneller is. Het is beter om het rechtstreeks aan te sluiten op de pad waar de IC-voedingspin zich bevindt, wat apart moet worden besproken.

Om de common-mode EMI te regelen, moet de vermogenslaag een goed ontworpen paar vermogenslagen zijn om te helpen ontkoppelen en een voldoende lage inductantie hebben. Sommige mensen vragen zich misschien af: hoe goed is het? Het antwoord hangt af van de vermogenslaag, het materiaal tussen de lagen en de bedrijfsfrequentie (dwz een functie van de stijgtijd van de IC). Over het algemeen is de afstand tussen de krachtlagen 6 mil en de tussenlaag is FR4-materiaal, dus de equivalente capaciteit per vierkante inch vermogenslaag is ongeveer 75 pF. Het is duidelijk dat hoe kleiner de tussenruimte is, hoe groter de capaciteit.

Er zijn niet veel apparaten met een stijgtijd van 100-300ps, maar volgens de huidige ontwikkelingssnelheid van IC zullen de apparaten met een stijgtijd in het bereik van 100-300ps een hoog aandeel innemen. Voor circuits met stijgtijden van 100 tot 300 PS is een laagafstand van 3 mil niet langer van toepassing voor de meeste toepassingen. Op dat moment is het noodzakelijk om de delamineringstechnologie toe te passen met een tussenlaag van minder dan 1 mil, en het FR4-diëlektrische materiaal te vervangen door het materiaal met een hoge diëlektrische constante. Nu kunnen keramiek en ingemaakte kunststoffen voldoen aan de ontwerpvereisten van stijgtijdcircuits van 100 tot 300 ps.

Hoewel in de toekomst nieuwe materialen en methoden kunnen worden gebruikt, zijn gangbare stijgtijdcircuits van 1 tot 3 ns, laagafstand van 3 tot 6 mil en diëlektrische materialen van FR4 meestal voldoende om hoogwaardige harmonischen te verwerken en transiënte signalen laag genoeg te maken, dat wil zeggen , common mode EMI kan zeer laag worden verminderd. In dit document wordt het ontwerpvoorbeeld van PCB-gelaagde stapeling gegeven en wordt aangenomen dat de laagafstand 3 tot 6 mil is.

elektromagnetische afscherming

Vanuit het oogpunt van signaalroutering zou een goede gelaagdheidstrategie moeten zijn om alle signaalsporen in een of meer lagen te plaatsen, die zich naast de vermogenslaag of het grondvlak bevinden. Voor stroomvoorziening zou een goede laagstrategie moeten zijn dat de stroomlaag grenst aan het grondvlak, en dat de afstand tussen de stroomlaag en het grondvlak zo klein mogelijk moet zijn, wat we de "laagjesstrategie" noemen.

PCB-stapel

Welke stapelstrategie kan EMI helpen beschermen en onderdrukken? Het volgende gelaagde stapelschema gaat ervan uit dat de voedingsstroom op een enkele laag loopt en dat een enkele spanning of meerdere spanningen worden verdeeld over verschillende delen van dezelfde laag. Het geval van meerdere krachtlagen wordt later besproken.

4-laags plaat

Er zijn enkele potentiële problemen bij het ontwerp van 4-laags laminaten. Ten eerste, zelfs als de signaallaag zich in de buitenste laag bevindt en het stroom- en grondvlak in de binnenste laag, is de afstand tussen de stroomlaag en het grondvlak nog steeds te groot.

Als de kostenvereiste de eerste is, kunnen de volgende twee alternatieven voor de traditionele 4-laags plaat worden overwogen. Beiden kunnen de EMI-onderdrukkingsprestaties verbeteren, maar ze zijn alleen geschikt voor het geval dat de dichtheid van de componenten op het bord laag genoeg is en er voldoende ruimte is rond de componenten (om de vereiste koperen coating voor stroomtoevoer te plaatsen).

De eerste is het voorkeursschema. De buitenste lagen van de PCB zijn allemaal lagen, en de middelste twee lagen zijn signaal- / vermogenslagen. De voeding op de signaallaag wordt gerouteerd met brede lijnen, waardoor de padimpedantie van de voedingsstroom laag is en de impedantie van het signaal microstrippad laag. Vanuit het perspectief van EMI-besturing is dit de beste 4-laags PCB-structuur die er is. In het tweede schema draagt ​​de buitenste laag het vermogen en de aarde, en de middelste twee laag draagt ​​het signaal. Vergeleken met het traditionele 4-laags bord is de verbetering van dit schema kleiner en is de impedantie tussen de lagen niet zo goed als die van het traditionele 4-laags bord.

Als de bedradingsimpedantie moet worden gecontroleerd, moet het bovenstaande stapelschema heel voorzichtig zijn om de bedrading onder het koperen eiland van de voeding en aarding te leggen. Bovendien moet het koperen eiland op de voeding of de laag zoveel mogelijk met elkaar worden verbonden om de connectiviteit tussen DC en lage frequentie te waarborgen.

6-laags plaat

Als de dichtheid van de componenten op het 4-laags bord groot is, is de 6-laags plaat beter. Het afschermende effect van sommige stapelingschema's bij het ontwerp van een 6-laags bord is echter niet goed genoeg, en het tijdelijke signaal van de stroombus wordt niet verminderd. Hieronder worden twee voorbeelden besproken.

In het eerste geval worden de voeding en aarde in respectievelijk de tweede en vijfde laag geplaatst. Vanwege de hoge impedantie van een met koper beklede voeding, is het erg ongunstig om de common-mode EMI-straling te regelen. Vanuit het oogpunt van signaalimpedantiecontrole is deze methode echter zeer correct.

In het tweede voorbeeld zijn de voeding en aarde respectievelijk in de derde en vierde laag geplaatst. Dit ontwerp lost het probleem van de met koper beklede impedantie van de voeding op. Door de slechte elektromagnetische afschermprestaties van laag 1 en laag 6 neemt de differentiële modus EMI toe. Als het aantal signaallijnen op de twee buitenste lagen het kleinst is en de lengte van de lijnen erg kort is (minder dan 1/20 van de hoogste harmonische golflengte van het signaal), kan het ontwerp het probleem van differentiële modus EMI oplossen. De resultaten laten zien dat de onderdrukking van differentiële modus EMI vooral goed is wanneer de buitenste laag is gevuld met koper en het met koper beklede gebied is geaard (elk 1/20 golflengte-interval). Zoals hierboven vermeld, zal koper worden gelegd


Posttijd: 29 juli 2020