Πώς να λύσετε το πρόβλημα EMI στο σχεδιασμό πολυστρωματικών PCB;

Γνωρίζετε πώς να λύσετε το πρόβλημα EMI όταν σχεδιάζετε PCB πολλαπλών επιπέδων;

Επιτρέψτε μου να σας πω!

Υπάρχουν πολλοί τρόποι επίλυσης προβλημάτων EMI.Οι σύγχρονες μέθοδοι καταστολής EMI περιλαμβάνουν: χρήση επικάλυψης καταστολής EMI, επιλογή κατάλληλων εξαρτημάτων καταστολής EMI και σχεδιασμό προσομοίωσης EMI.Με βάση την πιο βασική διάταξη PCB, αυτή η εργασία εξετάζει τη λειτουργία της στοίβας PCB στον έλεγχο της ακτινοβολίας EMI και των δεξιοτήτων σχεδιασμού PCB.

ηλεκτρικό λεωφορείο

Το άλμα τάσης εξόδου του IC μπορεί να επιταχυνθεί τοποθετώντας την κατάλληλη χωρητικότητα κοντά στον ακροδέκτη ισχύος του IC.Ωστόσο, αυτό δεν είναι το τέλος του προβλήματος.Λόγω της περιορισμένης απόκρισης συχνότητας του πυκνωτή, είναι αδύνατο για τον πυκνωτή να παράγει την αρμονική ισχύ που απαιτείται για την καθαρή οδήγηση της εξόδου IC στην πλήρη ζώνη συχνοτήτων.Επιπλέον, η μεταβατική τάση που σχηματίζεται στο δίαυλο ισχύος θα προκαλέσει πτώση τάσης και στα δύο άκρα της αυτεπαγωγής της διαδρομής αποσύνδεσης.Αυτές οι μεταβατικές τάσεις είναι οι κύριες πηγές παρεμβολών EMI κοινής λειτουργίας.Πώς μπορούμε να λύσουμε αυτά τα προβλήματα;

Στην περίπτωση του IC στην πλακέτα κυκλώματος μας, το επίπεδο ισχύος γύρω από το IC μπορεί να θεωρηθεί ως ένας καλός πυκνωτής υψηλής συχνότητας, ο οποίος μπορεί να συλλέξει την ενέργεια που διαρρέει από τον διακριτό πυκνωτή που παρέχει ενέργεια υψηλής συχνότητας για καθαρή έξοδο.Επιπλέον, η επαγωγή ενός καλού στρώματος ισχύος είναι μικρή, επομένως το μεταβατικό σήμα που συντίθεται από τον επαγωγέα είναι επίσης μικρό, μειώνοντας έτσι το EMI κοινής λειτουργίας.

Φυσικά, η σύνδεση μεταξύ του στρώματος τροφοδοσίας και του ακροδέκτη τροφοδοσίας IC πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο σύντομη, επειδή η ανερχόμενη άκρη του ψηφιακού σήματος είναι ολοένα και πιο γρήγορη.Είναι καλύτερα να το συνδέσετε απευθείας στο pad όπου βρίσκεται η ακίδα τροφοδοσίας IC, κάτι που πρέπει να συζητηθεί ξεχωριστά.

Προκειμένου να ελέγχεται το EMI κοινής λειτουργίας, το επίπεδο ισχύος πρέπει να είναι ένα καλά σχεδιασμένο ζεύγος επιπέδων ισχύος που να βοηθά στην αποσύνδεση και να έχει αρκετά χαμηλή επαγωγή.Μερικοί άνθρωποι μπορεί να ρωτήσουν, πόσο καλό είναι;Η απάντηση εξαρτάται από το επίπεδο ισχύος, το υλικό μεταξύ των στρωμάτων και τη συχνότητα λειτουργίας (δηλαδή, συνάρτηση του χρόνου ανόδου του IC).Γενικά, η απόσταση των στρωμάτων ισχύος είναι 6 mil και το ενδιάμεσο στρώμα είναι υλικό FR4, επομένως η ισοδύναμη χωρητικότητα ανά τετραγωνική ίντσα του στρώματος ισχύος είναι περίπου 75 pF.Προφανώς, όσο μικρότερη είναι η απόσταση των στρωμάτων, τόσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα.

Δεν υπάρχουν πολλές συσκευές με χρόνο ανόδου 100-300ps, αλλά σύμφωνα με τον τρέχοντα ρυθμό ανάπτυξης του IC, οι συσκευές με χρόνο ανόδου στην περιοχή 100-300ps θα καταλαμβάνουν υψηλό ποσοστό.Για κυκλώματα με χρόνους ανόδου 100 έως 300 PS, η απόσταση στρώσεων 3 mil δεν ισχύει πλέον για τις περισσότερες εφαρμογές.Εκείνη τη στιγμή, είναι απαραίτητο να υιοθετηθεί η τεχνολογία αποκόλλησης με την απόσταση μεταξύ των στρωμάτων μικρότερη από 1 mil και να αντικατασταθεί το διηλεκτρικό υλικό FR4 με το υλικό με υψηλή διηλεκτρική σταθερά.Τώρα, τα κεραμικά και τα πλαστικά σε γλάστρες μπορούν να ικανοποιήσουν τις σχεδιαστικές απαιτήσεις των κυκλωμάτων χρόνου ανόδου 100 έως 300ps.

Αν και νέα υλικά και μέθοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν στο μέλλον, κοινά κυκλώματα χρόνου ανόδου 1 έως 3 ns, απόσταση στρώσεων 3 έως 6 mil και διηλεκτρικά υλικά FR4 είναι συνήθως επαρκή για να χειρίζονται αρμονικές υψηλών προδιαγραφών και να κάνουν τα μεταβατικά σήματα αρκετά χαμηλά, δηλαδή , το EMI κοινής λειτουργίας μπορεί να μειωθεί πολύ χαμηλά.Σε αυτό το έγγραφο, δίνεται το παράδειγμα σχεδίασης της στοίβαξης σε στρώματα PCB και η απόσταση των στρωμάτων θεωρείται ότι είναι 3 έως 6 mil.

ηλεκτρομαγνητική θωράκιση

Από την άποψη της δρομολόγησης σήματος, μια καλή στρατηγική στρωματοποίησης θα πρέπει να είναι η τοποθέτηση όλων των ιχνών σήματος σε ένα ή περισσότερα στρώματα, τα οποία βρίσκονται δίπλα στο επίπεδο ισχύος ή στο επίπεδο γείωσης.Για την τροφοδοσία, μια καλή στρατηγική στρώσης θα πρέπει να είναι το επίπεδο ισχύος να είναι δίπλα στο επίπεδο γείωσης και η απόσταση μεταξύ του επιπέδου ισχύος και του επιπέδου γείωσης πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερη, κάτι που ονομάζουμε στρατηγική «στρώσης».

Στοίβα PCB

Τι είδους στρατηγική στοίβαξης μπορεί να βοηθήσει στην προστασία και την καταστολή του EMI;Το ακόλουθο σχήμα στοίβαξης στρώσεων προϋποθέτει ότι το ρεύμα τροφοδοσίας ρεύματος ρέει σε ένα μόνο στρώμα και ότι η μεμονωμένη τάση ή πολλαπλές τάσεις κατανέμονται σε διαφορετικά μέρη του ίδιου στρώματος.Η περίπτωση πολλαπλών επιπέδων ισχύος θα συζητηθεί αργότερα.

4φυλλη πλάκα

Υπάρχουν ορισμένα πιθανά προβλήματα στο σχεδιασμό των πολυστρωματικών τεσσάρων στρώσεων.Πρώτα απ 'όλα, ακόμα κι αν το στρώμα σήματος βρίσκεται στο εξωτερικό στρώμα και το επίπεδο ισχύος και γείωσης βρίσκονται στο εσωτερικό στρώμα, η απόσταση μεταξύ του επιπέδου ισχύος και του επιπέδου γείωσης εξακολουθεί να είναι πολύ μεγάλη.

Εάν η απαίτηση κόστους είναι η πρώτη, μπορούν να εξεταστούν οι ακόλουθες δύο εναλλακτικές λύσεις αντί της παραδοσιακής σανίδας 4 στρώσεων.Και τα δύο μπορούν να βελτιώσουν την απόδοση καταστολής EMI, αλλά είναι κατάλληλα μόνο για την περίπτωση που η πυκνότητα των εξαρτημάτων στην πλακέτα είναι αρκετά χαμηλή και υπάρχει αρκετή περιοχή γύρω από τα εξαρτήματα (για να τοποθετηθεί η απαιτούμενη επίστρωση χαλκού για τροφοδοσία ρεύματος).

Το πρώτο είναι το προτιμώμενο σχήμα.Τα εξωτερικά στρώματα του PCB είναι όλα στρώματα και τα δύο μεσαία στρώματα είναι επίπεδα σήματος / ισχύος.Το τροφοδοτικό στο στρώμα σήματος δρομολογείται με φαρδιές γραμμές, γεγονός που καθιστά την σύνθετη αντίσταση διαδρομής του ρεύματος τροφοδοσίας χαμηλή και τη σύνθετη αντίσταση της διαδρομής μικρολωρίδας σήματος χαμηλή.Από την άποψη του ελέγχου EMI, αυτή είναι η καλύτερη διαθέσιμη δομή PCB 4 επιπέδων.Στο δεύτερο σχήμα, το εξωτερικό στρώμα μεταφέρει την ισχύ και τη γείωση και το μεσαίο δύο στρώμα μεταφέρει το σήμα.Σε σύγκριση με την παραδοσιακή πλακέτα 4 επιπέδων, η βελτίωση αυτού του σχήματος είναι μικρότερη και η σύνθετη αντίσταση μεταξύ των στρωμάτων δεν είναι τόσο καλή όσο αυτή της παραδοσιακής πλακέτας 4 επιπέδων.

Εάν η σύνθετη αντίσταση καλωδίωσης πρόκειται να ελεγχθεί, το παραπάνω σχέδιο στοίβαξης θα πρέπει να είναι πολύ προσεκτικό για να τοποθετήσετε την καλωδίωση κάτω από τη χάλκινη νησίδα τροφοδοσίας και γείωσης.Επιπλέον, η χάλκινη νησίδα στο τροφοδοτικό ή στο στρώμα πρέπει να διασυνδέεται όσο το δυνατόν περισσότερο για να διασφαλίζεται η συνδεσιμότητα μεταξύ DC και χαμηλής συχνότητας.

6φυλλη πλάκα

Εάν η πυκνότητα των εξαρτημάτων στην πλακέτα 4 στρώσεων είναι μεγάλη, η πλάκα 6 στρώσεων είναι καλύτερη.Ωστόσο, το φαινόμενο θωράκισης ορισμένων σχημάτων στοίβαξης στο σχεδιασμό πλακέτας 6 επιπέδων δεν είναι αρκετά καλό και το μεταβατικό σήμα του διαύλου ισχύος δεν μειώνεται.Δύο παραδείγματα συζητούνται παρακάτω.

Στην πρώτη περίπτωση, το τροφοδοτικό και η γείωση τοποθετούνται στη δεύτερη και πέμπτη στρώση αντίστοιχα.Λόγω της υψηλής σύνθετης αντίστασης του τροφοδοτικού με επένδυση χαλκού, είναι πολύ δυσμενής ο έλεγχος της ακτινοβολίας EMI κοινής λειτουργίας.Ωστόσο, από την άποψη του ελέγχου της σύνθετης αντίστασης σήματος, αυτή η μέθοδος είναι πολύ σωστή.

Στο δεύτερο παράδειγμα, το τροφοδοτικό και η γείωση τοποθετούνται στο τρίτο και τέταρτο στρώμα αντίστοιχα.Αυτός ο σχεδιασμός λύνει το πρόβλημα της σύνθετης αντίστασης της τροφοδοσίας με επένδυση χαλκού.Λόγω της κακής απόδοσης ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης του στρώματος 1 και του στρώματος 6, το EMI διαφορικής λειτουργίας αυξάνεται.Εάν ο αριθμός των γραμμών σήματος στα δύο εξωτερικά στρώματα είναι ο μικρότερος και το μήκος των γραμμών είναι πολύ μικρό (λιγότερο από το 1/20 του υψηλότερου αρμονικού μήκους κύματος του σήματος), ο σχεδιασμός μπορεί να λύσει το πρόβλημα της διαφορικής λειτουργίας EMI.Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η καταστολή του διαφορικού τρόπου EMI είναι ιδιαίτερα καλή όταν το εξωτερικό στρώμα είναι γεμάτο με χαλκό και η περιοχή με επένδυση χαλκού είναι γειωμένη (κάθε διάστημα μήκους κύματος 1/20).Όπως προαναφέρθηκε, θα τοποθετηθεί χαλκός


Ώρα δημοσίευσης: 29 Ιουλίου 2020