Hvordan løser man EMI-problem i flerlags PCB-design?

Ved du, hvordan man løser EMI-problemet ved flerlags PCB-design?

Lad mig fortælle dig!

Der er mange måder at løse EMI-problemer på.Moderne EMI-undertrykkelsesmetoder omfatter: brug af EMI-undertrykkelsesbelægning, valg af passende EMI-undertrykkelsesdele og EMI-simuleringsdesign.Baseret på det mest basale PCB-layout diskuterer dette papir funktionen af ​​PCB-stak til at kontrollere EMI-stråling og PCB-designfærdigheder.

strømbus

Udgangsspændingsspringet fra IC kan accelereres ved at placere passende kapacitans nær strømstiften på IC.Dette er dog ikke slutningen på problemet.På grund af kondensatorens begrænsede frekvensrespons er det umuligt for kondensatoren at generere den harmoniske effekt, der er nødvendig for at drive IC-udgangen rent i det fulde frekvensbånd.Derudover vil den transiente spænding, der dannes på strømbussen, forårsage spændingsfald i begge ender af induktansen af ​​afkoblingsvejen.Disse transiente spændinger er de vigtigste almindelige EMI-interferenskilder.Hvordan kan vi løse disse problemer?

I tilfælde af IC på vores printkort, kan strømlaget omkring IC'en betragtes som en god højfrekvent kondensator, som kan opsamle den energi, der lækkes af den diskrete kondensator, der giver højfrekvent energi til rent output.Derudover er induktansen af ​​et godt effektlag lille, så det transiente signal, der syntetiseres af induktoren, er også lille, hvilket reducerer common mode EMI.

Selvfølgelig skal forbindelsen mellem strømforsyningslaget og IC-strømforsyningens ben være så kort som muligt, fordi den stigende flanke af det digitale signal er hurtigere og hurtigere.Det er bedre at forbinde det direkte til puden, hvor IC-strømstiften er placeret, hvilket skal diskuteres separat.

For at styre common mode EMI skal effektlaget være et veldesignet par effektlag for at hjælpe med at afkoble og have en tilstrækkelig lav induktans.Nogle mennesker vil måske spørge, hvor god er den?Svaret afhænger af effektlaget, materialet mellem lagene og driftsfrekvensen (dvs. en funktion af IC-stigningstiden).Generelt er afstanden mellem kraftlagene 6 mil, og mellemlaget er FR4-materiale, så den ækvivalente kapacitans pr. kvadrattomme af kraftlaget er omkring 75pF.Det er klart, at jo mindre lagafstanden er, jo større er kapacitansen.

Der er ikke mange enheder med en stigetid på 100-300ps, men ifølge den nuværende udviklingshastighed af IC vil enhederne med en stigetid i intervallet 100-300ps optage en høj andel.For kredsløb med 100 til 300 PS stigetider er 3 mil lagafstand ikke længere anvendelig til de fleste applikationer.På det tidspunkt er det nødvendigt at anvende delamineringsteknologien med mellemlagsafstanden mindre end 1 mil og erstatte det dielektriske FR4-materiale med materialet med høj dielektrisk konstant.Nu kan keramik og potteplast opfylde designkravene til 100 til 300ps stigetidskredsløb.

Selvom nye materialer og metoder kan blive brugt i fremtiden, er almindelige 1 til 3 ns stigetidskredsløb, 3 til 6 mil lagafstand og FR4 dielektriske materialer normalt tilstrækkelige til at håndtere avancerede harmoniske og gøre transiente signaler lave nok, dvs. , common mode EMI kan reduceres meget lavt.I dette papir er designeksemplet på PCB lagdelt stabling givet, og lagafstanden antages at være 3 til 6 mil.

elektromagnetisk afskærmning

Fra et signal routing synspunkt bør en god lagdelingsstrategi være at placere alle signalsporene i et eller flere lag, som ligger ved siden af ​​effektlaget eller jordplanet.For strømforsyning bør en god lagdelingsstrategi være, at strømlaget støder op til jordplanet, og afstanden mellem strømlaget og jordplanet skal være så lille som muligt, hvilket er det vi kalder "lagdelt" strategien.

PCB stak

Hvilken slags stablestrategi kan hjælpe med at beskytte og undertrykke EMI?Det følgende lagdelte stableskema antager, at strømforsyningsstrømmen flyder på et enkelt lag, og at en enkelt spænding eller flere spændinger er fordelt i forskellige dele af det samme lag.Tilfældet med flere kraftlag vil blive diskuteret senere.

4-lags plade

Der er nogle potentielle problemer i designet af 4-lags laminater.Først og fremmest, selvom signallaget er i det ydre lag, og effekt- og jordplanet er i det indre lag, er afstanden mellem effektlaget og jordplanet stadig for stor.

Hvis omkostningskravet er det første, kan følgende to alternativer til den traditionelle 4-lags plade overvejes.Begge kan forbedre EMI-undertrykkelsesydelsen, men de er kun egnede til tilfælde, hvor tætheden af ​​komponenterne på kortet er lav nok, og der er nok areal omkring komponenterne (til at placere den nødvendige kobberbelægning til strømforsyning).

Den første er den foretrukne ordning.De ydre lag af PCB er alle lag, og de to midterste lag er signal-/effektlag.Strømforsyningen på signallaget er dirigeret med brede linjer, hvilket gør baneimpedansen for strømforsyningsstrømmen lav og impedansen af ​​signalmikrostripbanen lav.Fra EMI-kontrolperspektivet er dette den bedste 4-lags PCB-struktur, der findes.I det andet skema bærer det ydre lag strømmen og jorden, og det midterste to lag bærer signalet.Sammenlignet med det traditionelle 4-lagskort er forbedringen af ​​denne ordning mindre, og mellemlagsimpedansen er ikke så god som den for den traditionelle 4-lags plade.

Hvis ledningsimpedansen skal kontrolleres, skal ovenstående stableskema være meget omhyggeligt med at lægge ledningerne under kobberøen af ​​strømforsyning og jording.Derudover bør kobberøen på strømforsyning eller stratum være sammenkoblet så meget som muligt for at sikre forbindelsen mellem DC og lav frekvens.

6-lags plade

Hvis tætheden af ​​komponenterne på 4-lags pladen er stor, er 6-lagspladen bedre.Imidlertid er afskærmningseffekten af ​​nogle stableordninger i designet af 6-lagskort ikke god nok, og det transiente signal fra strømbussen reduceres ikke.To eksempler diskuteres nedenfor.

I det første tilfælde er strømforsyningen og jorden placeret i henholdsvis andet og femte lag.På grund af den høje impedans af kobberbeklædt strømforsyning er det meget ugunstigt at styre den almindelige EMI-stråling.Men ud fra et synspunkt om signalimpedansstyring er denne metode meget korrekt.

I det andet eksempel er strømforsyningen og jorden placeret i henholdsvis tredje og fjerde lag.Dette design løser problemet med kobberbeklædt impedans af strømforsyningen.På grund af den dårlige elektromagnetiske afskærmningsydeevne af lag 1 og lag 6 øges differentialtilstandens EMI.Hvis antallet af signallinjer på de to ydre lag er det mindste, og længden af ​​linjerne er meget kort (mindre end 1/20 af signalets højeste harmoniske bølgelængde), kan designet løse problemet med differential mode EMI.Resultaterne viser, at undertrykkelsen af ​​differential mode EMI er særlig god, når det ydre lag er fyldt med kobber, og det kobberbeklædte område er jordet (hvert 1/20 bølgelængdeinterval).Som nævnt ovenfor skal der udlægges kobber


Indlægstid: 29. juli 2020