Kuidas lahendada EMI probleem mitmekihiliste trükkplaatide kujundamisel?

Kas teate, kuidas mitmekihiliste PCB-de kujundamisel EMI probleemi lahendada?

Las ma räägin sulle!

EMI probleemide lahendamiseks on palju võimalusi. Kaasaegsete EMI supressioonimeetodite hulka kuuluvad: EMI supressioonkatte kasutamine, sobivate EMI supressiooniosade valimine ja EMI simulatsiooni kujundus. Kõige elementaarsema PCB paigutuse põhjal käsitletakse käesolevas dokumendis PCB virna funktsiooni EMI kiirguse ja PCB kujundamise oskuste kontrollimisel.

elektribuss

IC väljundpinge hüppelist kiirust saab kiirendada, paigutades IC mahtpistiku lähedale sobiva mahtuvuse. See pole aga probleemi lõpp. Kondensaatori piiratud sagedusreaktsiooni tõttu on kondensaatoril võimatu genereerida harmoonilist võimsust, mis on vajalik IC väljundi puhtaks juhtimiseks kogu sagedusalas. Lisaks põhjustab toitebussile tekkiv siirdepinge pinge languse lahtisidumise tee induktiivsuse mõlemas otsas. Need siirdepinged on peamised tavalise režiimi EMI häirete allikad. Kuidas saaksime neid probleeme lahendada?

Meie trükkplaadil oleva IC korral võib IC-d ümbritsevat energiakihti pidada heaks kõrgsageduskondensaatoriks, mis suudab koguda diskreetse kondensaatori poolt lekkinud energiat, mis annab puhta väljundi jaoks kõrgsageduslikku energiat. Lisaks on hea võimsuskihi induktiivsus väike, seega on ka induktiivpooli sünteesitav siirdesignaal väike, vähendades seega ühisrežiimi EMI-d.

Muidugi peab toiteallikakihi ja IC toiteallika tihvti vaheline ühendus olema võimalikult lühike, sest digitaalsignaali tõusev serv on üha kiirem. Parem on ühendada see otse padjaga, kus asub IC toitepistik, mida tuleb eraldi arutada.

Ühisrežiimi EMI juhtimiseks peab toitekiht olema hästi kavandatud toitekihtide paar, mis aitab lahti siduda ja millel on piisavalt madal induktiivsus. Mõni inimene võib küsida, kui hea see on? Vastus sõltub võimsuskihist, kihtide vahelisest materjalist ja töösagedusest (st IC tõusuaja funktsioonist). Üldiselt on energiakihtide vahekaugus 6mil ja vahekiht on materjalist FR4, seega on ekvivalentne mahtuvus võimsuskihi ruuttollil umbes 75pF. Ilmselt, mida väiksem on kihtide vahe, seda suurem on mahtuvus.

100-300ps tõusuajaga seadmeid pole palju, kuid vastavalt IC praegusele arengukiirusele hõivavad suure osa seadmed, mille tõusuaeg on vahemikus 100-300ps. Vooluahelate puhul, mille tõusuaeg on 100–300 PS, ei ole enamiku rakenduste korral enam 3-millimeetrine kihi vahekaugus kohaldatud. Sel ajal on vaja kasutada delameerimistehnoloogiat, mille vahekiht on väiksem kui 1mil, ja asendada FR4 dielektriline materjal kõrge dielektrilise konstandiga materjaliga. Nüüd suudavad keraamika ja plastikplast vastata projekteerimisnõuetele 100–300ps tõusuaja vooluahelates.

Kuigi tulevikus võidakse kasutada uusi materjale ja meetodeid, piisab tipptasemel harmooniliste käitlemiseks ja mööduvate signaalide piisavalt madalaks muutmiseks tavalistest 1–3 ns tõusuaja vooluringidest, 3–6-millimeetristest kihtide vahekaugustest ja FR4 dielektrilistest materjalidest. , ühise režiimi EMI-d saab vähendada väga madalaks. Selles töös on toodud PCB kihiliste virnastuste kujundusnäide ja eeldatakse, et kihtide vahe on 3 kuni 6 miljonit.

elektromagnetiline varjestus

Signaali suunamise seisukohast peaks hea kihistumisstrateegia olema kõigi signaalijälgede paigutamine ühte või mitmesse kihti, mis asuvad võimsuskihi või maandumistasandi kõrval. Toiteallika jaoks peaks heaks kihistusstrateegiaks olema see, et energiakiht külgneb alusplaadiga ning toitekihi ja alusplaadi vaheline kaugus peaks olema võimalikult väike, mida me nimetame “kihilisuse” strateegiaks.

PCB korstnat

Milline virnastamisstrateegia aitab kaitsta ja pärssida EMI-d? Järgmine kihiline virnastamisskeem eeldab, et toiteallika vool voolab ühel kihil ja ühe pinge või mitu pinget jaotatakse sama kihi erinevates osades. Mitme energiakihi juhtumit arutatakse hiljem.

4-kihiline plaat

Neljakihiliste laminaatide kujundamisel on mõned potentsiaalsed probleemid. Esiteks, isegi kui signaalikiht asub välimises kihis ja võimsus ning aluspind asuvad sisemises kihis, on jõudkihi ja alusplaadi vaheline kaugus ikkagi liiga suur.

Kui kulunõue on esimene, võib kaaluda kahte järgmist alternatiivi traditsioonilisele neljakihilisele plaadile. Mõlemad võivad parandada EMI summutamise jõudlust, kuid need sobivad ainult juhul, kui tahvlil olevate komponentide tihedus on piisavalt madal ja komponentide ümber on piisavalt pinda (toiteallika jaoks vajaliku vaskkatte asetamiseks).

Esimene on eelistatud skeem. PCB välimised kihid on kõik kihid ja kaks keskmist kihti on signaali / toite kihid. Signaalkihi toiteallikas suunatakse laiade joontega, mis muudab toiteallika voolutakistuse madala ja signaali mikroriba takistuse madalaks. EMI juhtimise seisukohast on see parim saadaolev 4-kihiline PCB-struktuur. Teise skeemi korral kannab välimine kiht jõudu ja maad ning kaks keskmist kihti kannavad signaali. Võrreldes traditsioonilise neljakihilise plaadiga on selle skeemi täiustus väiksem ja vahekihtide takistus pole nii hea kui traditsioonilise neljakihilise plaadiga.

Juhtmete impedantsi kontrollimiseks peaks ülaltoodud virnastamisskeem olema väga ettevaatlik, asetades juhtmed vasksaare toiteallika ja maanduse alla. Lisaks peaks toiteallika või kihi vasksaar olema omavahel ühendatud nii palju kui võimalik, et tagada alalisvoolu ja madalsageduse ühenduvus.

6-kihiline plaat

Kui 4-kihilisel plaadil on komponentide tihedus suur, on 6-kihiline plaat parem. Mõne virnastamisskeemi varjestav efekt 6-kihilise tahvli kujundamisel ei ole siiski piisavalt hea ja toitesüsteemi lühiajaline signaal ei vähene. Allpool käsitletakse kahte näidet.

Esimesel juhul paigutatakse toiteallikas ja maapind vastavalt teise ja viiendasse kihti. Vaskplakeeritud toiteallika suure impedantsi tõttu on ühismoodilise EMI-kiirguse juhtimine väga ebasoodne. Signaali impedantsi juhtimise seisukohalt on see meetod aga väga õige.

Teises näites on toiteallikas ja maandus paigutatud vastavalt kolmandasse ja neljandasse kihti. See disain lahendab toiteallika vasega kaetud takistuse. 1. ja 6. kihi halva elektromagnetilise varjestuse tõttu suureneb diferentsiaalrežiimi EMI. Kui kahe välimise kihi signaalijoonte arv on kõige väiksem ja liinide pikkus on väga lühike (vähem kui 1/20 signaali kõrgeimast harmoonilisest lainepikkusest), saab konstruktsiooni abil lahendada diferentsiaalrežiimi EMI probleemi. Tulemused näitavad, et diferentsiaalrežiimi EMI summutamine on eriti hea, kui välimine kiht on vasega täidetud ja vasega kaetud pind on maandatud (iga 1/20 lainepikkuse intervalli järel). Nagu eespool mainitud, asetatakse vask


Postituse aeg: juuli-29-2020