PCB stohování je důležitým faktorem pro stanovení EMC výkonu produktů. Dobré vrstvení může být velmi účinné při snižování záření ze smyčky DPS (emise v diferenciálním režimu), jakož i z kabelů připojených k desce (emise ve společném režimu).

Na druhou stranu špatná kaskáda může výrazně zvýšit vyzařování obou mechanismů. Pro stohování desek jsou důležité čtyři faktory:

1. Počet vrstev;

2. počet a typ použitých vrstev (výkon a/nebo zem);

3. Pořadí nebo posloupnost vrstev;

4. Interval mezi vrstvami.

Obvykle se bere v úvahu pouze počet vrstev. V mnoha případech jsou ostatní tři faktory stejně důležité a čtvrtý někdy není návrháři desek plošných spojů ani známý. Při určování počtu vrstev zvažte následující:

1. Množství signálu a náklady na zapojení;

2. Frekvence;

3. Musí výrobek splňovat požadavky na uvedení na trh třídy A nebo třídy B?

4. PCB je ve stíněném nebo nestíněném pouzdře;

5. EMC inženýrské znalosti projektového týmu.

Obvykle se zvažuje pouze první termín. Všechny položky byly skutečně životně důležité a měly by být posuzovány stejně. Tato poslední položka je obzvláště důležitá a neměla by být přehlížena, pokud má být dosaženo optimálního designu za co nejméně času a nákladů.

Vícevrstvá deska používající zemní a/nebo energetickou rovinu poskytuje významné snížení emise záření ve srovnání s dvouvrstvou deskou. Obecným pravidlem je, že čtyřvrstvá deska produkuje o 15 dB méně záření než dvouvrstvá deska, přičemž všechny ostatní faktory jsou stejné. Deska s rovným povrchem je mnohem lepší než deska bez rovného povrchu z následujících důvodů:

1. Umožňují směrovat signály jako mikropáskové čáry (nebo čáry na pásu karet). Tyto struktury jsou řízené impedanční přenosové linky s mnohem menším vyzařováním než náhodné zapojení používané na dvouvrstvých deskách;

2. Zemní rovina výrazně snižuje zemní impedanci (a tedy i zemní hluk).

Přestože byly dvě desky úspěšně použity v nestíněných skříních s frekvencí 20-25 MHz, jsou tyto případy spíše výjimkou než pravidlem. Nad přibližně 10–15 MHz by obvykle měly být brány v úvahu vícevrstvé panely.

Při používání vícevrstvé desky byste se měli pokusit dosáhnout pěti cílů. Jedná se o:

1. Signální vrstva by měla vždy sousedit s rovinou;

2. Signální vrstva by měla být těsně spojena (blízko) se svou sousední rovinou;

3, výkonová rovina a základní rovina by měly být úzce kombinovány;

4, vysokorychlostní signál by měl být zakopán v linii mezi dvěma rovinami, letadlo může hrát stínící roli a může potlačit vyzařování vysokorychlostní tištěné linky;

5. Více uzemňovacích rovin má mnoho výhod, protože sníží impedanci desky uzemnění (referenční roviny) a sníží vyzařování ve společném režimu.

Obecně stojíme před volbou mezi vazbou blízkého signálu/roviny (Cíl 2) a bezdotykovým spojením výkon/zemní rovina (cíl 3). Při konvenčních konstrukčních technikách desek plošných spojů je kapacita ploché desky mezi sousedním napájecím zdrojem a základní zemí nedostatečná k zajištění dostatečného oddělení pod 500 MHz.

Oddělování proto musí být řešeno jinými prostředky a obecně bychom měli volit těsné spojení mezi signálem a aktuální zpětnou rovinou. Výhody těsného spojení mezi signálovou vrstvou a proudovou návratovou rovinou převáží nevýhody způsobené mírnou ztrátou kapacity mezi rovinami.

Osm vrstev je minimální počet vrstev, které lze použít k dosažení všech pěti těchto cílů. Některé z těchto cílů budou muset být kompromitovány na čtyř a šestivrstvých deskách. Za těchto podmínek musíte určit, které cíle jsou pro daný design nejdůležitější.

Výše uvedený odstavec by neměl být vykládán v tom smyslu, že nemůžete udělat dobrý návrh EMC na desce se čtyřmi nebo šesti řadami, jak můžete. Ukazuje pouze, že nelze dosáhnout všech cílů najednou a že je zapotřebí určitý druh kompromisu.

Protože všech požadovaných cílů EMC lze dosáhnout pomocí osmi vrstev, není důvod používat více než osm vrstev kromě umístění dalších vrstev směrování signálu.

Z mechanického hlediska je dalším ideálním cílem, aby byl průřez desky plošných spojů symetrický (nebo vyvážený), aby se zabránilo deformaci.

Například na osmivrstvé desce, pokud je druhá vrstva rovina, pak by sedmá vrstva měla být také rovina.

Proto všechny zde uvedené konfigurace používají symetrické nebo vyvážené struktury. Pokud jsou povoleny asymetrické nebo nevyvážené struktury, je možné vytvořit další kaskádové konfigurace.

Čtyřvrstvá deska

Nejběžnější čtyřvrstvá struktura desek je znázorněna na obrázku 1 (silová a zemní rovina jsou zaměnitelné). Skládá se ze čtyř rovnoměrně rozmístěných vrstev s vnitřní energetickou rovinou a pozemní rovinou. Tyto dvě vnější vrstvy zapojení mají obvykle ortogonální směry zapojení.

Ačkoli je tato konstrukce mnohem lepší než dvojité panely, má některé méně žádoucí vlastnosti.

Pro seznam cílů v části 1 tento zásobník splňuje pouze cíl (1). Pokud jsou vrstvy rovnoměrně rozmístěny, je mezi signální vrstvou a aktuální návratovou rovinou velká mezera. Mezi energetickou a pozemní rovinou je také velká mezera.

U čtyřvrstvé desky nemůžeme opravit obě vady současně, takže se musíme rozhodnout, co je pro nás nejdůležitější.

Jak již bylo zmíněno dříve, mezivrstevná kapacita mezi sousedním napájecím zdrojem a základní rovinou je nedostatečná k zajištění adekvátního oddělení pomocí konvenčních výrobních technik PCB.

Oddělování musí být řešeno jinými prostředky a měli bychom zvolit těsné spojení mezi signálem a aktuální zpětnou rovinou. Výhody těsného spojení mezi signálovou vrstvou a proudovou návratovou rovinou převáží nevýhody mírné ztráty mezivrstevné kapacity.

Nejjednodušší způsob, jak zlepšit EMC výkon čtyřvrstvé desky, je tedy přiblížit signální vrstvu co nejblíže rovině. 10 mil) a používá velké dielektrické jádro mezi zdrojem energie a základní rovinou (> 40 mil), jak ukazuje obrázek 2.

To má tři výhody a několik nevýhod. Oblast signální smyčky je menší, takže se generuje méně záření v diferenciálním režimu. V případě intervalu 5 mil mezi vodičovou vrstvou a rovinnou vrstvou lze ve srovnání se stejně rozloženou skládanou strukturou dosáhnout snížení radiačního záření o 10 dB nebo více.

Za druhé, těsné propojení signálového vedení se zemí snižuje planární impedanci (indukčnost), čímž se snižuje vyzařování kabelu připojeného k desce ve společném režimu.

Za třetí, těsné spojení kabeláže s rovinou sníží přeslechy mezi elektroinstalací. Pro pevné rozteče kabelů je přeslechy úměrné čtverci výšky kabelu. Jedná se o jeden z nejjednodušších, nejlevnějších a nejvíce přehlížených způsobů, jak snížit záření ze čtyřvrstvého PCB.

Touto kaskádovou strukturou splňujeme oba cíle (1) i (2).

Jaké další možnosti nabízí čtyřvrstvá laminovaná struktura? Můžeme použít trochu nekonvenční strukturu, konkrétně přepnutí signální vrstvy a rovinné vrstvy na obrázku 2 k vytvoření kaskády zobrazené na obrázku 3A.

Hlavní výhodou této laminace je, že vnější rovina poskytuje stínění pro směrování signálu na vnitřní vrstvě. Nevýhodou je, že zemní rovina může být silně proříznuta podložkami s vysokou hustotou na desce plošných spojů. To lze do určité míry zmírnit obrácením roviny, umístěním roviny síly na stranu prvku a umístěním roviny země na druhou stranu desky.

Za druhé, některým lidem se nelíbí mít odkrytou silovou rovinu a za třetí, zakopané signální vrstvy ztěžují přepracování desky. Kaskáda splňuje cíl (1), (2) a částečně splňuje cíl (4).

Dva z těchto tří problémů lze zmírnit kaskádou, jak je znázorněno na obrázku 3B, kde dvě vnější roviny jsou pozemní roviny a napájení je směrováno na signální rovině jako kabeláž.Napájení musí být rastrováno pomocí širokých stop v signální vrstvě.

Dvě další výhody této kaskády jsou:

(1) Dvě pozemní roviny poskytují mnohem nižší zemní impedanci, čímž se snižuje vyzařování kabelu ve společném režimu;

(2) Dvě pozemní roviny lze sešít k sobě na obvodu desky, aby se utěsnily všechny signální stopy ve Faradayově kleci.

Z hlediska EMC může být toto vrstvení, pokud je provedeno dobře, nejlepším vrstvením čtyřvrstvého PCB. Nyní jsme splnili cíle (1), (2), (4) a (5) pouze s jednou čtyřvrstvou deskou.

Obrázek 4 ukazuje čtvrtou možnost, ne obvyklou, ale tu, která může dobře fungovat. Je to podobné jako na obrázku 2, ale místo výkonové roviny je použita zemnící rovina a napájecí zdroj funguje jako stopa na signální vrstvě pro zapojení.

Tato kaskáda překonává výše uvedený problém s přepracováním a také poskytuje nízkou zemní impedanci díky dvěma pozemním rovinám. Tato letadla však neposkytují žádné stínění. Tato konfigurace splňuje cíle (1), (2) a (5), ale nesplňuje cíle (3) nebo (4).

Jak tedy vidíte, existuje více možností pro čtyřvrstvé vrstvení, než byste si zpočátku mysleli, a je možné splnit čtyři z našich pěti cílů pomocí čtyřvrstvého PCBS. Z hlediska EMC funguje vrstvení obrázků 2, 3b a 4 dobře.

6vrstvá deska

Většina šestivrstvých desek se skládá ze čtyř vrstev signálového vedení a dvou rovinných vrstev a šestivrstvé desky jsou z pohledu EMC obecně lepší než čtyřvrstvé desky.

Obrázek 5 ukazuje kaskádovou strukturu, kterou nelze použít na šestivrstvé desce.

Tyto roviny neposkytují stínění pro signální vrstvu a dvě signální vrstvy (1 a 6) nejsou přilehlé k rovině. Toto uspořádání funguje pouze tehdy, jsou -li všechny vysokofrekvenční signály směrovány ve vrstvách 2 a 5 a pouze velmi nízkofrekvenční signály, nebo ještě lépe, nejsou ve vrstvách 1 a 6 směrovány vůbec žádné signálové vodiče (pouze pájecí plošky).

Pokud jsou použity, všechny nevyužité plochy v 1. a 6. patře by měly být vydlážděny a viAS připojeny k hlavnímu podlaží na co nejvíce místech.

Tato konfigurace splňuje pouze jeden z našich původních cílů (cíl 3).

Je-li k dispozici šest vrstev, je princip poskytnutí dvou podzemních vrstev pro vysokorychlostní signály (jak je znázorněno na obrázku 3) snadno implementován, jak je znázorněno na obrázku 6. Tato konfigurace také poskytuje dvě povrchové vrstvy pro signály nízké rychlosti.

Toto je pravděpodobně nejběžnější šestivrstvá struktura a může být velmi účinná při řízení elektromagnetické emise, pokud je provedena dobře. Tato konfigurace splňuje cíl 1,2,4, ale ne cíl 3,5. Jeho hlavní nevýhodou je oddělení energetické roviny a pozemní roviny.

Kvůli tomuto oddělení není mezi výkonovou a pozemní rovinou příliš mnoho meziplánových kapacit, proto je nutné pečlivě se vypořádat s řešením této situace. Další informace o oddělování naleznete v našich technikách oddělení oddělování.

Téměř identická, dobře vychovaná šestivrstvá laminovaná struktura je znázorněna na obrázku 7.

H1 představuje horizontální směrovací vrstvu signálu 1, V1 představuje vertikální směrovací vrstvu signálu 1, H2 a V2 představují stejný význam pro signál 2 a výhodou této struktury je, že ortogonální směrovací signály vždy odkazují na stejnou rovinu.

Abyste pochopili, proč je to důležité, přečtěte si část o rovinách signálu k odkazu v části 6. Nevýhodou je, že signály vrstvy 1 a vrstvy 6 nejsou stíněné.

Signální vrstva by proto měla být velmi blízko své sousední rovině a k vytvoření požadované tloušťky desky by měla být použita silnější střední vrstva jádra. Typický rozestup desky o tloušťce 0.060 palce bude pravděpodobně 0.005 “/ 0.005”/ 0.040 “/ 0.005”/ 0.005 “/ 0.005”. Tato struktura splňuje cíle 1 a 2, ale ne cíle 3, 4 nebo 5.

Další šestivrstvá deska s vynikajícím výkonem je znázorněna na obrázku 8. Poskytuje dvě vrstvy zakopaných signálů a přilehlé energetické a pozemní roviny, které splňují všech pět cílů. Největší nevýhodou však je, že má pouze dvě vrstvy kabeláže, takže se nepoužívá příliš často.

Šestivrstvou desku je snazší získat dobrou elektromagnetickou kompatibilitu než čtyřvrstvou desku. Máme také výhodu čtyř vrstev směrování signálu namísto omezení na dvě.

Stejně jako tomu bylo u čtyřvrstvé desky plošných spojů, šestivrstvá PCB splnila čtyři z našich pěti cílů. Všech pět cílů lze splnit, pokud se omezíme na dvě vrstvy směrování signálu. Struktury na obrázku 6, obrázku 7 a obrázku 8 fungují dobře z pohledu EMC.