Oversigt over PCB -kaskader i EMC -serien

PCB stabling er en vigtig faktor for at bestemme produkters EMC -ydeevne. God lagdeling kan være meget effektiv til at reducere stråling fra PCB -sløjfen (differential mode -emission) samt fra kabler, der er tilsluttet kortet (common mode emission).

ipcb

På den anden side kan en dårlig kaskade i høj grad øge strålingen af ​​begge mekanismer. Fire faktorer er vigtige for overvejelse af plade stabling:

1. Antal lag;

2. Antallet og typen af ​​anvendte lag (effekt og/eller jord);

3. Rækkefølgen eller sekvensen af ​​lag;

4. Intervallet mellem lag.

Normalt betragtes kun antallet af lag. I mange tilfælde er de tre andre faktorer lige vigtige, og den fjerde er undertiden ikke engang kendt af PCB -designeren. Når du bestemmer antallet af lag, skal du overveje følgende:

1. Signalmængde og omkostninger ved ledninger;

2. Frekvens;

3. Skal produktet opfylde lanceringskravene i klasse A eller klasse B?

4. PCB er i afskærmet eller uskærmet hus;

5. Designteams EMC -ekspertise.

Normalt betragtes kun det første udtryk. Alle varer var faktisk vitale og skulle betragtes lige meget. Dette sidste element er særlig vigtigt og bør ikke overses, hvis optimalt design skal opnås på mindst mulig tid og omkostninger.

En flerlagsplade, der anvender et jord- og/eller kraftplan, giver en signifikant reduktion i strålingsemission sammenlignet med en to-lags plade. En generel tommelfingerregel, der bruges, er, at en firelags plade producerer 15 dB mindre stråling end en to-lags plade, alle andre faktorer er ens. Et bræt med en flad overflade er meget bedre end et bræt uden en flad overflade af følgende årsager:

1. De tillader signaler at blive dirigeret som mikrostriplinjer (eller båndlinjer). Disse strukturer er kontrollerede impedanstransmissionslinjer med meget mindre stråling end de tilfældige ledninger, der bruges på to-lags plader;

2. Jordplanet reducerer markimpedans (og derfor jordstøj) markant.

Selvom to plader med succes er blevet brugt i uskærmede kabinetter på 20-25mhz, er disse tilfælde undtagelsen snarere end reglen. Over 10-15 mhz bør flerlagspaneler normalt overvejes.

Der er fem mål, du bør forsøge at opnå, når du bruger et flerlagsbræt. De er:

1. Signallaget skal altid ligge ved siden af ​​flyet;

2. Signallaget skal være tæt koblet (tæt på) til dets tilstødende plan;

3, kraftplanet og jordplanet skal kombineres tæt;

4, højhastigheds-signal skal begraves i linjen mellem to fly, fly kan spille en afskærmningsrolle og kan undertrykke strålingen af ​​højhastigheds trykt linje;

5. Flere jordingsplaner har mange fordele, fordi de vil reducere boardingens (referenceplan) impedans på kortet og reducere common-mode stråling.

Generelt står vi over for et valg mellem signal/plan nærhedskobling (mål 2) og effekt/jordplan nærhedskobling (mål 3). Med konventionelle PCB -konstruktionsteknikker er den flade plades kapacitans mellem den tilstødende strømforsyning og jordplanet utilstrækkelig til at give tilstrækkelig afkobling under 500 MHz.

Derfor skal afkobling adresseres på andre måder, og vi bør generelt vælge en tæt kobling mellem signalet og det aktuelle returplan. Fordelene ved tæt kobling mellem signallaget og det nuværende returplan vil opveje ulemperne forårsaget af et lille tab af kapacitans mellem flyene.

Otte lag er det mindste antal lag, der kan bruges til at nå alle fem af disse mål. Nogle af disse mål skal kompromitteres på fire-og seks-lags bestyrelser. Under disse betingelser skal du bestemme, hvilke mål der er vigtigst for det aktuelle design.

Ovenstående afsnit bør ikke tolkes til at betyde, at du ikke kan lave et godt EMC-design på et fire-eller seks-tier bord, som du kan. Det viser bare, at ikke alle mål kan nås på én gang, og at der kræves en form for kompromis.

Da alle ønskede EMC -mål kan nås med otte lag, er der ingen grund til at bruge mere end otte lag undtagen for at rumme yderligere signalrouteringslag.

Fra et mekanisk synspunkt er et andet ideelt mål at gøre tværsnittet af printkortet symmetrisk (eller afbalanceret) for at forhindre vridning.

For eksempel på et otte-lags bræt, hvis det andet lag er et plan, så skal det syvende lag også være et plan.

Derfor bruger alle de konfigurationer, der præsenteres her, symmetriske eller afbalancerede strukturer. Hvis asymmetriske eller ubalancerede strukturer er tilladt, er det muligt at bygge andre kaskadekonfigurationer.

Fire lag bræt

Den mest almindelige firelags pladestruktur er vist i figur 1 (kraftplanet og jordplanet kan udskiftes). Det består af fire lag med jævnt afstand med et internt kraftplan og et jordplan. Disse to eksterne ledningslag har normalt ortogonale ledningsretninger.

Selvom denne konstruktion er meget bedre end dobbeltpaneler, har den nogle mindre ønskelige egenskaber.

For listen over mål i del 1 opfylder denne stak kun mål (1). Hvis lagene har lige store mellemrum, er der et stort mellemrum mellem signallaget og det aktuelle returplan. Der er også et stort hul mellem kraftplanet og jordplanet.

For et firelags bord kan vi ikke rette begge fejl på samme tid, så vi må beslutte, hvad der er vigtigst for os.

Som tidligere nævnt er mellemlagets kapacitans mellem den tilstødende strømforsyning og jordplanet utilstrækkelig til at tilvejebringe tilstrækkelig afkobling ved hjælp af konventionelle PCB -fremstillingsteknikker.

Afkobling skal håndteres på andre måder, og vi bør vælge en tæt kobling mellem signalet og det aktuelle returplan. Fordelene ved tæt kobling mellem signallaget og det nuværende returplan vil opveje ulemperne ved et lille tab af mellemlagskapacitans.

Derfor er den enkleste måde at forbedre EMC-ydelsen på firelagspladen at bringe signallaget så tæt på flyet som muligt. 10mil), og bruger en stor dielektrisk kerne mellem strømkilden og jordplanet (> 40mil), som vist i figur 2.

Dette har tre fordele og få ulemper. Signalsløjfeområdet er mindre, så der genereres mindre stråling i differential tilstand. I tilfælde af et 5mil -interval mellem ledningslaget og planlaget kan der opnås en sløjfestrålingsreduktion på 10dB eller mere i forhold til en stablet struktur med lige store mellemrum.

For det andet reducerer den tætte kobling af signalledninger til jorden den plane impedans (induktans), hvilket reducerer den almindelige tilstandsstråling af kablet forbundet til kortet.

For det tredje vil den tætte kobling af ledningerne til flyet reducere krydstale mellem ledningerne. For fast kabelafstand er krydstale proportional med kvadratet med kabelhøjde. Dette er en af ​​de nemmeste, billigste og mest overset måder at reducere stråling fra et firelags PCB.

Ved denne kaskadestruktur opfylder vi både mål (1) og (2).

Hvilke andre muligheder er der for firelags lamineret struktur? Nå, vi kan bruge lidt af en utraditionel struktur, nemlig at skifte signallaget og det plane lag i figur 2 til at producere kaskaden vist i figur 3A.

Den største fordel ved denne laminering er, at det ydre plan giver afskærmning til signal routing på det indre lag. Ulempen er, at jordplanet kan skæres kraftigt af komponentpuderne med høj densitet på printkortet. Dette kan i nogen grad afhjælpes ved at vende flyet, placere kraftplanet på siden af ​​elementet og placere jordplanet på den anden side af brættet.

For det andet kan nogle mennesker ikke lide at have et udsat strømplan, og for det tredje gør begravede signallag det vanskeligt at omarbejde tavlen. Kaskaden opfylder mål (1), (2) og delvis opfylder mål (4).

To af disse tre problemer kan afhjælpes med en kaskade som vist i figur 3B, hvor de to ydre fly er jordplan, og strømforsyningen dirigeres på signalplanet som ledninger.Strømforsyningen skal raster dirigeres ved hjælp af brede spor i signallaget.

To yderligere fordele ved denne kaskade er:

(1) De to jordplaner giver meget lavere jordimpedans og reducerer dermed kabelstråling i almindelig tilstand;

(2) De to jordfly kan sys sammen ved pladens periferi for at forsegle alle signalspor i et Faraday -bur.

Fra et EMC-synspunkt kan denne lagdeling, hvis den gøres godt, være den bedste lagdeling af et firelags printkort. Nu har vi opfyldt mål (1), (2), (4) og (5) med kun et firelags bræt.

Figur 4 viser en fjerde mulighed, ikke den sædvanlige, men en der kan klare sig godt. Dette ligner figur 2, men jordplanet bruges i stedet for strømplanet, og strømforsyningen fungerer som et spor på signallaget til ledninger.

Denne kaskade overvinder det førnævnte omarbejdningsproblem og giver også lav jordimpedans på grund af de to jordplaner. Disse fly giver dog ingen afskærmning. Denne konfiguration opfylder mål (1), (2) og (5), men opfylder ikke mål (3) eller (4).

Så som du kan se, er der flere muligheder for firelags lagdeling, end du måske først troede, og det er muligt at opfylde fire af vores fem mål med firelags PCBS. Fra et EMC -synspunkt fungerer lagdelingen i figur 2, 3b og 4 alle godt.

6 lag bræt

De fleste plader med seks lag består af fire signalledningslag og to plane lag, og seks-lags plader er generelt bedre end firelags plader fra et EMC-perspektiv.

Figur 5 viser en kaskadestruktur, der ikke kan bruges på et seks-lags bræt.

Disse planer tilvejebringer ikke afskærmning for signallaget, og to af signallagene (1 og 6) er ikke ved siden af ​​et plan. Dette arrangement fungerer kun, hvis alle højfrekvente signaler dirigeres i lag 2 og 5, og kun meget lavfrekvente signaler, eller endnu bedre, ingen signaltråde overhovedet (kun loddepuder) dirigeres i lag 1 og 6.

Hvis det bruges, skal ubrugte områder på gulv 1 og 6 brolægges og viAS fastgøres til stueetagen på så mange steder som muligt.

Denne konfiguration opfylder kun et af vores oprindelige mål (mål 3).

Med seks tilgængelige lag implementeres princippet om at tilvejebringe to nedgravede lag til højhastighedssignaler (som vist i figur 3) let, som vist i figur 6. Denne konfiguration giver også to overfladelag til lavhastigheds-signaler.

Dette er sandsynligvis den mest almindelige seks-lags struktur og kan være meget effektiv til at kontrollere elektromagnetisk emission, hvis det gøres godt. Denne konfiguration opfylder mål 1,2,4, men ikke mål 3,5. Dens største ulempe er adskillelsen af ​​kraftplan og jordplan.

På grund af denne adskillelse er der ikke meget mellemplankapacitans mellem kraftplanet og jordplanet, så der skal foretages omhyggelig afkoblingsdesign for at klare denne situation. For flere oplysninger om afkobling, se vores tips til afkoblingsteknik.

En næsten identisk, velopdragen seks-lags lamineret struktur er vist i figur 7.

H1 repræsenterer det horisontale routingslag for signal 1, V1 repræsenterer det lodrette routinglag for signal 1, H2 og V2 repræsenterer den samme betydning for signal 2, og fordelen ved denne struktur er, at ortogonale routingsignaler altid refererer til det samme plan.

For at forstå, hvorfor dette er vigtigt, se afsnittet om signal-til-reference-fly i del 6. Ulempen er, at lag 1 og lag 6 signaler ikke er afskærmet.

Derfor bør signallaget være meget tæt på dets tilstødende plan, og et tykkere midterste kernelag skal bruges til at udgøre den nødvendige pladetykkelse. Den typiske 0.060 tommer tykke pladeafstand vil sandsynligvis være 0.005 “/ 0.005”/ 0.040 “/ 0.005”/ 0.005 “/ 0.005”. Denne struktur opfylder mål 1 og 2, men ikke mål 3, 4 eller 5.

En anden seks-lags plade med fremragende ydeevne er vist i figur 8. Det giver to signalgravede lag og tilstødende magt- og jordplan for at opfylde alle fem mål. Den største ulempe er imidlertid, at den kun har to ledningslag, så den bruges ikke ret ofte.

Seks -lags plade er lettere at opnå god elektromagnetisk kompatibilitet end firelags plade. Vi har også fordelen ved fire signal routing lag i stedet for at være begrænset til to.

Som det var tilfældet med firelags printkort, opfyldte seks-lags printkort fire af vores fem mål. Alle fem mål kan nås, hvis vi begrænser os til to signal routing lag. Strukturerne i figur 6, figur 7 og 8 fungerer alle godt fra et EMC -perspektiv.