Es gibt viele Möglichkeiten, EMI-Probleme zu lösen. Moderne EMI-Unterdrückungsmethoden umfassen: Verwendung von EMI-Unterdrückungsbeschichtungen, Auswahl geeigneter EMI-Unterdrückungsteile und EMI-Simulationsdesign. Ausgehend von den grundlegendsten PCB Layout diskutiert dieser Artikel die Rolle und Designtechniken des PCB-Layering-Stackings bei der Kontrolle der EMI-Strahlung.

Eine vernünftige Platzierung von Kondensatoren mit geeigneter Kapazität in der Nähe der Stromversorgungspins des IC kann den IC-Ausgangsspannungssprung schneller machen. Das Problem endet hier jedoch nicht. Aufgrund des begrenzten Frequenzgangs von Kondensatoren kann dies dazu führen, dass die Kondensatoren nicht die Oberwellenleistung erzeugen, die zum sauberen Treiben des IC-Ausgangs im gesamten Frequenzband erforderlich ist. Außerdem bildet die an der Stromsammelschiene gebildete Übergangsspannung einen Spannungsabfall über der Induktivität des Entkopplungspfads. Diese transienten Spannungen sind die wichtigsten Gleichtakt-EMI-Störquellen. Wie sollen wir diese Probleme lösen?

Was den IC auf unserer Platine betrifft, kann die Leistungsschicht um den IC als hervorragender Hochfrequenzkondensator angesehen werden, der den Teil der Energie sammeln kann, die vom diskreten Kondensator austritt, der Hochfrequenzenergie für sauberes liefert Ausgang. Außerdem sollte die Induktivität einer guten Leistungsschicht klein sein, so dass das durch die Induktivität synthetisierte Einschwingsignal ebenfalls klein ist, wodurch Gleichtakt-EMI reduziert wird.

Natürlich muss die Verbindung zwischen dem Power Layer und dem IC Power Pin so kurz wie möglich sein, da die steigende Flanke des digitalen Signals immer schneller wird, und am besten direkt mit dem Pad verbinden, wo die IC Power Stift befindet. Dies muss gesondert besprochen werden.

Um Gleichtakt-EMI zu kontrollieren, muss die Leistungsebene bei der Entkopplung helfen und eine ausreichend niedrige Induktivität aufweisen. Diese Powerplane muss ein gut konstruiertes Paar Powerplanes sein. Jemand mag fragen, wie gut ist gut? Die Antwort auf die Frage hängt von der Schichtung der Stromversorgung, den Materialien zwischen den Schichten und der Betriebsfrequenz (dh eine Funktion der Anstiegszeit des ICs) ab. Im Allgemeinen beträgt der Abstand der Leistungsschicht 6 mil, und die Zwischenschicht besteht aus FR4-Material, die äquivalente Kapazität der Leistungsschicht pro Quadratzoll beträgt etwa 75 pF. Offensichtlich ist die Kapazität umso größer, je kleiner der Schichtabstand ist.

Es gibt nicht viele Geräte mit einer Anstiegszeit von 100 bis 300 ps, ​​aber nach der aktuellen IC-Entwicklungsgeschwindigkeit werden Geräte mit einer Anstiegszeit im Bereich von 100 bis 300 ps einen hohen Anteil einnehmen. Bei Schaltungen mit einer Anstiegszeit von 100 bis 300 ps ist ein Schichtabstand von 3 mil für die meisten Anwendungen nicht mehr geeignet. Damals war es notwendig, die Schichttechnik mit einem Schichtabstand von weniger als 1 mil zu verwenden und die dielektrischen FR4-Materialien durch Materialien mit hohen Dielektrizitätskonstanten zu ersetzen. Jetzt können Keramiken und keramische Kunststoffe die Designanforderungen von Schaltungen mit einer Anstiegszeit von 100 bis 300 ps erfüllen.

Obwohl in Zukunft möglicherweise neue Materialien und neue Methoden verwendet werden können, ist es für die heute üblichen Schaltungen mit einer Anstiegszeit von 1 bis 3 ns, Schichtabständen von 3 bis 6 mil und dielektrischen FR4-Materialien normalerweise ausreichend, um High-End-Oberwellen zu verarbeiten und das transiente Signal niedrig genug zu machen , das heißt, Gleichtakt-EMI kann sehr gering reduziert werden. Die in diesem Artikel angeführten PCB-Layering-Stacking-Designbeispiele gehen von einem Schichtabstand von 3 bis 6 mil aus.

Elektromagnetische Abschirmung

Aus Sicht der Signalspuren sollte eine gute Schichtungsstrategie darin bestehen, alle Signalspuren auf eine oder mehrere Schichten zu legen, diese Schichten liegen neben der Leistungsschicht oder Masseschicht. Für die Stromversorgung sollte eine gute Schichtungsstrategie darin bestehen, dass die Leistungsschicht an die Masseschicht angrenzt und der Abstand zwischen der Leistungsschicht und der Masseschicht so gering wie möglich ist. Dies nennen wir die „Layering“-Strategie.

PCB-Stacking

Welche Art von Stapelstrategie kann helfen, EMI abzuschirmen und zu unterdrücken? Das folgende geschichtete Stapelschema geht davon aus, dass der Stromversorgungsstrom auf einer einzelnen Schicht fließt und die einzelne Spannung oder mehrere Spannungen auf verschiedene Teile derselben Schicht verteilt sind. Der Fall mehrerer Leistungsschichten wird später erörtert.

4-Schicht-Platte

Es gibt mehrere potenzielle Probleme mit dem 4-Lagen-Platinendesign. Zuallererst die traditionelle vierschichtige Platine mit einer Dicke von 62 mil, auch wenn sich die Signalschicht auf der äußeren Schicht befindet und die Leistungs- und Masseschichten auf der inneren Schicht liegen, der Abstand zwischen der Leistungsschicht und der Masseschicht ist noch zu groß.

Wenn die Kostenanforderung an erster Stelle steht, können Sie die folgenden zwei Alternativen zum herkömmlichen 4-Schicht-Board in Betracht ziehen. Diese beiden Lösungen können die Leistung der EMI-Unterdrückung verbessern, sind jedoch nur für Anwendungen geeignet, bei denen die Komponentendichte auf der Platine niedrig genug ist und genügend Fläche um die Komponenten herum vorhanden ist (Platzieren Sie die erforderliche Leistungskupferschicht).

Die erste Option ist die erste Wahl. Die äußeren Schichten der Leiterplatte sind alle Masseschichten und die mittleren beiden Schichten sind Signal-/Leistungsschichten. Die Stromversorgung auf der Signalschicht wird mit einer breiten Leitung geführt, die die Pfadimpedanz des Stromversorgungsstroms niedrig machen kann, und die Impedanz des Signal-Mikrostreifenpfads ist ebenfalls niedrig. Aus Sicht der EMI-Kontrolle ist dies die beste verfügbare 4-Lagen-PCB-Struktur. Im zweiten Schema verwendet die äußere Schicht Strom und Masse, und die mittleren beiden Schichten verwenden Signale. Verglichen mit der herkömmlichen 4-Lagen-Platine ist die Verbesserung geringer und die Zwischenlagenimpedanz ist genauso gering wie bei der herkömmlichen 4-Lagen-Platine.

Wenn Sie die Leiterbahnimpedanz steuern möchten, muss das obige Stapelschema sehr vorsichtig sein, um die Leiterbahnen unter den Strom- und Erdungskupferinseln anzuordnen. Darüber hinaus sollten die Kupferinseln auf der Stromversorgungs- oder Masseschicht so weit wie möglich miteinander verbunden sein, um eine Gleichstrom- und Niederfrequenzverbindung zu gewährleisten.

6-Schicht-Platte

Wenn die Dichte der Bauteile auf einer 4-Lagen-Platine relativ hoch ist, ist eine 6-Lagen-Platine am besten. Einige Stapelschemata im 6-Schichten-Platinendesign sind jedoch nicht gut genug, um das elektromagnetische Feld abzuschirmen, und haben wenig Einfluss auf die Reduzierung des transienten Signals des Leistungsbusses. Im Folgenden werden zwei Beispiele diskutiert.

Im ersten Fall werden die Stromversorgung und die Masse auf der 2. bzw. 5. Ebene platziert. Aufgrund der hohen Impedanz der Kupferbeschichtung des Netzteils ist es sehr ungünstig, die Gleichtakt-EMI-Strahlung zu kontrollieren. Aus Sicht der Signalimpedanzsteuerung ist dieses Verfahren jedoch sehr korrekt.