Überblick über das Wissen über die PCB-Kaskadierung der EMV-Serie

PCB Stapeln ist ein wichtiger Faktor, um die EMV-Leistung von Produkten zu bestimmen. Eine gute Schichtung kann sehr effektiv bei der Reduzierung der Strahlung von der PCB-Schleife (Differentialmodus-Emission) sowie von Kabeln sein, die mit der Platine verbunden sind (Gleichtakt-Emission).

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Andererseits kann eine schlechte Kaskade die Strahlung beider Mechanismen stark erhöhen. Für die Betrachtung der Plattenstapelung sind vier Faktoren wichtig:

1. Anzahl der Schichten;

2. Anzahl und Art der verwendeten Schichten (Strom und/oder Masse);

3. Die Reihenfolge oder Reihenfolge der Schichten;

4. Das Intervall zwischen den Schichten.

Normalerweise wird nur die Anzahl der Schichten berücksichtigt. In vielen Fällen sind die anderen drei Faktoren ebenso wichtig, und der vierte ist dem PCB-Designer manchmal nicht einmal bekannt. Berücksichtigen Sie bei der Bestimmung der Anzahl der Schichten Folgendes:

1. Signalmenge und Verdrahtungskosten;

2. Häufigkeit;

3. Muss das Produkt die Markteinführungsanforderungen der Klasse A oder Klasse B erfüllen?

4. PCB befindet sich in einem geschirmten oder ungeschirmten Gehäuse;

5. EMV-Engineering-Know-how des Designteams.

In der Regel wird nur der erste Begriff berücksichtigt. Tatsächlich waren alle Elemente von entscheidender Bedeutung und sollten gleichermaßen berücksichtigt werden. Dieser letzte Punkt ist besonders wichtig und sollte nicht übersehen werden, wenn ein optimales Design mit möglichst geringem Zeit- und Kostenaufwand erreicht werden soll.

Eine mehrschichtige Platte, die eine Masse- und/oder Leistungsebene verwendet, bietet eine signifikante Reduzierung der Strahlungsemission im Vergleich zu einer zweischichtigen Platte. Als Faustregel gilt, dass eine vierlagige Platte 15 dB weniger Strahlung erzeugt als eine zweilagige Platte, wobei alle anderen Faktoren gleich sind. Ein Brett mit einer ebenen Oberfläche ist aus folgenden Gründen viel besser als ein Brett ohne eine ebene Oberfläche:

1. Sie ermöglichen die Weiterleitung von Signalen als Mikrostreifenleitung (oder Bändchenleitung). Diese Strukturen sind Übertragungsleitungen mit kontrollierter Impedanz mit viel weniger Strahlung als die zufällige Verdrahtung, die auf zweilagigen Platinen verwendet wird;

2. Die Masseplatte reduziert die Masseimpedanz (und damit das Masserauschen) erheblich.

Obwohl zwei Platten erfolgreich in ungeschirmten Gehäusen von 20-25 MHz verwendet wurden, sind diese Fälle eher die Ausnahme als die Regel. Oberhalb von etwa 10-15 MHz sollten normalerweise mehrschichtige Platten in Betracht gezogen werden.

Es gibt fünf Ziele, die Sie versuchen sollten, wenn Sie ein Multilayer-Board verwenden. Sie sind:

1. Die Signalschicht sollte immer neben der Ebene liegen;

2. Die Signalschicht sollte fest (nahe) an ihre benachbarte Ebene gekoppelt sein;

3, die Powerplane und die Groundplane sollten eng kombiniert werden;

4, Hochgeschwindigkeitssignal sollte in der Linie zwischen zwei Ebenen begraben werden, Ebene kann eine abschirmende Rolle spielen und kann die Strahlung der gedruckten Hochgeschwindigkeitslinie unterdrücken;

5. Mehrere Erdungsebenen haben viele Vorteile, da sie die Erdungsimpedanz (Referenzebene) der Platine und die Gleichtaktstrahlung reduzieren.

Im Allgemeinen stehen wir vor der Wahl zwischen Signal-/Ebenen-Näherungskopplung (Ziel 2) und Stromversorgungs-/Ground-Plane-Näherungskopplung (Ziel 3). Bei herkömmlichen PCB-Konstruktionstechniken reicht die Flachplattenkapazität zwischen der benachbarten Stromversorgung und der Masseebene nicht aus, um eine ausreichende Entkopplung unterhalb von 500 MHz bereitzustellen.

Daher muss die Entkopplung auf andere Weise angegangen werden, und wir sollten im Allgemeinen eine enge Kopplung zwischen dem Signal und der Stromrückleitungsebene wählen. Die Vorteile einer engen Kopplung zwischen der Signalschicht und der Stromrückleitungsebene überwiegen die Nachteile, die durch einen geringen Kapazitätsverlust zwischen den Ebenen verursacht werden.

Acht Schichten ist die Mindestanzahl von Schichten, die verwendet werden kann, um alle fünf dieser Ziele zu erreichen. Einige dieser Ziele müssen auf vier- und sechslagigen Brettern kompromittiert werden. Unter diesen Bedingungen müssen Sie bestimmen, welche Ziele für das vorliegende Design am wichtigsten sind.

Der obige Absatz sollte nicht so interpretiert werden, dass Sie kein gutes EMV-Design auf einem vier- oder sechsschichtigen Board machen können, wie Sie es können. Es zeigt nur, dass nicht alle Ziele auf einmal erreicht werden können und dass Kompromisse erforderlich sind.

Da mit acht Schichten alle gewünschten EMV-Ziele erreicht werden können, gibt es keinen Grund mehr als acht Schichten zu verwenden, außer um zusätzliche Signal-Routing-Schichten unterzubringen.

Aus mechanischer Sicht besteht ein weiteres ideales Ziel darin, den Querschnitt der Leiterplatte symmetrisch (oder ausgeglichen) zu gestalten, um ein Verziehen zu vermeiden.

Wenn beispielsweise auf einer achtschichtigen Platte die zweite Schicht eine Ebene ist, sollte die siebte Schicht auch eine Ebene sein.

Daher verwenden alle hier vorgestellten Konfigurationen symmetrische oder symmetrische Strukturen. Wenn asymmetrische oder unsymmetrische Strukturen zulässig sind, können andere kaskadierende Konfigurationen aufgebaut werden.

Vierschichtplatte

Die gebräuchlichste vierlagige Plattenstruktur ist in Abbildung 1 dargestellt (Powerplane und Groundplane sind austauschbar). Es besteht aus vier gleichmäßig beabstandeten Schichten mit einer internen Powerplane und einer Groundplane. Diese beiden externen Verdrahtungsschichten weisen normalerweise orthogonale Verdrahtungsrichtungen auf.

Obwohl diese Konstruktion viel besser ist als Doppelpaneele, weist sie einige weniger wünschenswerte Merkmale auf.

Für die Liste der Ziele in Teil 1 erfüllt dieser Stapel nur Ziel (1). Wenn die Schichten gleich beabstandet sind, besteht eine große Lücke zwischen der Signalschicht und der Stromrückleitungsebene. Es gibt auch eine große Lücke zwischen der Powerplane und der Groundplane.

Bei einem vierlagigen Karton können wir nicht beide Mängel gleichzeitig beheben, daher müssen wir entscheiden, welcher für uns am wichtigsten ist.

Wie bereits erwähnt, reicht die Zwischenschichtkapazität zwischen der benachbarten Stromversorgung und der Masseebene nicht aus, um eine angemessene Entkopplung unter Verwendung herkömmlicher PCB-Herstellungsverfahren bereitzustellen.

Die Entkopplung muss auf andere Weise erfolgen, und wir sollten eine enge Kopplung zwischen dem Signal und der Stromrückleitungsebene wählen. Die Vorteile einer engen Kopplung zwischen der Signalschicht und der Stromrückleitungsebene überwiegen die Nachteile eines geringen Verlusts an Zwischenschichtkapazität.

Daher besteht der einfachste Weg zur Verbesserung der EMV-Leistung der vierlagigen Platte darin, die Signalschicht so nah wie möglich an die Ebene zu bringen. 10mil) und verwendet einen großen dielektrischen Kern zwischen der Stromquelle und der Masseplatte (> 40mil), wie in Abbildung 2 gezeigt.

Dies hat drei Vorteile und wenige Nachteile. Die Fläche der Signalschleife ist kleiner, so dass weniger Gegentaktstrahlung erzeugt wird. Für den Fall eines Intervalls von 5 mil zwischen der Verdrahtungsschicht und der ebenen Schicht kann eine Schleifenstrahlungsreduzierung von 10 dB oder mehr relativ zu einer gleichmäßig beabstandeten Stapelstruktur erreicht werden.

Zweitens reduziert die enge Kopplung der Signalverdrahtung mit Masse die planare Impedanz (Induktivität) und reduziert somit die Gleichtaktstrahlung des mit der Platine verbundenen Kabels.

Drittens verringert die enge Kopplung der Verdrahtung mit der Ebene das Übersprechen zwischen den Verdrahtungen. Bei festem Kabelabstand ist das Übersprechen proportional zum Quadrat der Kabelhöhe. Dies ist eine der einfachsten, billigsten und am häufigsten übersehenen Möglichkeiten, die Strahlung einer vierlagigen Leiterplatte zu reduzieren.

Durch diese Kaskadenstruktur erfüllen wir beide Ziele (1) und (2).

Welche anderen Möglichkeiten gibt es für den vierlagigen Schichtaufbau? Nun, wir können eine etwas unkonventionelle Struktur verwenden, nämlich das Umschalten der Signalschicht und der Ebenenschicht in Abbildung 2, um die in Abbildung 3A gezeigte Kaskade zu erzeugen.

Der Hauptvorteil dieser Laminierung besteht darin, dass die äußere Ebene eine Abschirmung für die Signalführung auf der inneren Ebene bietet. Der Nachteil besteht darin, dass die Massefläche durch die hochdichten Komponentenpads auf der Leiterplatte stark geschnitten werden kann. Dies kann bis zu einem gewissen Grad abgemildert werden, indem man die Ebene umkehrt, die Stromebene auf der Seite des Elements platziert und die Masseebene auf der anderen Seite der Platine platziert.

Zweitens mögen es manche Leute nicht, eine freiliegende Stromebene zu haben, und drittens erschweren vergrabene Signalschichten die Überarbeitung der Platine. Die Kaskade erfüllt Ziel (1), (2) und erfüllt teilweise Ziel (4).

Zwei dieser drei Probleme können durch eine Kaskade gemildert werden, wie in Fig. 3B gezeigt, bei der die beiden äußeren Ebenen Masseebenen sind und die Stromversorgung als Verdrahtung auf der Signalebene geführt wird.Die Stromversorgung soll über breite Leiterbahnen in der Signalschicht rasterförmig verlegt werden.

Zwei weitere Vorteile dieser Kaskade sind:

(1) Die beiden Erdungsebenen bieten eine viel niedrigere Erdungsimpedanz, wodurch die Abstrahlung des Gleichtaktkabels reduziert wird;

(2) Die beiden Masseflächen können am Umfang der Platte zusammengenäht werden, um alle Signalspuren in einem Faradayschen Käfig abzudichten.

Aus EMV-Sicht kann diese Schichtung bei guter Ausführung die beste Schichtung einer vierschichtigen Leiterplatte sein. Jetzt haben wir die Ziele (1), (2), (4) und (5) mit nur einer vierlagigen Platine erreicht.

Abbildung 4 zeigt eine vierte Möglichkeit, nicht die übliche, aber eine, die gut funktionieren kann. Dies ist ähnlich wie in Abbildung 2, jedoch wird die Masseplatte anstelle der Stromversorgungsebene verwendet, und die Stromversorgung dient als Leiterbahn auf der Signalschicht für die Verdrahtung.

Diese Kaskade überwindet das oben erwähnte Nacharbeitsproblem und bietet aufgrund der zwei Masseebenen auch eine niedrige Masseimpedanz. Diese Ebenen bieten jedoch keine Abschirmung. Diese Konfiguration erfüllt die Ziele (1), (2) und (5), aber nicht die Ziele (3) oder (4).

Wie Sie sehen, gibt es also mehr Möglichkeiten für die vierlagige Schichtung, als Sie zunächst denken, und es ist möglich, vier unserer fünf Ziele mit vierlagigen Leiterplatten zu erreichen. Aus EMV-Sicht funktioniert die Schichtung der Abbildungen 2, 3b und 4 alle gut.

6-Schichtplatte

Die meisten sechsschichtigen Platinen bestehen aus vier Signalverdrahtungsschichten und zwei ebenen Schichten, und sechsschichtige Platinen sind im Allgemeinen vierschichtigen Platinen aus EMV-Sicht überlegen.

Abbildung 5 zeigt eine kaskadierende Struktur, die auf einer sechslagigen Platine nicht verwendet werden kann.

Diese Ebenen bieten keine Abschirmung für die Signalschicht, und zwei der Signalschichten (1 und 6) grenzen nicht an eine Ebene. Diese Anordnung funktioniert nur, wenn alle hochfrequenten Signale auf den Layern 2 und 5 geführt werden und nur sehr niederfrequente Signale, oder noch besser, überhaupt keine Signaldrähte (nur Lötpads) auf den Layern 1 und 6 geführt werden.

Ungenutzte Flächen in den Etagen 1 und 6 sollten gepflastert und an möglichst vielen Stellen mit dem Hauptgeschoss verbunden werden.

Diese Konfiguration erfüllt nur eines unserer ursprünglichen Ziele (Ziel 3).

Mit sechs verfügbaren Schichten lässt sich das Prinzip, zwei vergrabene Schichten für Hochgeschwindigkeitssignale bereitzustellen (wie in Abbildung 3 gezeigt), leicht implementieren, wie in Abbildung 6 gezeigt. Diese Konfiguration stellt auch zwei Oberflächenschichten für Signale mit niedriger Geschwindigkeit bereit.

Dies ist wahrscheinlich die gebräuchlichste sechsschichtige Struktur und kann bei guter Ausführung sehr effektiv bei der Kontrolle elektromagnetischer Emissionen sein. Diese Konfiguration erfüllt Ziel 1,2,4, aber nicht Ziel 3,5. Sein Hauptnachteil ist die Trennung von Powerplane und Groundplane.

Aufgrund dieser Trennung gibt es nicht viel Kapazität zwischen den Ebenen zwischen der Leistungsebene und der Masseebene, so dass eine sorgfältige Entkopplungskonstruktion vorgenommen werden muss, um diese Situation zu bewältigen. Weitere Informationen zum Entkoppeln finden Sie in unseren Tipps zur Entkopplungstechnik.

Eine fast identische, gut verhaltene sechsschichtige laminierte Struktur ist in Abbildung 7 dargestellt.

H1 repräsentiert die horizontale Routing-Schicht von Signal 1, V1 repräsentiert die vertikale Routing-Schicht von Signal 1, H2 und V2 repräsentieren dieselbe Bedeutung für Signal 2, und der Vorteil dieser Struktur besteht darin, dass orthogonale Routing-Signale sich immer auf dieselbe Ebene beziehen.

Um zu verstehen, warum dies wichtig ist, lesen Sie den Abschnitt über Signal-Referenz-Ebenen in Teil 6. Der Nachteil besteht darin, dass Layer-1- und Layer-6-Signale nicht abgeschirmt sind.

Daher sollte die Signalschicht sehr nahe an ihrer angrenzenden Ebene liegen und eine dickere mittlere Kernschicht sollte verwendet werden, um die erforderliche Plattendicke auszubilden. Der typische Plattenabstand von 0.060 Zoll beträgt wahrscheinlich 0.005 Zoll/0.005 Zoll/0.040 Zoll/0.005 Zoll/0.005 Zoll/0.005 Zoll. Diese Struktur erfüllt die Ziele 1 und 2, jedoch nicht die Ziele 3, 4 oder 5.

Eine weitere sechsschichtige Platte mit hervorragender Leistung ist in Abbildung 8 dargestellt. Es bietet zwei vergrabene Signalschichten und angrenzende Strom- und Masseebenen, um alle fünf Ziele zu erfüllen. Der größte Nachteil ist jedoch, dass es nur zwei Verdrahtungsschichten hat und daher nicht sehr oft verwendet wird.

Eine Sechs-Schicht-Platte ist einfacher, eine gute elektromagnetische Verträglichkeit zu erhalten als eine Vier-Schicht-Platte. Wir haben auch den Vorteil von vier Signalrouting-Layern anstatt auf zwei beschränkt zu sein.

Wie bei der vierlagigen Leiterplatte erfüllte die sechslagige Leiterplatte vier unserer fünf Ziele. Alle fünf Ziele können erreicht werden, wenn wir uns auf zwei Signalrouting-Schichten beschränken. Die Strukturen in Abbildung 6, Abbildung 7 und Abbildung 8 funktionieren aus EMV-Sicht alle gut.