Hay muchas formas de resolver los problemas de EMI. Los métodos modernos de supresión de EMI incluyen: uso de recubrimientos de supresión de EMI, selección de piezas de supresión de EMI adecuadas y diseño de simulación de EMI. Empezando por lo más básico PCB diseño, este artículo analiza el papel y las técnicas de diseño del apilamiento en capas de PCB para controlar la radiación EMI.

La colocación razonable de condensadores de la capacidad adecuada cerca de los pines de la fuente de alimentación del IC puede hacer que el voltaje de salida del IC salte más rápido. Sin embargo, el problema no acaba aquí. Debido a la respuesta de frecuencia limitada de los capacitores, esto hace que los capacitores no puedan generar la potencia armónica requerida para impulsar la salida de IC limpiamente en la banda de frecuencia completa. Además, el voltaje transitorio formado en la barra de distribución de energía formará una caída de voltaje a través del inductor de la ruta de desacoplamiento. Estos voltajes transitorios son las principales fuentes de interferencia EMI de modo común. ¿Cómo deberíamos solucionar estos problemas?

En lo que respecta al IC en nuestra placa de circuito, la capa de potencia alrededor del IC puede considerarse como un excelente condensador de alta frecuencia, que puede recolectar la parte de la energía filtrada por el condensador discreto que proporciona energía de alta frecuencia para limpiar producción. Además, la inductancia de una buena capa de potencia debe ser pequeña, por lo que la señal transitoria sintetizada por la inductancia también es pequeña, lo que reduce la EMI en modo común.

Por supuesto, la conexión entre la capa de potencia y el pin de alimentación del IC debe ser lo más corta posible, porque el borde ascendente de la señal digital es cada vez más rápido, y es mejor conectarlo directamente a la almohadilla donde se alimenta el IC. se encuentra el pin. Esto debe discutirse por separado.

Para controlar la EMI en modo común, el plano de potencia debe ayudar al desacoplamiento y tener una inductancia suficientemente baja. Este plano de potencia debe ser un par de planos de potencia bien diseñados. Alguien puede preguntar, ¿qué tan bueno es bueno? La respuesta a la pregunta depende de las capas de la fuente de alimentación, los materiales entre las capas y la frecuencia de funcionamiento (es decir, una función del tiempo de subida del IC). Generalmente, el espaciado de la capa de energía es de 6 mil y la capa intermedia es de material FR4, la capacitancia equivalente de la capa de energía por pulgada cuadrada es de aproximadamente 75 pF. Obviamente, cuanto menor sea el espaciado de las capas, mayor será la capacitancia.

No hay muchos dispositivos con un tiempo de subida de 100 a 300 ps, ​​pero de acuerdo con la velocidad actual de desarrollo de CI, los dispositivos con un tiempo de subida en el rango de 100 a 300 ps ocuparán una alta proporción. Para circuitos con un tiempo de subida de 100 a 300ps, el espaciado de capa de 3 mil ya no será adecuado para la mayoría de las aplicaciones. En ese momento, era necesario utilizar tecnología de capas con un espaciado de capas de menos de 1 mil y reemplazar los materiales dieléctricos FR4 con materiales con altas constantes dieléctricas. Ahora, la cerámica y los plásticos cerámicos pueden cumplir con los requisitos de diseño de circuitos de tiempo de subida de 100 a 300 ps.

Aunque se pueden usar nuevos materiales y nuevos métodos en el futuro, para los circuitos de tiempo de subida comunes de 1 a 3 ns, espaciamiento de capa de 3 a 6 mil y materiales dieléctricos FR4, generalmente es suficiente para manejar armónicos de alta gama y hacer que la señal transitoria sea lo suficientemente baja. , es decir, la EMI en modo común se puede reducir muy bajo. Los ejemplos de diseño de apilamiento en capas de PCB que se dan en este artículo supondrán un espaciado de capa de 3 a 6 milésimas de pulgada.

Blindaje electromagnético

Desde la perspectiva de los rastros de señal, una buena estrategia de estratificación debería ser colocar todos los rastros de señal en una o más capas, estas capas están al lado de la capa de potencia o la capa de tierra. Para la fuente de alimentación, una buena estrategia de capas debería ser que la capa de energía esté adyacente a la capa de tierra, y la distancia entre la capa de energía y la capa de tierra sea lo más pequeña posible. Esto es lo que llamamos la estrategia de “capas”.

Apilamiento de PCB

¿Qué tipo de estrategia de apilamiento puede ayudar a proteger y suprimir EMI? El siguiente esquema de apilamiento en capas supone que la corriente de la fuente de alimentación fluye en una sola capa y que el voltaje único o múltiples voltajes se distribuyen en diferentes partes de la misma capa. El caso de múltiples capas de energía se discutirá más adelante.

Tablero de 4 capas

Existen varios problemas potenciales con el diseño de la placa de 4 capas. En primer lugar, el tablero tradicional de cuatro capas con un grosor de 62 milésimas de pulgada, incluso si la capa de señal está en la capa externa, y las capas de energía y tierra están en la capa interna, la distancia entre la capa de energía y la capa de tierra todavía es demasiado grande.

Si el requisito de costo es el primero, puede considerar las siguientes dos alternativas al tablero tradicional de 4 capas. Estas dos soluciones pueden mejorar el rendimiento de la supresión de EMI, pero solo son adecuadas para aplicaciones donde la densidad de los componentes en la placa es lo suficientemente baja y hay suficiente área alrededor de los componentes (coloque la capa de cobre de potencia requerida).

La primera opción es la primera opción. Las capas externas de la PCB son todas capas de tierra, y las dos capas del medio son capas de señal / potencia. La fuente de alimentación en la capa de señal se enruta con una línea ancha, lo que puede hacer que la impedancia de la ruta de la corriente de la fuente de alimentación sea baja, y la impedancia de la ruta de la microbanda de la señal también sea baja. Desde la perspectiva del control EMI, esta es la mejor estructura de PCB de 4 capas disponible. En el segundo esquema, la capa exterior usa energía y tierra, y las dos capas del medio usan señales. En comparación con la placa tradicional de 4 capas, la mejora es menor y la impedancia entre capas es tan pobre como la placa tradicional de 4 capas.

Si desea controlar la impedancia de la traza, el esquema de apilamiento anterior debe tener mucho cuidado de colocar las trazas debajo de las islas de cobre de potencia y tierra. Además, las islas de cobre en la fuente de alimentación o la capa de tierra deben estar interconectadas tanto como sea posible para garantizar la conectividad de CC y baja frecuencia.

Tablero de 6 capas

Si la densidad de los componentes en una placa de 4 capas es relativamente alta, lo mejor es una placa de 6 capas. Sin embargo, algunos esquemas de apilamiento en el diseño de placa de 6 capas no son lo suficientemente buenos para proteger el campo electromagnético y tienen poco efecto en la reducción de la señal transitoria del bus de potencia. A continuación se analizan dos ejemplos.

En el primer caso, la fuente de alimentación y la tierra se colocan en la segunda y quinta capa respectivamente. Debido a la alta impedancia del recubrimiento de cobre de la fuente de alimentación, es muy desfavorable controlar la radiación EMI de modo común. Sin embargo, desde el punto de vista del control de la impedancia de la señal, este método es muy correcto.