On monia tapoja ratkaista EMI-ongelmia. Nykyaikaisiin EMI-vaimennusmenetelmiin kuuluvat: EMI-sammutuspinnoitteiden käyttö, sopivien EMI-sammutusosien valinta ja EMI-simulaatiosuunnittelu. Alkaen alkeellisimmasta PCB layout, tässä artikkelissa käsitellään piirilevykerroksisen pinoamisen roolia ja suunnittelutekniikoita EMI-säteilyn hallinnassa.

Sopivan kapasiteetin kondensaattoreiden kohtuullinen sijoittaminen IC:n virtalähteen nastojen lähelle voi saada IC:n lähtöjännitteen hyppäämään nopeammin. Ongelma ei kuitenkaan lopu tähän. Kondensaattorien rajoitetun taajuusvasteen vuoksi kondensaattorit eivät pysty tuottamaan harmonista tehoa, joka tarvitaan IC-lähdön ohjaamiseen puhtaasti koko taajuuskaistalla. Lisäksi tehoväylälle muodostuva transienttijännite muodostaa jännitehäviön erotuspolun kelaan. Nämä transienttijännitteet ovat tärkeimmät yhteismuotoiset EMI-häiriölähteet. Miten meidän pitäisi ratkaista nämä ongelmat?

Mitä tulee piirilevymme IC:hen, IC:n ympärillä olevaa tehokerrosta voidaan pitää erinomaisena korkeataajuisena kondensaattorina, joka pystyy keräämään osan erillisen kondensaattorin vuotamasta energiasta, joka tuottaa korkeataajuista energiaa puhtaaseen. ulostulo. Lisäksi hyvän tehokerroksen induktanssin tulee olla pieni, joten induktanssin syntetisoima transienttisignaali on myös pieni, mikä vähentää yhteismuotoista EMI:tä.

Tietenkin tehokerroksen ja IC-virtanastan välisen yhteyden tulee olla mahdollisimman lyhyt, koska digitaalisen signaalin nouseva reuna kiihtyy koko ajan ja se on parasta kytkeä suoraan alustaan, jossa IC saa virtaa. pin sijaitsee. Tästä on keskusteltava erikseen.

Yhteismuotoisen EMI:n ohjaamiseksi tehotason on autettava irrottamista ja sillä on oltava riittävän pieni induktanssi. Tämän voimatason on oltava hyvin suunniteltu tehotasopari. Joku saattaa kysyä, kuinka hyvä on hyvää? Vastaus kysymykseen riippuu virtalähteen kerroksesta, kerrosten välisistä materiaaleista ja toimintataajuudesta (eli IC:n nousuajan funktiosta). Yleensä tehokerroksen etäisyys on 6 mil ja välikerros on FR4-materiaalia, tehokerroksen vastaava kapasitanssi neliötuumaa kohti on noin 75 pF. Ilmeisesti mitä pienempi kerrosväli, sitä suurempi kapasitanssi.

Ei ole paljon laitteita, joiden nousuaika on 100 – 300 ps, ​​mutta nykyisen IC-kehitysnopeuden mukaan laitteilla, joiden nousuaika on 100 – 300 ps, ​​tulee suuri osuus. Piireissä, joiden nousuaika on 100–300 ps, ​​3 milin kerrosväli ei enää sovellu useimpiin sovelluksiin. Tuolloin oli tarpeen käyttää kerrostekniikkaa, jonka kerrosväli oli alle 1 mil, ja korvata FR4-dielektriset materiaalit materiaaleilla, joilla on korkea dielektrisyysvakio. Nyt keramiikka ja keraamiset muovit voivat täyttää 100–300 ps:n nousuaikapiirien suunnitteluvaatimukset.

Vaikka uusia materiaaleja ja uusia menetelmiä voidaan käyttää tulevaisuudessa, nykypäivän yleisissä 1–3ns nousuaikapiireissä, 3–6 milin kerrosvälissä ja FR4-dielektrisissä materiaaleissa yleensä riittää, että käsitellään huippuluokan harmonisia ja saadaan transienttisignaali riittävän alhaiseksi. , toisin sanoen , Common mode EMI voidaan alentaa hyvin alhaiseksi. Tässä artikkelissa annetuissa PCB-kerroksisen pinoamisen suunnitteluesimerkeissä oletetaan, että kerrosväli on 3–6 mil.

Sähkömagneettinen suojaus

Signaalijälkien näkökulmasta hyvä kerrostusstrategia tulisi olla sijoittaa kaikki signaalijäljet ​​yhdelle tai useammalle kerrokselle, nämä kerrokset ovat tehokerroksen tai maakerroksen vieressä. Tehonsyötön kannalta hyvä kerrostusstrategia tulisi olla, että tehokerros on maakerroksen vieressä ja tehokerroksen ja maakerroksen välinen etäisyys on mahdollisimman pieni. Tätä kutsumme “kerrostusstrategiaksi”.

Piirilevyjen pinoaminen

Millainen pinoamisstrategia voi auttaa suojaamaan ja tukahduttamaan EMI:n? Seuraavassa kerroksellisessa pinoamiskaaviossa oletetaan, että virtalähdevirta kulkee yhdellä kerroksella ja yksi jännite tai useat jännitteet jakautuvat saman kerroksen eri osiin. Useiden tehokerrosten tapausta käsitellään myöhemmin.

4-kerroksinen levy

4-kerroksisen levyn suunnittelussa on useita mahdollisia ongelmia. Ensinnäkin perinteinen nelikerroksinen levy, jonka paksuus on 62 mil, vaikka signaalikerros olisi ulkokerroksessa ja teho- ja maakerros ovat sisäkerroksessa, tehokerroksen ja maakerroksen välinen etäisyys on edelleen liian suuri.

Jos kustannusvaatimus on ensimmäinen, voit harkita seuraavia kahta vaihtoehtoa perinteiselle 4-kerroksiselle levylle. Näillä kahdella ratkaisulla voidaan parantaa EMI-sammutuksen suorituskykyä, mutta ne soveltuvat vain sovelluksiin, joissa komponenttitiheys levyllä on riittävän pieni ja komponenttien ympärillä on riittävästi tilaa (asetetaan tarvittava tehoinen kuparikerros).

Ensimmäinen vaihtoehto on ensimmäinen vaihtoehto. PCB:n ulommat kerrokset ovat kaikki maakerroksia ja kaksi keskimmäistä kerrosta ovat signaali/tehokerroksia. Signaalikerroksen teholähde on reititetty leveällä linjalla, mikä voi tehdä teholähteen virran polun impedanssin alhaiseksi, ja myös signaalin mikroliuskapolun impedanssi on pieni. EMI-ohjauksen näkökulmasta tämä on paras saatavilla oleva 4-kerroksinen piirilevyrakenne. Toisessa mallissa ulompi kerros käyttää tehoa ja maata, ja kaksi keskimmäistä kerrosta käyttävät signaaleja. Perinteiseen 4-kerroksiseen levyyn verrattuna parannus on pienempi ja kerrosten välinen impedanssi on yhtä huono kuin perinteisellä 4-kerroksisella levyllä.

Jos haluat hallita jäljitysimpedanssia, yllä olevan pinoamiskaavion on oltava erittäin varovainen, jotta jäljet ​​järjestetään teho- ja maadoituskuparisaarekkeiden alle. Lisäksi virtalähteen tai maakerroksen kuparisaarekkeet tulee kytkeä mahdollisimman paljon toisiinsa tasa- ja matalataajuisen liitettävyyden varmistamiseksi.

6-kerroksinen levy

Jos 4-kerroksisen levyn komponenttien tiheys on suhteellisen korkea, 6-kerroksinen levy on paras. Jotkut 6-kerroksisen kortin pinoamismenetelmät eivät kuitenkaan ole tarpeeksi hyviä suojaamaan sähkömagneettista kenttää, ja niillä on vain vähän vaikutusta tehoväylän transienttisignaalin vähentämiseen. Alla käsitellään kahta esimerkkiä.

Ensimmäisessä tapauksessa virtalähde ja maadoitus sijoitetaan vastaavasti 2. ja 5. kerrokseen. Teholähteen kuparipinnoitteen suuren impedanssin vuoksi on erittäin epäedullista ohjata yhteismuotoista EMI-säteilyä. Signaaliimpedanssin ohjauksen kannalta tämä menetelmä on kuitenkin erittäin oikea.