Overview of PCB cascading EMC series knowledge

PCB stacking is an important factor to determine EMC performance of products. Լավ շերտավորումը կարող է շատ արդյունավետ լինել PCB հանգույցից (դիֆերենցիալ ռեժիմի արտանետում), ինչպես նաև տախտակին միացված մալուխներից (ընդհանուր ռեժիմի արտանետում) ճառագայթումը նվազեցնելու համար:

ipcb

Մյուս կողմից, վատ կասկադը կարող է մեծապես բարձրացնել երկու մեխանիզմների ճառագայթումը: Չորս գործոններ կարևոր են ափսեի կուտակումը հաշվի առնելու համար.

1. Շերտերի քանակը;

2. Օգտագործված շերտերի քանակը և տեսակը (հզորություն և/կամ հող);

3. Շերտերի կարգը կամ հաջորդականությունը;

4. Շերտերի միջեւ ընկած ժամանակահատվածը:

Սովորաբար հաշվի է առնվում միայն շերտերի քանակը: Շատ դեպքերում մյուս երեք գործոնները հավասարապես կարևոր են, իսկ չորրորդը երբեմն նույնիսկ հայտնի չէ PCB- ի դիզայներին: Շերտերի քանակը որոշելիս հաշվի առեք հետևյալը.

1. Ազդանշանի քանակը և էլեկտրագծերի արժեքը.

2. Frequency;

3. Արդյո՞ք արտադրանքը պետք է համապատասխանի A կամ B դասի գործարկման պահանջներին:

4. PCB- ն գտնվում է պաշտպանված կամ չպաշտպանված կացարանում:

5. EMC engineering expertise of the design team.

Սովորաբար համարվում է միայն առաջին տերմինը: Իրոք, բոլոր կետերը կենսական նշանակություն ունեին և պետք է հավասարաչափ դիտարկվեին: Այս վերջին կետը հատկապես կարևոր է և չպետք է անտեսվի, եթե օպտիմալ դիզայնը ձեռք բերվի նվազագույն ժամանակում և ծախսերում:

Երկրաչափ և/կամ հզորության հարթություն օգտագործող բազմաշերտ ափսեը ապահովում է ճառագայթման արտանետումների զգալի նվազում `երկշերտ ափսեի համեմատ: Օգտագործված ընդհանուր կանոնն այն է, որ չորս շերտանի ափսեը արտադրում է 15 դԲ ավելի քիչ ճառագայթում, քան երկշերտ ափսեը, մնացած բոլոր գործոնները հավասար են: A board with a flat surface is much better than a board without a flat surface for the following reasons:

1. Նրանք թույլ են տալիս ազդանշանները ուղղորդել որպես միկրոձև գծեր (կամ ժապավենի գծեր): These structures are controlled impedance transmission lines with much less radiation than the random wiring used on two-layer boards;

2. Գրունտային հարթությունը զգալիորեն նվազեցնում է գրունտի դիմադրողականությունը (եւ, հետեւաբար, գրունտի աղմուկը):

Չնայած երկու թիթեղները հաջողությամբ օգտագործվել են 20-25 մՀց չպաշտպանված պարիսպներում, այս դեպքերը ավելի շուտ բացառություն են, քան կանոն: Մոտ 10-15 մՀց-ից բարձր, սովորաբար պետք է հաշվի առնել բազմաշերտ վահանակները:

Կան հինգ նպատակներ, որոնց պետք է ձգտեք հասնել բազմաշերտ տախտակ օգտագործելիս: Դրանք են.

1. Ազդանշանային շերտը միշտ պետք է հարակից լինի հարթությանը;

2. Ազդանշանային շերտը պետք է սերտորեն կապված լինի (մոտ) իր հարակից հարթությանը;

3, the power plane and the ground plane should be closely combined;

4, գերարագ ազդանշանը պետք է թաղված լինի երկու ինքնաթիռների միջև ընկած գծում, ինքնաթիռը կարող է պաշտպանական դեր խաղալ և կարող է ճնշել գերարագ տպագիր գծի ճառագայթումը.

5. Multiple grounding planes have many advantages because they will reduce the grounding (reference plane) impedance of the board and reduce common-mode radiation.

Ընդհանուր առմամբ, մենք կանգնած ենք ընտրության առջև ազդանշանի/հարթության հարևանության միացման (Նպատակ 2) և հզորության/գետնի հարթության հարևանության միացման (նպատակ 3) միջև: PCB- ի կառուցման սովորական տեխնիկայով, հարակից էներգիայի և ստորգետնյա հարթության միջև հարթ ափսեի հզորությունը անբավարար է 500 ՄՀց -ից ցածր բավարար անջատում ապահովելու համար:

Հետևաբար, անջատումը պետք է լուծվի այլ միջոցներով, և մենք, ընդհանուր առմամբ, պետք է ընտրենք ազդանշանի և ընթացիկ վերադարձի հարթության միջև սերտ կապ: Ազդանշանային շերտի և ներկայիս վերադարձի հարթության միջև ամուր միացման առավելությունները կգերազանցեն ինքնաթիռների միջև տարողունակության աննշան կորստով առաջացած թերությունները:

Eight layers is the minimum number of layers that can be used to achieve all five of these goals. Այս նպատակներից ոմանք պետք է փոխզիջման ենթարկվեն չորս և վեց շերտերով տախտակների վրա: Այս պայմաններում դուք պետք է որոշեք, թե որ նպատակներն են ամենակարևորը ձեռքի դիզայնի համար:

Վերոնշյալ պարբերությունը չպետք է մեկնաբանվի այն իմաստով, որ դուք չեք կարող կատարել EMC- ի լավ ձևավորում չորս կամ վեցաստիճան տախտակի վրա, ինչպես կարող եք: It just shows that not all objectives can be achieved at once and that some kind of compromise is required.

Since all desired EMC goals can be achieved with eight layers, there is no reason to use more than eight layers except to accommodate additional signal routing layers.

From a mechanical point of view, another ideal goal is to make the cross-section of the PCB board symmetrical (or balanced) to prevent warping.

Օրինակ, ութ շերտ տախտակի վրա, եթե երկրորդ շերտը հարթություն է, ապա յոթերորդ շերտը նույնպես պետք է լինի հարթություն:

Հետեւաբար, այստեղ ներկայացված բոլոր կոնֆիգուրացիաները օգտագործում են սիմետրիկ կամ հավասարակշռված կառույցներ: If asymmetrical or unbalanced structures are allowed, it is possible to build other cascading configurations.

Four layer board

Ամենատարածված քառաշերտ ափսեի կառուցվածքը ներկայացված է Նկար 1-ում (ուժային հարթությունը և ստորգետնյա հարթությունը փոխարինելի են): It consists of four evenly spaced layers with an internal power plane and a ground plane. These two external wiring layers usually have orthogonal wiring directions.

Չնայած այս կոնստրուկցիան շատ ավելի լավ է, քան կրկնակի վահանակները, այն ունի որոշ ոչ այնքան ցանկալի հատկություններ:

Մաս 1 -ի թիրախների ցանկի համար այս կույտը բավարարում է միայն թիրախին (1): Եթե ​​շերտերը հավասարապես տարածվում են, ազդանշանային շերտի և ընթացիկ վերադարձի հարթության միջև մեծ բաց կա: Նաև մեծ բաց կա էներգիայի և ցամաքային հարթության միջև:

Չորս տախտակի համար մենք չենք կարող միաժամանակ շտկել երկու արատները, ուստի պետք է որոշենք, թե որն է մեզ համար ամենակարևորը:

Ինչպես ավելի վաղ նշվեց, հարակից էլեկտրամատակարարման և ստորգետնյա հարթության միջև միջշերքային հզորությունը բավարար չէ PCB- ի արտադրության սովորական տեխնիկայի կիրառմամբ համարժեք տարանջատում ապահովելու համար:

Անջատումը պետք է իրականացվի այլ միջոցներով, և մենք պետք է ընտրենք ազդանշանի և ներկայիս վերադարձի հարթության միջև ամուր միացում: The advantages of tight coupling between the signal layer and the current return plane will outweigh the disadvantages of a slight loss of interlayer capacitance.

Հետևաբար, չորս շերտերի ափսեի EMC կատարողականը բարելավելու ամենապարզ միջոցը ազդանշանային շերտը հնարավորինս մոտեցնել ինքնաթիռին: 10 մլ), և օգտագործում է մեծ դիէլեկտրիկ միջուկ էներգիայի աղբյուրի և ստորերկրյա հարթության միջև (> 40 մլ), ինչպես ցույց է տրված Նկար 2 -ում:

Սա ունի երեք առավելություն և քիչ թերություններ: Ազդանշանային հանգույցի տարածքը ավելի փոքր է, ուստի ավելի քիչ դիֆերենցիալ ռեժիմի ճառագայթում է առաջանում: For the case of a 5mil interval between the wiring layer and the plane layer, a loop radiation reduction of 10dB or more can be achieved relative to an equally spaced stacked structure.

Երկրորդ, ազդանշանի էլեկտրագծերի սերտ կապը գետնին նվազեցնում է հարթ հարթ դիմադրողականությունը (ինդուկտիվությունը), այդպիսով նվազեցնելով տախտակին միացված մալուխի ընդհանուր ռեժիմի ճառագայթումը:

Երրորդ, էլեկտրագծերի սերտ կապը ինքնաթիռին կնվազեցնի լարերի միջև խաչմերուկը: For fixed cable spacing, crosstalk is proportional to the square of cable height. Սա քառաշերտ PCB- ից ճառագայթումը նվազեցնելու ամենահեշտ, ամենաէժան և առավել անտեսված եղանակներից մեկն է:

Այս կասկադի կառուցվածքով մենք բավարարում ենք և՛ նպատակները (1), և՛ (2):

Ուրիշ ի՞նչ հնարավորություններ կան չորս շերտավոր լամինացված կառուցվածքի համար: Դե, մենք կարող ենք օգտագործել մի քիչ ոչ ավանդական կառուցվածք, այն է `ազդանշանի և հարթ շերտի փոխարկումը Նկար 2 -ում` նկար 3A- ում ցուցադրված կասկադը արտադրելու համար:

Այս լամինացիայի հիմնական առավելությունն այն է, որ արտաքին հարթությունն ապահովում է պաշտպանություն ներքին շերտի վրա ազդանշանների ուղղորդման համար: Թերությունն այն է, որ գրունտային հարթությունը կարող է մեծապես կտրված լինել PCB- ի բարձր խտության բաղադրիչ բարձիկներով: Սա կարող է որոշ չափով մեղմվել ՝ հարթությունը հետ շրջելով, հզորության հարթությունը տարրի կողքին տեղադրելով, իսկ գրունտային հարթությունը ՝ տախտակի մյուս կողմում:

Երկրորդ, ոմանց դուր չի գալիս բացված հզորության ինքնաթիռ ունենալը, և երրորդ ՝ թաղված ազդանշանային շերտերը դժվարացնում են տախտակի վերամշակումը: Կասկադը բավարարում է նպատակին (1), (2) և մասամբ բավարարում է նպատակին (4):

Այս երեք խնդիրներից երկուսը կարող են մեղմվել կասկադի միջոցով, ինչպես ցույց է տրված Նկար 3 Բ -ում, որտեղ երկու արտաքին հարթությունները գետնային հարթություններ են, և էլեկտրամատակարարումը ազդանշանային հարթության վրա անցնում է որպես էլեկտրալարեր:Էլեկտրաէներգիայի մատակարարումը պետք է ռաստերով ուղղորդվի `օգտագործելով ազդանշանային շերտի լայն հետքերը:

Այս կասկադի երկու լրացուցիչ առավելություններն են.

(1) Երկու ստորգետնյա հարթությունները ապահովում են գետնի շատ ավելի ցածր դիմադրություն ՝ դրանով իսկ նվազեցնելով սովորական ռեժիմի մալուխային ճառագայթումը.

(2) The two ground planes can be sewn together at the periphery of the plate to seal all signal traces in a Faraday cage.

From an EMC point of view, this layering, if done well, may be the best layering of a four-layer PCB. Այժմ մենք հասել ենք նպատակներին (1), (2), (4) և (5) միայն մեկ չորս շերտանի տախտակով:

Figure 4 shows a fourth possibility, not the usual one, but one that can perform well. Սա նման է Նկար 2 -ին, սակայն ստորգետնյա հարթությունը օգտագործվում է ուժային հարթության փոխարեն, և էլեկտրամատակարարումը ազդանշանի շերտի վրա գործում է որպես հետք `լարերի տեղադրման համար:

Այս կասկադը հաղթահարում է վերը նշված վերամշակման խնդիրը և ապահովում է նաև ցածր գրունտային դիմադրություն երկու հողային հարթությունների պատճառով: Սակայն այդ ինքնաթիռները ոչ մի պաշտպանություն չեն ապահովում: Այս կազմաձևը բավարարում է (1), (2) և (5) նպատակներին, բայց չի բավարարում (3) կամ (4) նպատակներին:

Այսպիսով, ինչպես տեսնում եք, չորս շերտերի շերտավորման ավելի շատ տարբերակներ կան, քան կարող էիք ենթադրել, և մեր հինգ նպատակներից չորսը հնարավոր է իրականացնել չորս շերտով PCBS- ով: EMC- ի տեսանկյունից, 2 -րդ, 3 բ և 4 -րդ նկարների շերտավորումը բոլորը լավ են աշխատում:

6 շերտ տախտակ

Վեց շերտանի տախտակները բաղկացած են ազդանշանային լարերի չորս շերտերից և երկու հարթ շերտերից, իսկ վեց շերտերի տախտակները, ընդհանուր առմամբ, EMC- ի տեսանկյունից գերազանցում են չորս շերտերի տախտակներին:

Նկար 5-ը ցույց է տալիս կասկադային կառույց, որը չի կարող օգտագործվել վեց շերտանի տախտակի վրա:

Այս ինքնաթիռները չեն ապահովում ազդանշանային շերտի պաշտպանությունը, և ազդանշանային շերտերից երկուսը (1 և 6) հարթության հարևան չեն: Այս դասավորությունը գործում է միայն այն դեպքում, երբ բոլոր բարձր հաճախականության ազդանշաններն ուղղվում են 2 -րդ և 5 -րդ շերտերի վրա, և միայն շատ ցածր հաճախականության ազդանշանները, կամ ավելի լավ, ընդհանրապես ազդանշանների լարերը (պարզապես զոդման բարձիկներ) չեն ուղղվում 1 -ին և 6 -րդ շերտերին:

Օգտագործման դեպքում 1 -ին և 6 -րդ հարկերի ցանկացած չօգտագործված տարածք պետք է ասֆալտապատվի և հնարավորինս շատ վայրերում viAS- ը կցվի հիմնական հատակին:

Այս կազմաձևը բավարարում է մեր սկզբնական նպատակներից միայն մեկը (Նպատակ 3):

Վեց շերտերի առկայության դեպքում արագացված ազդանշանների համար երկու թաղված շերտ ապահովելու սկզբունքը (ինչպես ցույց է տրված Նկար 3-ում) հեշտությամբ իրականացվում է, ինչպես ցույց է տրված Նկար 6-ում: Այս կոնֆիգուրացիան ապահովում է նաև երկու մակերեսային շերտ ցածր արագության ազդանշանների համար:

Սա, հավանաբար, ամենատարածված վեց շերտավոր կառույցն է և լավ կատարելու դեպքում կարող է շատ արդյունավետ լինել էլեկտրամագնիսական արտանետումների վերահսկման գործում: Այս կազմաձևը բավարարում է նպատակը 1,2,4, բայց ոչ նպատակը 3,5: Its main disadvantage is the separation of power plane and ground plane.

Այս տարանջատման պատճառով ուժային հարթության և ստորգետնյա հարթության միջև միջմոլորակային հզորությունը այնքան էլ մեծ չէ, ուստի այս իրավիճակից դուրս գալու համար պետք է ձեռնարկվի զգույշ ապամոնտաժման նախագիծ: Ապամոնտաժման վերաբերյալ լրացուցիչ տեղեկությունների համար տե՛ս մեր տարանջատման տեխնիկայի խորհուրդները:

Գրեթե նույնական, լավ վարված վեց շերտ լամինացված կառուցվածքը ներկայացված է Նկար 7-ում:

H1- ը ներկայացնում է ազդանշանի 1 -ի հորիզոնական ուղղորդման շերտը, V1- ը `ազդանշանի 1 -ի ուղղահայաց երթուղու շերտը, H2- ը և V2- ը նույն նշանակությունն ունեն ազդանշանի 2 -ի համար, և այս կառույցի առավելությունն այն է, որ ուղղահայաց երթուղային ազդանշանները միշտ վերաբերում են նույն հարթությանը:

Հասկանալու համար, թե ինչու է դա կարևոր, տե՛ս 6-րդ մասում ազդանշան-հղման ինքնաթիռների բաժինը: Թերությունն այն է, որ շերտի 1 և շերտի 6 ազդանշանները պաշտպանված չեն:

Հետևաբար, ազդանշանային շերտը պետք է շատ մոտ լինի իր հարակից հարթությանը, և ավելի հաստ միջին միջուկի շերտը պետք է օգտագործվի ափսեի պահանջվող հաստությունը կազմելու համար: Տիպիկ 0.060 դյույմ հաստությամբ ափսեների միջև հեռավորությունը, ամենայն հավանականությամբ, կլինի 0.005 «/ 0.005»/ 0.040 «/ 0.005»/ 0.005 «/ 0.005»: Այս կառուցվածքը բավարարում է 1 և 2 նպատակներին, բայց ոչ 3, 4 կամ 5 նպատակներին:

Մեկ այլ վեց շերտանի ափսե `գերազանց կատարմամբ, ներկայացված է Նկար 8-ում: Այն ապահովում է երկու ազդանշանային թաղված շերտ և հարակից ուժային և ցամաքային ինքնաթիռներ ՝ բոլոր հինգ նպատակներին հասնելու համար: Այնուամենայնիվ, ամենամեծ թերությունն այն է, որ այն ունի միայն երկու լարերի շերտ, ուստի այն շատ հաճախ չի օգտագործվում:

Վեց շերտանի ափսեն ավելի հեշտ է ձեռք բերել լավ էլեկտրամագնիսական համատեղելիություն, քան չորս շերտը: Մենք նաև չորս առավելություն ունենք `ազդանշանային երթուղայնացման շերտեր` երկուսով սահմանափակվելու փոխարեն:

Ինչպես և չորս շերտանի տպատախտակի դեպքում էր, վեց շերտավոր PCB- ն բավարարեց մեր հինգ նպատակներից չորսը: Բոլոր հինգ նպատակները կարող են իրականացվել, եթե սահմանափակվենք ազդանշանային ուղղորդման երկու շերտով: Նկար 6 -ի, Նկար 7 -ի և 8 -ի կառույցները բոլորը լավ են աշխատում EMC- ի տեսանկյունից: