Esistono molti modi per risolvere i problemi EMI. I moderni metodi di soppressione EMI includono: utilizzo di rivestimenti di soppressione EMI, selezione di parti di soppressione EMI appropriate e progettazione di simulazione EMI. A partire dal più elementare PCB layout, questo articolo discute il ruolo e le tecniche di progettazione dell’impilamento a strati di PCB nel controllo delle radiazioni EMI.

Il posizionamento ragionevole di condensatori di capacità adeguata vicino ai pin di alimentazione dell’IC può far saltare più velocemente la tensione di uscita dell’IC. Tuttavia, il problema non finisce qui. A causa della risposta in frequenza limitata dei condensatori, ciò rende i condensatori incapaci di generare la potenza armonica necessaria per pilotare l’uscita IC in modo pulito nell’intera banda di frequenza. Inoltre, la tensione transitoria formata sulla barra del bus di alimentazione formerà una caduta di tensione attraverso l’induttore del percorso di disaccoppiamento. Queste tensioni transitorie sono le principali fonti di interferenza EMI di modo comune. Come dovremmo risolvere questi problemi?

Per quanto riguarda l’IC sul nostro circuito, lo strato di potenza attorno all’IC può essere considerato un eccellente condensatore ad alta frequenza, che può raccogliere la parte dell’energia trapelata dal condensatore discreto che fornisce energia ad alta frequenza per pulire produzione. Inoltre, l’induttanza di un buon livello di potenza dovrebbe essere piccola, quindi anche il segnale transitorio sintetizzato dall’induttanza è piccolo, riducendo così l’EMI di modo comune.

Naturalmente, la connessione tra lo strato di alimentazione e il pin di alimentazione del circuito integrato deve essere il più breve possibile, perché il fronte di salita del segnale digitale sta diventando sempre più veloce, ed è meglio collegarlo direttamente al pad dove l’alimentazione del circuito integrato si trova il perno. Questo deve essere discusso separatamente.

Per controllare l’EMI di modo comune, il piano di alimentazione deve aiutare il disaccoppiamento e avere un’induttanza sufficientemente bassa. Questo piano di potenza deve essere una coppia di piani di potenza ben progettata. Qualcuno potrebbe chiedere, quanto è buono? La risposta alla domanda dipende dalla stratificazione dell’alimentatore, dai materiali tra gli strati e dalla frequenza operativa (ovvero una funzione del tempo di salita dell’IC). Generalmente, la spaziatura dello strato di potenza è di 6 mil e l’interstrato è di materiale FR4, la capacità equivalente dello strato di potenza per pollice quadrato è di circa 75 pF. Ovviamente, minore è la spaziatura degli strati, maggiore è la capacità.

Non ci sono molti dispositivi con un tempo di salita da 100 a 300 ps, ​​ma in base all’attuale velocità di sviluppo del circuito integrato, i dispositivi con un tempo di salita nell’intervallo da 100 a 300 ps occuperanno una proporzione elevata. Per i circuiti con un tempo di salita da 100 a 300 ps, ​​la spaziatura dei livelli di 3 mil non sarà più adatta per la maggior parte delle applicazioni. A quel tempo, era necessario utilizzare la tecnologia di stratificazione con una spaziatura degli strati inferiore a 1 mil e sostituire i materiali dielettrici FR4 con materiali con elevate costanti dielettriche. Ora, la ceramica e la plastica ceramica possono soddisfare i requisiti di progettazione di circuiti con tempo di salita da 100 a 300 ps.

Sebbene in futuro possano essere utilizzati nuovi materiali e nuovi metodi, per i comuni circuiti con tempo di salita da 1 a 3 ns di oggi, spaziatura degli strati da 3 a 6 mil e materiali dielettrici FR4, di solito è sufficiente gestire le armoniche di fascia alta e rendere il segnale transitorio sufficientemente basso , vale a dire , EMI di modo comune può essere ridotto molto basso. Gli esempi di progettazione dell’impilamento a strati PCB forniti in questo articolo presumono una spaziatura tra i livelli da 3 a 6 mil.

Schermatura elettromagnetica

Dal punto di vista delle tracce di segnale, una buona strategia di stratificazione dovrebbe essere quella di posizionare tutte le tracce di segnale su uno o più livelli, questi livelli si trovano accanto al livello di potenza o al livello di terra. Per l’alimentatore, una buona strategia di stratificazione dovrebbe essere che lo strato di potenza sia adiacente allo strato di terra e la distanza tra lo strato di potenza e lo strato di terra sia la più piccola possibile. Questo è ciò che chiamiamo la strategia di “stratificazione”.

Impilamento PCB

Che tipo di strategia di impilamento può aiutare a schermare e sopprimere le interferenze elettromagnetiche? Il seguente schema di impilamento a strati presuppone che la corrente di alimentazione scorra su un singolo strato e che la tensione singola o più tensioni siano distribuite in parti diverse dello stesso strato. Il caso di più livelli di potenza verrà discusso in seguito.

Tavola a 4 strati

Ci sono diversi potenziali problemi con il design della scheda a 4 strati. Innanzitutto, la tradizionale scheda a quattro strati con uno spessore di 62 mil, anche se lo strato di segnale è sullo strato esterno e gli strati di potenza e massa sono sullo strato interno, la distanza tra lo strato di potenza e lo strato di terra è ancora troppo grande.

Se il requisito di costo è il primo, puoi considerare le seguenti due alternative al tradizionale pannello a 4 strati. Queste due soluzioni possono migliorare le prestazioni della soppressione EMI, ma sono adatte solo per applicazioni in cui la densità dei componenti sulla scheda è sufficientemente bassa e c’è un’area sufficiente intorno ai componenti (posizionare lo strato di rame di alimentazione richiesto).

La prima opzione è la prima scelta. Gli strati esterni del PCB sono tutti strati di massa e i due strati centrali sono strati di segnale/potenza. L’alimentazione sul livello del segnale è instradata con una linea ampia, che può ridurre l’impedenza del percorso della corrente di alimentazione e anche l’impedenza del percorso della microstriscia del segnale. Dal punto di vista del controllo EMI, questa è la migliore struttura PCB a 4 strati disponibile. Nel secondo schema, lo strato esterno utilizza alimentazione e massa, mentre i due strati centrali utilizzano segnali. Rispetto alla tradizionale scheda a 4 strati, il miglioramento è minore e l’impedenza intercalare è scarsa come la tradizionale scheda a 4 strati.

Se si desidera controllare l’impedenza della traccia, lo schema di accatastamento di cui sopra deve prestare molta attenzione a disporre le tracce sotto le isole di rame di alimentazione e di terra. Inoltre, le isole di rame sull’alimentatore o sullo strato di terra dovrebbero essere interconnesse il più possibile per garantire la connettività CC e a bassa frequenza.

Tavola a 6 strati

Se la densità dei componenti su una scheda a 4 strati è relativamente alta, è meglio una scheda a 6 strati. Tuttavia, alcuni schemi di impilamento nella progettazione della scheda a 6 strati non sono sufficienti per schermare il campo elettromagnetico e hanno scarso effetto sulla riduzione del segnale transitorio del bus di alimentazione. Di seguito vengono discussi due esempi.

Nel primo caso, l’alimentatore e la massa sono posti rispettivamente sul 2° e 5° strato. A causa dell’elevata impedenza del rivestimento in rame dell’alimentatore, è molto sfavorevole controllare la radiazione EMI di modo comune. Tuttavia, dal punto di vista del controllo dell’impedenza del segnale, questo metodo è molto corretto.