Panoramica della conoscenza della serie EMC in cascata PCB

PCB l’impilamento è un fattore importante per determinare le prestazioni EMC dei prodotti. Una buona stratificazione può essere molto efficace nel ridurre le radiazioni dal circuito PCB (emissione in modalità differenziale), nonché dai cavi collegati alla scheda (emissione in modalità comune).

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D’altra parte, una cattiva cascata può aumentare notevolmente la radiazione di entrambi i meccanismi. Quattro fattori sono importanti per considerare l’impilamento delle lastre:

1. Numero di strati;

2. Il numero e il tipo di strati utilizzati (potenza e/o terra);

3. L’ordine o la sequenza dei livelli;

4. L’intervallo tra i livelli.

Di solito viene considerato solo il numero di strati. In molti casi, gli altri tre fattori sono ugualmente importanti e il quarto a volte non è nemmeno noto al progettista di PCB. Quando si determina il numero di strati, considerare quanto segue:

1. Segnale quantità e costo del cablaggio;

2. Frequenza;

3. Il prodotto deve soddisfare i requisiti di lancio della Classe A o della Classe B?

4. Il PCB è in un alloggiamento schermato o non schermato;

5. Competenza ingegneristica EMC del team di progettazione.

Di solito viene considerato solo il primo termine. In effetti, tutti gli elementi erano vitali e dovrebbero essere considerati allo stesso modo. Quest’ultimo elemento è particolarmente importante e non deve essere trascurato se si vuole ottenere una progettazione ottimale nel minor tempo e costo.

Una piastra multistrato che utilizza un piano di massa e/o di alimentazione fornisce una significativa riduzione dell’emissione di radiazioni rispetto a una piastra a due strati. Una regola generale utilizzata è che una lastra a quattro strati produce 15dB di radiazioni in meno rispetto a una lastra a due strati, a parità di tutti gli altri fattori. Una tavola con una superficie piana è molto meglio di una tavola senza superficie piana per i seguenti motivi:

1. Consentono di instradare i segnali come linee a microstriscia (o linee a nastro). Queste strutture sono linee di trasmissione ad impedenza controllata con una radiazione molto inferiore rispetto al cablaggio casuale utilizzato su schede a due strati;

2. Il piano di massa riduce significativamente l’impedenza di terra (e quindi il rumore di terra).

Sebbene due piastre siano state utilizzate con successo in custodie non schermate da 20-25 mhz, questi casi sono l’eccezione piuttosto che la regola. Al di sopra di circa 10-15 mhz, di solito dovrebbero essere presi in considerazione i pannelli multistrato.

Ci sono cinque obiettivi che dovresti cercare di raggiungere quando usi una tavola multistrato. Essi sono:

1. Il livello del segnale dovrebbe essere sempre adiacente al piano;

2. Lo strato del segnale dovrebbe essere strettamente accoppiato (vicino a) al suo piano adiacente;

3, il piano di alimentazione e il piano di massa dovrebbero essere strettamente combinati;

4, il segnale ad alta velocità dovrebbe essere sepolto nella linea tra due aerei, l’aereo può svolgere un ruolo di schermatura e può sopprimere la radiazione della linea stampata ad alta velocità;

5. Più piani di messa a terra hanno molti vantaggi perché ridurranno l’impedenza di messa a terra (piano di riferimento) della scheda e ridurranno le radiazioni di modo comune.

In generale, ci troviamo di fronte a una scelta tra accoppiamento di prossimità segnale/piano (Obiettivo 2) e accoppiamento di prossimità piano potenza/massa (obiettivo 3). Con le tecniche di costruzione PCB convenzionali, la capacità a piastra piatta tra l’alimentatore adiacente e il piano di massa è insufficiente per fornire un disaccoppiamento sufficiente al di sotto di 500 MHz.

Pertanto, il disaccoppiamento deve essere affrontato con altri mezzi e generalmente dovremmo scegliere un accoppiamento stretto tra il segnale e il piano di ritorno della corrente. I vantaggi di uno stretto accoppiamento tra lo strato di segnale e il piano di ritorno della corrente supereranno gli svantaggi causati da una leggera perdita di capacità tra i piani.

Otto livelli è il numero minimo di livelli che possono essere utilizzati per raggiungere tutti e cinque questi obiettivi. Alcuni di questi obiettivi dovranno essere compromessi su tavole a quattro e sei strati. In queste condizioni, è necessario determinare quali obiettivi sono più importanti per il progetto in corso.

Il paragrafo precedente non deve essere interpretato nel senso che non è possibile eseguire un buon progetto EMC su una scheda a quattro o sei livelli, come è possibile. Dimostra semplicemente che non tutti gli obiettivi possono essere raggiunti contemporaneamente e che è necessario un qualche tipo di compromesso.

Poiché tutti gli obiettivi EMC desiderati possono essere raggiunti con otto livelli, non c’è motivo di utilizzare più di otto livelli se non per ospitare livelli di routing del segnale aggiuntivi.

Da un punto di vista meccanico, un altro obiettivo ideale è rendere simmetrica (o bilanciata) la sezione trasversale della scheda PCB per evitare deformazioni.

Ad esempio, su una tavola a otto strati, se il secondo strato è un piano, anche il settimo strato dovrebbe essere un piano.

Pertanto, tutte le configurazioni qui presentate utilizzano strutture simmetriche o bilanciate. Se sono ammesse strutture asimmetriche o sbilanciate, è possibile realizzare altre configurazioni in cascata.

Tavola a quattro strati

La struttura della piastra a quattro strati più comune è mostrata nella Figura 1 (il piano di alimentazione e il piano di massa sono intercambiabili). Consiste di quattro strati equidistanti con un piano di alimentazione interno e un piano di massa. Questi due strati di cablaggio esterno di solito hanno direzioni di cablaggio ortogonali.

Sebbene questa costruzione sia molto migliore dei doppi pannelli, ha alcune caratteristiche meno desiderabili.

Per l’elenco degli obiettivi nella Parte 1, questo stack soddisfa solo l’obiettivo (1). Se gli strati sono equamente distanziati, c’è un grande divario tra lo strato del segnale e il piano di ritorno corrente. C’è anche un grande divario tra il piano di potenza e il piano di terra.

Per una tavola a quattro strati, non possiamo correggere entrambi i difetti contemporaneamente, quindi dobbiamo decidere quale è più importante per noi.

Come accennato in precedenza, la capacità interstrato tra l’alimentatore adiacente e il piano di massa è insufficiente per fornire un disaccoppiamento adeguato utilizzando tecniche di produzione PCB convenzionali.

Il disaccoppiamento deve essere gestito con altri mezzi e dovremmo scegliere un accoppiamento stretto tra il segnale e il piano di ritorno della corrente. I vantaggi di uno stretto accoppiamento tra lo strato di segnale e il piano di ritorno della corrente supereranno gli svantaggi di una leggera perdita di capacità interstrato.

Pertanto, il modo più semplice per migliorare le prestazioni EMC della piastra a quattro strati è portare il livello del segnale il più vicino possibile al piano. 10mil) e utilizza un grande nucleo dielettrico tra la fonte di alimentazione e il piano di massa (> 40mil), come mostrato nella Figura 2.

Questo ha tre vantaggi e pochi svantaggi. L’area del loop del segnale è più piccola, quindi viene generata meno radiazione in modalità differenziale. Nel caso di un intervallo di 5 mil tra lo strato di cablaggio e lo strato piano, è possibile ottenere una riduzione della radiazione di loop di 10 dB o più rispetto a una struttura impilata equidistanziata.

In secondo luogo, lo stretto accoppiamento del cablaggio di segnale a terra riduce l’impedenza planare (induttanza), riducendo così la radiazione di modo comune del cavo collegato alla scheda.

In terzo luogo, lo stretto accoppiamento del cablaggio all’aereo ridurrà la diafonia tra i cavi. Per la spaziatura fissa dei cavi, la diafonia è proporzionale al quadrato dell’altezza del cavo. Questo è uno dei modi più semplici, economici e trascurati per ridurre le radiazioni da un PCB a quattro strati.

Con questa struttura a cascata, soddisfiamo entrambi gli obiettivi (1) e (2).

Quali altre possibilità ci sono per la struttura laminata a quattro strati? Bene, possiamo usare un po’ di una struttura non convenzionale, vale a dire scambiare il livello del segnale e il livello piano nella Figura 2 per produrre la cascata mostrata nella Figura 3A.

Il vantaggio principale di questa laminazione è che il piano esterno fornisce schermatura per l’instradamento del segnale sullo strato interno. Lo svantaggio è che il piano di massa può essere pesantemente tagliato dai pad dei componenti ad alta densità sul PCB. Questo può essere alleviato in una certa misura invertendo il piano, posizionando il piano di alimentazione sul lato dell’elemento e posizionando il piano di terra sull’altro lato del tabellone.

In secondo luogo, ad alcune persone non piace avere un piano di alimentazione esposto e, in terzo luogo, strati di segnale sepolti rendono difficile la rielaborazione della scheda. La cascata soddisfa l’obiettivo (1), (2) e soddisfa parzialmente l’obiettivo (4).

Due di questi tre problemi possono essere mitigati da una cascata come mostrato nella Figura 3B, dove i due piani esterni sono piani di massa e l’alimentazione è instradata sul piano del segnale come cablaggio.L’alimentazione deve essere instradata raster utilizzando ampie tracce nel livello del segnale.

Due ulteriori vantaggi di questa cascata sono:

(1) I due piani di massa forniscono un’impedenza di terra molto più bassa, riducendo così la radiazione del cavo di modo comune;

(2) I due piani di massa possono essere cuciti insieme alla periferia della piastra per sigillare tutte le tracce di segnale in una gabbia di Faraday.

Da un punto di vista EMC, questa stratificazione, se eseguita bene, può essere la migliore stratificazione di un PCB a quattro strati. Ora abbiamo raggiunto gli obiettivi (1), (2), (4) e (5) con una sola tavola a quattro strati.

La Figura 4 mostra una quarta possibilità, non la solita, ma che può funzionare bene. È simile alla Figura 2, ma viene utilizzato il piano di massa al posto del piano di alimentazione e l’alimentatore funge da traccia sul livello del segnale per il cablaggio.

Questa cascata supera il problema di rilavorazione sopra menzionato e fornisce anche una bassa impedenza di terra dovuta ai due piani di massa. Tuttavia, questi aerei non forniscono alcuna schermatura. Questa configurazione soddisfa gli obiettivi (1), (2) e (5), ma non soddisfa gli obiettivi (3) o (4).

Quindi, come puoi vedere, ci sono più opzioni per la stratificazione a quattro strati di quanto potresti pensare inizialmente, ed è possibile raggiungere quattro dei nostri cinque obiettivi con PCB a quattro strati. Da un punto di vista EMC, la stratificazione delle Figure 2, 3b e 4 funziona bene.

6 strato di bordo

La maggior parte delle schede a sei strati è costituita da quattro strati di cablaggio del segnale e due strati piani e le schede a sei strati sono generalmente superiori alle schede a quattro strati dal punto di vista EMC.

La Figura 5 mostra una struttura a cascata che non può essere utilizzata su una scheda a sei strati.

Questi piani non forniscono schermatura per il livello del segnale e due degli strati del segnale (1 e 6) non sono adiacenti a un piano. Questa disposizione funziona solo se tutti i segnali ad alta frequenza sono instradati ai livelli 2 e 5, e solo i segnali a frequenza molto bassa, o meglio ancora, nessun cavo di segnale (solo pad di saldatura) sono instradati ai livelli 1 e 6.

Se utilizzato, tutte le aree inutilizzate ai piani 1 e 6 devono essere pavimentate e fissate tramite via AS al piano principale nel maggior numero di punti possibile.

Questa configurazione soddisfa solo uno dei nostri obiettivi originali (Obiettivo 3).

Con sei strati disponibili, il principio di fornire due strati interrati per segnali ad alta velocità (come mostrato nella Figura 3) è facilmente implementabile, come mostrato nella Figura 6. Questa configurazione fornisce anche due strati superficiali per segnali a bassa velocità.

Questa è probabilmente la struttura a sei strati più comune e può essere molto efficace nel controllare l’emissione elettromagnetica se fatta bene. Questa configurazione soddisfa l’obiettivo 1,2,4, ma non l’obiettivo 3,5. Il suo principale svantaggio è la separazione tra piano di alimentazione e piano di terra.

A causa di questa separazione, non c’è molta capacità interplanetaria tra il piano di potenza e il piano di massa, quindi è necessario intraprendere un’attenta progettazione di disaccoppiamento per far fronte a questa situazione. Per ulteriori informazioni sul disaccoppiamento, vedere i nostri suggerimenti sulla tecnica di disaccoppiamento.

Nella Figura 7 è mostrata una struttura laminata a sei strati quasi identica e ben strutturata.

H1 rappresenta lo strato di instradamento orizzontale del segnale 1, V1 rappresenta lo strato di instradamento verticale del segnale 1, H2 e V2 rappresentano lo stesso significato per il segnale 2, e il vantaggio di questa struttura è che i segnali di instradamento ortogonali fanno sempre riferimento allo stesso piano.

Per capire perché questo è importante, vedere la sezione sui piani segnale-riferimento nella Parte 6. Lo svantaggio è che i segnali del livello 1 e del livello 6 non sono schermati.

Pertanto, lo strato del segnale dovrebbe essere molto vicino al suo piano adiacente e dovrebbe essere utilizzato uno strato centrale più spesso per ottenere lo spessore della piastra richiesto. È probabile che la spaziatura tipica della piastra spessa 0.060 pollici sia 0.005 “/ 0.005” / 0.040 “/ 0.005” / 0.005 “/ 0.005”. Questa struttura soddisfa gli obiettivi 1 e 2, ma non gli obiettivi 3, 4 o 5.

Un’altra lastra a sei strati con prestazioni eccellenti è mostrata nella Figura 8. Fornisce due livelli interrati di segnale e piani di alimentazione e di terra adiacenti per soddisfare tutti e cinque gli obiettivi. Tuttavia, il più grande svantaggio è che ha solo due strati di cablaggio, quindi non viene utilizzato molto spesso.

La lastra a sei strati è più facile ottenere una buona compatibilità elettromagnetica rispetto alla lastra a quattro strati. Abbiamo anche il vantaggio di quattro livelli di routing del segnale invece di essere limitati a due.

Come nel caso del circuito a quattro strati, il PCB a sei strati ha raggiunto quattro dei nostri cinque obiettivi. Tutti e cinque gli obiettivi possono essere raggiunti se ci limitiamo a due livelli di routing del segnale. Le strutture in Figura 6, Figura 7 e Figura 8 funzionano tutte bene dal punto di vista EMC.