סקירה כללית של הידע בסדרות EMC מדורגות PCB

PCB ערימה היא גורם חשוב לקביעת ביצועי EMC של מוצרים. שכבה טובה יכולה להיות יעילה מאוד בהפחתת הקרינה מלולאת ה- PCB (פליטת מצב דיפרנציאלי), כמו גם מכבלים המחוברים ללוח (פליטת מצב רגיל).

ipcb

מצד שני, מפל גרוע יכול להגדיל מאוד את הקרינה של שני המנגנונים. ארבעה גורמים חשובים לשיקול ערימת צלחות:

1. מספר שכבות;

2. מספר וסוג השכבות בשימוש (כוח ו/או קרקע);

3. סדר או רצף השכבות;

4. המרווח בין השכבות.

בדרך כלל נחשב רק מספר השכבות. במקרים רבים שלושת הגורמים האחרים חשובים לא פחות, והרביעי לפעמים אפילו לא ידוע למעצב ה- PCB. בעת קביעת מספר השכבות, שקול את הדברים הבאים:

1. כמות אות ומחיר חיווט;

2. תדירות;

3. האם המוצר חייב לעמוד בדרישות ההשקה של Class A או Class B?

4. PCB נמצא בדיור מוגן או לא מוגן;

5. מומחיות הנדסית EMC של צוות העיצוב.

בדרך כלל רק המונח הראשון נחשב. אכן, כל הפריטים היו חיוניים ויש להתייחס אליהם באופן שווה. פריט אחרון זה חשוב במיוחד ואין להתעלם ממנו אם יש להשיג עיצוב אופטימלי במינימום זמן ובעלות.

לוח רב שכבתי באמצעות מטוס קרקע ו/או כוח מספק הפחתה משמעותית בפליטת הקרינה בהשוואה ללוח דו שכבתי. כלל אצבע כללי המשמש הוא שצלחת בעלת ארבע שכבות מפיקה 15dB פחות קרינה מצלחת דו-שכבתית, כל שאר הגורמים שווים. לוח בעל משטח שטוח טוב בהרבה מלוח ללא משטח שטוח מהסיבות הבאות:

1. הם מאפשרים לנתב אותות כקווי רצועה (או קווי רצועה). מבנים אלה הם קווי שידור עכבה מבוקרת עם הרבה פחות קרינה מהחיווט האקראי המשמש על לוחות דו שכבתיים;

2. מטוס הקרקע מפחית באופן משמעותי את עכבת הקרקע (ולכן רעשי הקרקע).

למרות ששני צלחות שימשו בהצלחה במארזים לא מוגנים של 20-25 מגה-הרץ, מקרים אלה הם היוצאים מן הכלל ולא הכלל. מעל 10-15 מגה-הרץ בדרך כלל יש לשקול לוחות מרובי שכבות.

ישנן חמש מטרות שעליך לנסות להשיג בעת שימוש בלוח רב שכבתי. ואלה הם:

1. שכבת האות תמיד צריכה להיות צמודה למטוס;

2. שכבת האות צריכה להיות מחוברת היטב (קרוב) למישור הסמוך שלה;

3, יש לשלב את מטוס הכוח ואת המטוס הקרקע;

4, אותות במהירות גבוהה צריכים להיקבר בקו בין שני מטוסים, המטוס יכול לשחק תפקיד מיגון ויכול לדכא את הקרינה של קו מודפס במהירות גבוהה;

5. למטוסי הארקה מרובים יש יתרונות רבים מכיוון שהם יפחיתו את עכבת ההארקה (מטוס ההתייחסות) של הלוח ויפחיתו את הקרינה במצב רגיל.

באופן כללי, אנו עומדים בפני בחירה בין צימוד קרבה לאות/מטוס (מטרה 2) לבין צימוד קרבה של מטוס כוח/קרקע (מטרה 3). עם טכניקות בנייה PCB קונבנציונאליות, קיבול הלוח השטוח בין ספק הכוח הסמוך למטוס הקרקע אינו מספיק כדי לספק ניתוק מספיק מתחת ל -500 מגהרץ.

לכן יש להתייחס לניתוק באמצעים אחרים, ובדרך כלל עלינו לבחור בצימוד הדוק בין האות למישור החזרה הנוכחי. היתרונות של צימוד הדוק בין שכבת האות למישור ההחזרה הנוכחי יעלו על החסרונות הנגרמים כתוצאה מאובדן קיבול בין המטוסים.

שמונה שכבות הוא המספר המינימלי של השכבות שניתן להשתמש בהן להשגת כל חמשת המטרות הללו. חלק מהיעדים הללו יצטרכו להתפשר על ארבעה לוחות של שישה שכבות. בתנאים אלה, עליך לקבוע אילו מטרות חשובות ביותר לעיצוב העומד לרשותך.

אין לפרש את הפסקה לעיל כך שאינך יכול לעשות עיצוב EMC טוב על לוח בן ארבע או שש קומות, כפי שאתה יכול. זה רק מראה שלא ניתן להשיג את כל המטרות בבת אחת ושנדרשת איזושהי פשרה.

מכיוון שניתן להשיג את כל יעדי ה- EMC הרצויים עם שמונה שכבות, אין סיבה להשתמש ביותר משמונה שכבות למעט התאמת שכבות ניתוב אותות נוספות.

מבחינה מכאנית, מטרה אידיאלית נוספת היא להפוך את חתך הלוח של הלוח המודפס לסימטרי (או מאוזן) למניעת עיקום.

לדוגמה, על לוח של שמונה שכבות, אם השכבה השנייה היא מישור, אז גם השכבה השביעית צריכה להיות מישור.

לכן, כל התצורות המוצגות כאן משתמשות במבנים סימטריים או מאוזנים. אם מותר להשתמש במבנים א -סימטריים או לא מאוזנים, אפשר לבנות תצורות מדורגות אחרות.

לוח ארבע שכבות

מבנה הלוחית הנפוץ ביותר בארבע שכבות מוצג באיור 1 (מטוס הכוח ומישור הקרקע ניתנים להחלפה). הוא מורכב מארבע שכבות בעלות מרווח שווה עם מטוס כוח פנימי ומישור קרקע. לשתי שכבות החיווט החיצוניות הללו יש בדרך כלל כיווני חיווט אורתוגונליים.

למרות שבנייה זו טובה בהרבה מלוחות כפולים, יש לה כמה תכונות פחות רצויות.

לרשימת היעדים בחלק 1, ערימה זו מספקת את היעד (1) בלבד. אם השכבות מרווחות באופן שווה, קיים פער גדול בין שכבת האות למישור ההחזרה הנוכחי. קיים גם פער גדול בין מטוס הכוח למטוס הקרקע.

עבור לוח בעל ארבע שכבות, איננו יכולים לתקן את שני הליקויים בו זמנית, ולכן עלינו להחליט מה החשוב ביותר עבורנו.

כפי שצוין קודם לכן, הקיבול בין השכבות בין ספק הכוח הסמוך למטוס הקרקע אינו מספיק כדי לספק ניתוק הולם באמצעות טכניקות ייצור PCB קונבנציונאליות.

ניתוק הניתוק חייב להיות מטופל באמצעים אחרים, ועלינו לבחור בצימוד הדוק בין האות למישור ההחזרה הנוכחי. היתרונות של צימוד הדוק בין שכבת האות למישור ההחזרה הנוכחי יעלו על החסרונות של אובדן קל של קיבול בין שכבות.

לכן הדרך הפשוטה ביותר לשפר את ביצועי EMC של צלחת ארבע השכבות היא להביא את שכבת האות קרוב ככל האפשר למטוס. 10mil), ומשתמש בליבה דיאלקטרית גדולה בין מקור הכוח למישור הקרקע (> 40mil), כפי שמוצג באיור 2.

יש לכך שלושה יתרונות ומעט חסרונות. שטח לולאת האות קטן יותר, ולכן נוצרת פחות קרינת מצב דיפרנציאלי. במקרה של מרווח של 5 מיל בין שכבת החיווט לשכבת המישור, ניתן להשיג הפחתת קרינת לולאה של 10dB או יותר ביחס למבנה מוערם שנמצא במרווח שווה.

שנית, הצימוד ההדוק של חיווט האות לאדמה מפחית את העכבה המישורית (השראות), ובכך מפחית את קרינת המצב הנפוץ של הכבל המחובר ללוח.

שלישית, הצימוד ההדוק של החיווט למטוס יפחית את ההתקרבות בין החיווט. עבור מרווח כבלים קבוע, שיח ההצלבה פרופורציונאלי לריבוע גובה הכבל. זוהי אחת הדרכים הקלות, הזולות והנעלמות ביותר להפחתת קרינה ממכשיר PCB בעל ארבע שכבות.

על ידי מבנה מפל זה, אנו מספקים את שתי המטרות (1) ו- (2).

אילו אפשרויות נוספות יש למבנה הלמינציה של ארבע השכבות? ובכן, אנו יכולים להשתמש במבנה לא שגרתי, כלומר החלפת שכבת האות ושכבת המטוס באיור 2 כדי לייצר את המפל המוצג באיור 3 א.

היתרון העיקרי של למינציה זו הוא בכך שהמישור החיצוני מספק מיגון לניתוב אותות בשכבה הפנימית. החיסרון הוא שמטוס הקרקע עשוי להיחתך בכבדות על ידי רפידות הרכיבים בצפיפות גבוהה על הלוח. ניתן להקל על זה במידה מסוימת על ידי היפוך המטוס, הנחת מטוס הכוח בצד האלמנט והצבת המטוס הקרקע בצד השני של הלוח.

שנית, חלק מהאנשים לא אוהבים שיש להם מטוס חשמל חשוף, ושלישית שכבות האות הקבורות מקשות על עיבוד הלוח מחדש. המפל עונה על מטרה (1), (2), וחלקו עונה על מטרה (4).

ניתן להקל על שתיים משלוש הבעיות הללו על ידי מפל כפי שמוצג באיור 3 ב ‘, כאשר שני המטוסים החיצוניים הם מטוסים קרקעיים ואספקת החשמל מנותבת במישור האות כחיווט.אספקת החשמל תנותב באמצעות raster באמצעות עקבות רחבים בשכבת האות.

שני יתרונות נוספים של מפל זה הם:

(1) שני מטוסי הקרקע מספקים עכבה קרקעית נמוכה בהרבה, ובכך מפחיתים את קרינת הכבלים במצב רגיל;

(2) ניתן לתפור את שני מטוסי הקרקע יחד בפריפריה של הצלחת כדי לאטום את כל עקבות האות בכלוב פאראדיי.

מנקודת מבט של EMC, שכבה זו, אם היא נעשית היטב, עשויה להיות השכבה הטובה ביותר של PCB בעל ארבע שכבות. כעת עמדנו ביעדים (1), (2), (4) ו- (5) עם לוח אחד בן ארבע שכבות בלבד.

איור 4 מציג אפשרות רביעית, לא הרגילה, אלא אפשרות שיכולה לבצע ביצועים טובים. הדבר דומה לאיור 2, אך מטוס הקרקע משמש במקום מטוס הכוח, ואספקת החשמל פועלת כעקבות על שכבת האות לחיווט.

מפל זה מתגבר על בעיית השיפוץ הנ”ל וגם מספק עכבה קרקעית נמוכה עקב שני מטוסי הקרקע. עם זאת, מטוסים אלה אינם מספקים כל מיגון. תצורה זו מספקת יעדים (1), (2) ו- (5), אך אינה מספקת יעדים (3) או (4).

אז, כפי שאתה יכול לראות יש יותר אפשרויות לשכבות של ארבע שכבות ממה שאתה יכול לחשוב בתחילה, ואפשר לעמוד בארבע מתוך חמשת המטרות שלנו עם PCBS בעל ארבע שכבות. מנקודת מבט של EMC, השכבות של איורים 2, 3b ו -4 פועלות כולם היטב.

לוח 6 שכבות

רוב לוחות שש שכבות מורכבים מארבע שכבות חיווט אותות ושתי שכבות מישוריות, ולוחות שש שכבות עדיפים בדרך כלל על לוחות ארבע שכבות מנקודת מבט של EMC.

איור 5 מראה מבנה מדורג שלא ניתן להשתמש בו על לוח שש שכבות.

מטוסים אלה אינם מספקים מיגון לשכבת האות, ושתי שכבות האות (1 ו -6) אינן צמודות למישור. סידור זה פועל רק אם כל האותות בתדר גבוה מנותבים בשכבות 2 ו -5, ורק אותות בתדר נמוך מאוד, או יותר טוב, כלל לא חוטי אות (רק כריות הלחמה) מנותבים בשכבות 1 ו -6.

אם נעשה שימוש, אזורים שאינם בשימוש בקומות 1 ו -6 צריכים להיות סלולים ולחבר viAS לקומה הראשית בכמה שיותר מקומות.

תצורה זו מספקת רק את אחד היעדים המקוריים שלנו (יעד 3).

עם שש שכבות זמינות, העיקרון של מתן שתי שכבות קבורות לאותות במהירות גבוהה (כפי שמוצג באיור 3) מיושם בקלות, כפי שמוצג באיור 6. תצורה זו מספקת גם שתי שכבות משטח לאותות במהירות נמוכה.

זהו כנראה המבנה הנפוץ ביותר בן שש השכבות ויכול להיות יעיל מאוד בבקרה של פליטת אלקטרומגנטיות אם נעשה היטב. תצורה זו עומדת ביעד 1,2,4, אך לא ביעד 3,5. החיסרון העיקרי שלו הוא הפרדת מטוס הכוח ומישור הקרקע.

בגלל ההפרדה הזו, אין הרבה קיבול בין -מטוס בין מטוס הכוח למטוס הקרקע, ולכן יש לבצע עיצוב ניתוק זהיר כדי להתמודד עם מצב זה. למידע נוסף על ניתוק, עיין בטיפים שלנו לטכניקת ניתוק.

מבנה למינציה בעל שש שכבות כמעט זהה ומתנהג היטב מוצג באיור 7.

H1 מייצג את שכבת הניתוב האופקית של האות 1, V1 מייצג את שכבת הניתוב האנכית של האות 1, H2 ו- V2 מייצגים את אותה משמעות לאות 2, והיתרון של מבנה זה הוא שאותות ניתוב אורתוגונליים מתייחסים תמיד לאותו מישור.

כדי להבין מדוע זה חשוב, עיין בסעיף על מטוסי אות להתייחסות בחלק 6. החיסרון הוא שאותות שכבה 1 ושכבה 6 אינם מוגנים.

לכן שכבת האות צריכה להיות קרובה מאוד למישור הסמוך שלה ויש להשתמש בשכבת ליבה אמצעית עבה יותר כדי להמציא את עובי הלוח הנדרש. המרווח האופייני לצלחת בעובי 0.060 אינץ ‘עשוי להיות 0.005 “/ 0.005″/ 0.040 “/ 0.005″/ 0.005 “/ 0.005”. מבנה זה עונה על יעדים 1 ו -2, אך לא על שערים 3, 4 או 5.

צלחת נוספת בת שש שכבות עם ביצועים מצוינים מוצגת באיור 8. הוא מספק שתי שכבות קבורות אותות ומטוסי כוח וקרקע סמוכים כדי לעמוד בכל חמשת המטרות. עם זאת, החיסרון הגדול ביותר הוא שיש לה רק שתי שכבות חיווט, כך שלא משתמשים בה לעתים קרובות במיוחד.

צלחת בת שש שכבות קלה יותר להשיג תאימות אלקטרומגנטית טובה מאשר צלחת בת ארבע שכבות. יש לנו גם את היתרון של ארבע שכבות ניתוב אותות במקום להיות מוגבלות לשתיים.

כמו במקרה של לוח המעגלים בן ארבע השכבות, ה- PCB בעל שש השכבות עמד בארבע מתוך חמשת המטרות שלנו. ניתן להשיג את כל חמשת המטרות אם אנו מגבילים את עצמנו לשתי שכבות ניתוב אותות. המבנים באיור 6, איור 7 ואיור 8 כולם עובדים היטב מבחינת EMC.