Er zijn veel manieren om EMI-problemen op te lossen. Moderne EMI-onderdrukkingsmethoden omvatten: het gebruik van EMI-onderdrukkingscoatings, het selecteren van geschikte EMI-onderdrukkingsonderdelen en EMI-simulatieontwerp. Beginnend bij de meest elementaire PCB lay-out, bespreekt dit artikel de rol en ontwerptechnieken van PCB-gelaagde stapeling bij het beheersen van EMI-straling.

Het redelijkerwijs plaatsen van condensatoren met de juiste capaciteit in de buurt van de voedingspinnen van het IC kan de IC-uitgangsspanning sneller laten springen. Het probleem houdt hier echter niet op. Vanwege de beperkte frequentierespons van condensatoren, zijn de condensatoren niet in staat om het harmonische vermogen te genereren dat nodig is om de IC-uitgang netjes in de volledige frequentieband aan te sturen. Bovendien zal de tijdelijke spanning gevormd op de stroomrail een spanningsval vormen over de inductor van het ontkoppelingspad. Deze transiënte spanningen zijn de belangrijkste common-mode EMI-interferentiebronnen. Hoe moeten we deze problemen oplossen?

Wat het IC op onze printplaat betreft, kan de vermogenslaag rond het IC worden beschouwd als een uitstekende hoogfrequente condensator, die het deel van de energie kan opvangen dat is gelekt door de discrete condensator die hoogfrequente energie levert voor schone uitvoer. Bovendien moet de inductantie van een goede vermogenslaag klein zijn, dus het transiënte signaal dat door de inductantie wordt gesynthetiseerd, is ook klein, waardoor de common-mode EMI wordt verminderd.

Natuurlijk moet de verbinding tussen de vermogenslaag en de IC-voedingspen zo kort mogelijk zijn, omdat de stijgende flank van het digitale signaal steeds sneller wordt, en het is het beste om deze rechtstreeks aan te sluiten op de pad waar de IC-voeding pin bevindt. Dit moet apart worden besproken.

Om common-mode EMI te regelen, moet het vermogensvlak helpen bij het ontkoppelen en een voldoende lage inductantie hebben. Dit krachtvliegtuig moet een goed ontworpen paar krachtvliegtuigen zijn. Iemand vraagt ​​zich misschien af: hoe goed is goed? Het antwoord op de vraag hangt af van de gelaagdheid van de voeding, de materialen tussen de lagen en de werkfrequentie (dat wil zeggen, een functie van de stijgtijd van de IC). Over het algemeen is de afstand van de vermogenslaag 6 mil, en de tussenlaag is FR4-materiaal, de equivalente capaciteit van de vermogenslaag per vierkante inch is ongeveer 75 pF. Het is duidelijk dat hoe kleiner de laagafstand, hoe groter de capaciteit.

Er zijn niet veel apparaten met een stijgtijd van 100 tot 300 ps, ​​maar volgens de huidige IC ontwikkelsnelheid zullen apparaten met een stijgtijd in het bereik van 100 tot 300 ps een hoog aandeel innemen. Voor circuits met een stijgtijd van 100 tot 300 ps is een laagafstand van 3 mil niet langer geschikt voor de meeste toepassingen. In die tijd was het noodzakelijk om laagtechnologie te gebruiken met een laagafstand van minder dan 1 mil, en om FR4-diëlektrische materialen te vervangen door materialen met hoge diëlektrische constanten. Nu kunnen keramiek en keramische kunststoffen voldoen aan de ontwerpvereisten van 100 tot 300 ps stijgtijdcircuits.

Hoewel er in de toekomst nieuwe materialen en nieuwe methoden kunnen worden gebruikt, is het voor de huidige gemeenschappelijke 1 tot 3ns stijgtijdcircuits, 3 tot 6mil laagafstand en FR4-diëlektrische materialen meestal voldoende om hoogwaardige harmonischen te verwerken en het transiënte signaal laag genoeg te maken , dat wil zeggen , Common mode EMI kan zeer laag worden verminderd. De voorbeelden van PCB-gelaagde stapelontwerpen die in dit artikel worden gegeven, gaan uit van een laagafstand van 3 tot 6 mils.

Elektromagnetische afscherming

Vanuit het perspectief van signaalsporen zou een goede gelaagdheidstrategie moeten zijn om alle signaalsporen op één of meer lagen te plaatsen, deze lagen bevinden zich naast de stroomlaag of grondlaag. Voor de stroomvoorziening zou een goede gelaagdheidsstrategie moeten zijn dat de stroomlaag grenst aan de grondlaag en dat de afstand tussen de stroomlaag en de grondlaag zo klein mogelijk is. Dit noemen we de “layering”-strategie.

PCB-stapeling

Welke stapelstrategie kan EMI helpen afschermen en onderdrukken? Het volgende gelaagde stapelschema gaat ervan uit dat de voedingsstroom op een enkele laag vloeit en dat de enkele spanning of meerdere spanningen in verschillende delen van dezelfde laag worden verdeeld. Het geval van meerdere machtslagen zal later worden besproken.

4-laags bord

Er zijn verschillende potentiële problemen met het 4-laags bordontwerp. Allereerst het traditionele vierlaagse bord met een dikte van 62 mils, zelfs als de signaallaag zich op de buitenste laag bevindt en de stroom- en grondlagen zich op de binnenste laag, de afstand tussen de vermogenslaag en de grondlaag is nog te groot.

Als de kosteneis de eerste is, kunt u de volgende twee alternatieven overwegen voor de traditionele 4-laags plaat. Deze twee oplossingen kunnen de prestaties van EMI-onderdrukking verbeteren, maar ze zijn alleen geschikt voor toepassingen waarbij de componentdichtheid op het bord laag genoeg is en er voldoende ruimte rond de componenten is (plaats de vereiste stroomkoperlaag).

De eerste optie is de eerste keuze. De buitenste lagen van de PCB zijn allemaal grondlagen en de middelste twee lagen zijn signaal-/vermogenslagen. De voeding op de signaallaag wordt gerouteerd met een brede lijn, wat de padimpedantie van de voedingsstroom laag kan maken, en de impedantie van het signaalmicrostrippad is ook laag. Vanuit het perspectief van EMI-controle is dit de beste 4-laagse PCB-structuur die beschikbaar is. In het tweede schema gebruikt de buitenste laag stroom en aarde en gebruiken de middelste twee lagen signalen. Vergeleken met het traditionele 4-laags bord is de verbetering kleiner en is de tussenlaagimpedantie net zo slecht als het traditionele 4-laags bord.

Als u de spoorimpedantie wilt regelen, moet het bovenstaande stapelschema heel voorzichtig zijn om de sporen onder de stroom- en aardkopereilanden te rangschikken. Bovendien moeten de koperen eilanden op de voedings- of aardlaag zoveel mogelijk met elkaar worden verbonden om DC- en laagfrequente connectiviteit te garanderen.

6-laags bord

Als de dichtheid van componenten op een 4-laags bord relatief hoog is, is een 6-laags bord het beste. Sommige stapelschema’s in het 6-laags bordontwerp zijn echter niet goed genoeg om het elektromagnetische veld af te schermen en hebben weinig effect op de reductie van het transiënte signaal van de voedingsbus. Hieronder worden twee voorbeelden besproken.

In het eerste geval worden de voeding en aarde respectievelijk op de 2e en 5e laag geplaatst. Vanwege de hoge impedantie van de koperen coating van de voeding is het zeer ongunstig om de common mode EMI-straling te beheersen. Vanuit het oogpunt van signaalimpedantieregeling is deze methode echter zeer correct.