PCB stapelen is een belangrijke factor om de EMC-prestaties van producten te bepalen. Goede gelaagdheid kan zeer effectief zijn bij het verminderen van de straling van de PCB-lus (differentiële modus-emissie), evenals van kabels die op het bord zijn aangesloten (common-mode-emissie).

Aan de andere kant kan een slechte cascade de uitstraling van beide mechanismen sterk vergroten. Vier factoren zijn belangrijk bij het overwegen van plaatstapeling:

1. Aantal lagen;

2. Het aantal en type gebruikte lagen (stroom en/of aarde);

3. De volgorde of volgorde van lagen;

4. Het interval tussen lagen.

Gewoonlijk wordt alleen rekening gehouden met het aantal lagen. In veel gevallen zijn de andere drie factoren even belangrijk, en de vierde is soms niet eens bekend bij de PCB-ontwerper. Houd bij het bepalen van het aantal lagen rekening met het volgende:

1. Signaalhoeveelheid en bedradingskosten;

2. Frequentie;

3. Moet het product voldoen aan de lanceringseisen van klasse A of klasse B?

4. PCB zit in afgeschermde of onafgeschermde behuizing;

5. EMC-technische expertise van het ontwerpteam.

Meestal wordt alleen de eerste termijn in aanmerking genomen. Inderdaad, alle items waren van vitaal belang en moesten als gelijk worden beschouwd. Dit laatste item is bijzonder belangrijk en mag niet over het hoofd worden gezien als een optimaal ontwerp in de minste tijd en kosten moet worden bereikt.

Een meerlaagse plaat die gebruik maakt van een grond- en/of vermogensvlak zorgt voor een significante vermindering van stralingsemissie in vergelijking met een tweelaagse plaat. Een algemene vuistregel is dat een vierlaagse plaat 15 dB minder straling produceert dan een tweelaagse plaat, waarbij alle andere factoren gelijk zijn. Een bord met een plat oppervlak is veel beter dan een bord zonder een plat oppervlak om de volgende redenen:

1. Hiermee kunnen signalen worden gerouteerd als microstriplijnen (of lintlijnen). Deze structuren zijn transmissielijnen met gecontroleerde impedantie met veel minder straling dan de willekeurige bedrading die wordt gebruikt op tweelaagse borden;

2. Het grondvlak vermindert de grondimpedantie (en dus het grondgeluid) aanzienlijk.

Hoewel twee platen met succes zijn gebruikt in niet-afgeschermde behuizingen van 20-25 MHz, zijn deze gevallen eerder uitzondering dan regel. Boven ongeveer 10-15 MHz moeten meestal meerlagige panelen worden overwogen.

Er zijn vijf doelen die je moet proberen te bereiken bij het gebruik van een meerlagig bord. Dat zijn:

1. De signaallaag moet altijd aangrenzend zijn aan het vlak;

2. De signaallaag moet stevig (dichtbij) gekoppeld zijn aan het aangrenzende vlak;

3, het vermogensvlak en het grondvlak moeten nauw worden gecombineerd;

4, high-speed signaal moet worden begraven in de lijn tussen twee vliegtuigen, vliegtuig kan een afschermende rol spelen, en kan de straling van high-speed gedrukte lijn onderdrukken;

5. Meerdere aardingsvlakken hebben veel voordelen omdat ze de aardingsimpedantie (referentievlak) van het bord verminderen en common-mode-straling verminderen.

In het algemeen worden we geconfronteerd met een keuze tussen signaal/vlak-nabijheidskoppeling (doelstelling 2) en vermogen/grondvlak-nabijheidskoppeling (doelstelling 3). Met conventionele PCB-constructietechnieken is de vlakke plaatcapaciteit tussen de aangrenzende voeding en het aardingsvlak onvoldoende om voldoende ontkoppeling onder 500 MHz te bieden.

Daarom moet ontkoppeling op andere manieren worden aangepakt en moeten we over het algemeen kiezen voor een strakke koppeling tussen het signaal en het stroomretourvlak. De voordelen van een nauwe koppeling tussen de signaallaag en het stroomretourvlak zullen opwegen tegen de nadelen die worden veroorzaakt door een klein capaciteitsverlies tussen de vlakken.

Acht lagen is het minimale aantal lagen dat kan worden gebruikt om alle vijf deze doelen te bereiken. Sommige van deze doelen zullen moeten worden gecompromitteerd op vier- en zeslaags boards. Onder deze omstandigheden moet u bepalen welke doelen het belangrijkst zijn voor het ontwerp in kwestie.

De bovenstaande paragraaf moet niet zo worden geïnterpreteerd dat je geen goed EMC-ontwerp kunt maken op een bord met vier of zes niveaus, zoals je kunt. Het toont alleen maar aan dat niet alle doelstellingen tegelijk kunnen worden bereikt en dat er een soort compromis nodig is.

Aangezien alle gewenste EMC-doelen kunnen worden bereikt met acht lagen, is er geen reden om meer dan acht lagen te gebruiken, behalve om extra signaalrouteringslagen te accommoderen.

Vanuit mechanisch oogpunt is een ander ideaal doel om de doorsnede van de printplaat symmetrisch (of gebalanceerd) te maken om kromtrekken te voorkomen.

Als op een bord met acht lagen bijvoorbeeld de tweede laag een vlak is, moet de zevende laag ook een vlak zijn.

Daarom gebruiken alle hier gepresenteerde configuraties symmetrische of uitgebalanceerde structuren. Als asymmetrische of ongebalanceerde constructies zijn toegestaan, is het mogelijk om andere trapsgewijze configuraties te bouwen.

Vier lagen bord

De meest voorkomende vierlaagse plaatstructuur wordt getoond in figuur 1 (het vermogensvlak en het grondvlak zijn uitwisselbaar). Het bestaat uit vier gelijkmatig verdeelde lagen met een intern vermogensvlak en een grondvlak. Deze twee externe bedradingslagen hebben gewoonlijk orthogonale bedradingsrichtingen.

Hoewel deze constructie veel beter is dan dubbele panelen, heeft deze enkele minder wenselijke eigenschappen.

Voor de lijst met doelen in deel 1 voldoet deze stapel alleen aan doel (1). Als de lagen gelijk verdeeld zijn, is er een grote opening tussen de signaallaag en het stroomretourvlak. Er is ook een grote opening tussen het stroomvlak en het grondvlak.

Voor een board met vier lagen kunnen we niet beide defecten tegelijk corrigeren, dus moeten we beslissen welke voor ons het belangrijkst is.

Zoals eerder vermeld, is de capaciteit van de tussenlaag tussen de aangrenzende voeding en het aardingsvlak onvoldoende om een ​​adequate ontkoppeling te verschaffen met behulp van conventionele PCB-fabricagetechnieken.

Ontkoppeling moet op een andere manier gebeuren en we moeten kiezen voor een strakke koppeling tussen het signaal en het stroomterugkeervlak. De voordelen van een nauwe koppeling tussen de signaallaag en het stroomretourvlak zullen opwegen tegen de nadelen van een klein verlies van tussenlaagcapaciteit.

Daarom is de eenvoudigste manier om de EMC-prestaties van de vierlaagse plaat te verbeteren, de signaallaag zo dicht mogelijk bij het vlak te brengen. 10mil), en gebruikt een grote diëlektrische kern tussen de stroombron en het grondvlak (> 40mil), zoals weergegeven in figuur 2.

Dit heeft drie voordelen en enkele nadelen. Het signaallusgebied is kleiner, zodat er minder differentiële modusstraling wordt gegenereerd. Voor het geval van een interval van 5 mil tussen de bedradingslaag en de vlakke laag, kan een lusstralingsreductie van 10 dB of meer worden bereikt ten opzichte van een op gelijke afstand van elkaar geplaatste gestapelde structuur.

Ten tweede vermindert de strakke koppeling van de signaalbedrading met de aarde de vlakke impedantie (inductantie), waardoor de common-mode-straling van de kabel die op het bord is aangesloten, wordt verminderd.

Ten derde zal de strakke koppeling van de bedrading aan het vlak overspraak tussen de bedrading verminderen. Voor vaste kabelafstanden is overspraak evenredig met het kwadraat van de kabelhoogte. Dit is een van de gemakkelijkste, goedkoopste en meest over het hoofd geziene manieren om de straling van een vierlaagse printplaat te verminderen.

Door deze cascadestructuur voldoen we aan beide doelstellingen (1) en (2).

Welke andere mogelijkheden zijn er voor de vierlaagse gelamineerde structuur? Welnu, we kunnen een beetje een onconventionele structuur gebruiken, namelijk het omschakelen van de signaallaag en de vlakke laag in figuur 2 om de cascade te produceren die wordt getoond in figuur 3A.

Het belangrijkste voordeel van deze laminering is dat het buitenste vlak afscherming biedt voor signaalroutering op de binnenste laag. Het nadeel is dat het grondvlak sterk kan worden doorgesneden door de componenten met hoge dichtheid op de printplaat. Dit kan enigszins worden verholpen door het vlak om te keren, het vermogensvlak aan de zijkant van het element te plaatsen en het grondvlak aan de andere kant van het bord te plaatsen.

Ten tweede houden sommige mensen er niet van om een ​​blootliggend vermogensvlak te hebben, en ten derde maken verborgen signaallagen het moeilijk om het bord opnieuw te bewerken. De cascade voldoet aan doelstelling (1), (2) en gedeeltelijk aan doelstelling (4).

Twee van deze drie problemen kunnen worden verholpen door een cascade zoals weergegeven in figuur 3B, waarbij de twee buitenste vlakken aardvlakken zijn en de voeding als bedrading op het signaalvlak wordt geleid.De voeding wordt gerasterd met behulp van brede sporen in de signaallaag.

Twee extra voordelen van deze cascade zijn:

(1) De twee aardvlakken zorgen voor een veel lagere aardimpedantie, waardoor de common-mode kabelstraling wordt verminderd;

(2) De twee grondvlakken kunnen aan de omtrek van de plaat aan elkaar worden genaaid om alle signaalsporen in een kooi van Faraday af te sluiten.

Vanuit EMC-oogpunt is deze gelaagdheid, indien goed uitgevoerd, misschien wel de beste gelaagdheid van een vierlaagse PCB. Nu hebben we doelen (1), (2), (4) en (5) bereikt met slechts één bord met vier lagen.

Figuur 4 toont een vierde mogelijkheid, niet de gebruikelijke, maar een die goed kan presteren. Dit is vergelijkbaar met figuur 2, maar het aardingsvlak wordt gebruikt in plaats van het vermogensvlak, en de voeding fungeert als een spoor op de signaallaag voor bedrading.

Deze cascade overwint het bovengenoemde herbewerkingsprobleem en zorgt ook voor een lage grondimpedantie vanwege de twee aardvlakken. Deze vlakken bieden echter geen enkele afscherming. Deze configuratie voldoet aan de doelen (1), (2) en (5), maar niet aan de doelen (3) of (4).

Dus, zoals je kunt zien, zijn er meer opties voor vierlaagse gelaagdheid dan je in eerste instantie zou denken, en het is mogelijk om vier van onze vijf doelen te bereiken met vierlaagse PCBS. Vanuit EMC-oogpunt werken de gelaagdheid van figuren 2, 3b en 4 allemaal goed.

6 lagen bord

De meeste zeslaagse kaarten bestaan ​​uit vier signaalbedradingslagen en twee vlakke lagen, en zeslaagse kaarten zijn over het algemeen superieur aan vierlaagse kaarten vanuit een EMC-perspectief.

Figuur 5 toont een trapsgewijze structuur die niet kan worden gebruikt op een bord met zes lagen.

Deze vlakken bieden geen afscherming voor de signaallaag en twee van de signaallagen (1 en 6) grenzen niet aan een vlak. Deze opstelling werkt alleen als alle hoogfrequente signalen naar de lagen 2 en 5 worden geleid, en alleen zeer laagfrequente signalen, of beter nog, helemaal geen signaaldraden (alleen soldeerpads) naar de lagen 1 en 6.

Indien gebruikt, dienen ongebruikte ruimtes op verdieping 1 en 6 op zoveel mogelijk plaatsen te worden verhard en via viaA aan de begane grond te worden bevestigd.

Deze configuratie voldoet slechts aan een van onze oorspronkelijke doelen (Doel 3).

Met zes beschikbare lagen is het principe van twee begraven lagen voor hogesnelheidssignalen (zoals weergegeven in afbeelding 3) eenvoudig te implementeren, zoals weergegeven in afbeelding 6. Deze configuratie biedt ook twee oppervlaktelagen voor signalen met lage snelheid.

Dit is waarschijnlijk de meest voorkomende structuur met zes lagen en kan zeer effectief zijn bij het beheersen van elektromagnetische emissie als het goed wordt gedaan. Deze configuratie voldoet aan doel 1,2,4, maar niet aan doel 3,5. Het grootste nadeel is de scheiding van het stroomvlak en het grondvlak.

Vanwege deze scheiding is er niet veel capaciteit tussen de vlakken tussen het vermogensvlak en het grondvlak, dus moet een zorgvuldig ontkoppelingsontwerp worden uitgevoerd om met deze situatie om te gaan. Zie onze tips voor ontkoppelingstechniek voor meer informatie over ontkoppeling.

Een bijna identieke, goed opgevoede zeslaagse gelamineerde structuur wordt getoond in figuur 7.

H1 vertegenwoordigt de horizontale routeringslaag van signaal 1, V1 vertegenwoordigt de verticale routeringslaag van signaal 1, H2 en V2 vertegenwoordigen dezelfde betekenis voor signaal 2, en het voordeel van deze structuur is dat orthogonale routeringssignalen altijd naar hetzelfde vlak verwijzen.

Zie het gedeelte over signaal-naar-referentievlakken in deel 6 om te begrijpen waarom dit belangrijk is. Het nadeel is dat laag 1 en laag 6 signalen niet afgeschermd zijn.

Daarom moet de signaallaag zeer dicht bij het aangrenzende vlak liggen en moet een dikkere middelste kernlaag worden gebruikt om de vereiste plaatdikte te vormen. De typische afstand tussen de platen van 0.060 inch dik is waarschijnlijk 0.005 “/ 0.005” / 0.040 “/ 0.005” / 0.005 “/ 0.005”. Deze structuur voldoet aan de doelstellingen 1 en 2, maar niet aan de doelstellingen 3, 4 of 5.

Een andere zeslaagse plaat met uitstekende prestaties wordt getoond in figuur 8. Het biedt twee signaalondergrondse lagen en aangrenzende stroom- en grondvlakken om aan alle vijf de doelstellingen te voldoen. Het grootste nadeel is echter dat het slechts twee bedradingslagen heeft, dus het wordt niet vaak gebruikt.

Zes-laags plaat is gemakkelijker om een ​​goede elektromagnetische compatibiliteit te verkrijgen dan vier-laags plaat. We hebben ook het voordeel van vier signaalrouteringslagen in plaats van beperkt te zijn tot twee.

Zoals het geval was met de vierlaagse printplaat, voldeed de zeslaagse PCB aan vier van onze vijf doelen. Alle vijf doelen kunnen worden bereikt als we ons beperken tot twee signaalrouteringslagen. De structuren in Afbeelding 6, Afbeelding 7 en Afbeelding 8 werken allemaal goed vanuit een EMC-perspectief.