Istnieje wiele sposobów rozwiązywania problemów EMI. Nowoczesne metody tłumienia EMI obejmują: stosowanie powłok tłumiących EMI, dobór odpowiednich części tłumiących EMI oraz projektowanie symulacji EMI. Zaczynając od najbardziej podstawowego PCB W tym artykule omówiono rolę i techniki projektowania warstwowego układania płytek PCB w kontrolowaniu promieniowania EMI.

Rozsądne umieszczenie kondensatorów o odpowiedniej pojemności w pobliżu styków zasilania układu scalonego może spowodować szybszy skok napięcia wyjściowego układu scalonego. Na tym jednak problem się nie kończy. Ze względu na ograniczoną odpowiedź częstotliwościową kondensatorów sprawia to, że kondensatory nie są w stanie wygenerować mocy harmonicznej wymaganej do czystego zasilania wyjścia układu scalonego w pełnym paśmie częstotliwości. Ponadto napięcie przejściowe powstające na szynie zasilającej spowoduje spadek napięcia na cewce indukcyjnej ścieżki odsprzęgającej. Te przejściowe napięcia są głównymi źródłami zakłóceń EMI w trybie wspólnym. Jak powinniśmy rozwiązać te problemy?

Jeśli chodzi o układ scalony na naszej płytce drukowanej, warstwę mocy wokół układu scalonego można uznać za doskonały kondensator wysokiej częstotliwości, który może zbierać część energii wyciekającej przez dyskretny kondensator, który zapewnia energię o wysokiej częstotliwości do czyszczenia wyjście. Ponadto indukcyjność dobrej warstwy mocy powinna być mała, więc sygnał przejściowy syntetyzowany przez indukcyjność jest również mały, zmniejszając w ten sposób EMI w trybie wspólnym.

Oczywiście połączenie między warstwą mocy a pinem zasilania IC musi być jak najkrótsze, ponieważ zbocze narastające sygnału cyfrowego robi się coraz szybciej, a najlepiej podłączyć go bezpośrednio do padu, gdzie zasilanie IC znajduje się pin. Należy to omówić osobno.

Aby kontrolować zakłócenia EMI w trybie wspólnym, płaszczyzna mocy musi pomagać w odsprzęganiu i mieć wystarczająco niską indukcyjność. Ta płaszczyzna mocy musi być dobrze zaprojektowaną parą płaszczyzn mocy. Ktoś może zapytać, jak dobre jest dobre? Odpowiedź na to pytanie zależy od warstw zasilacza, materiałów między warstwami oraz częstotliwości roboczej (czyli funkcji czasu narastania układu scalonego). Ogólnie odległość między warstwami mocy wynosi 6 mil, a warstwa pośrednia jest z materiału FR4, równoważna pojemność warstwy mocy na cal kwadratowy wynosi około 75 pF. Oczywiście im mniejszy odstęp warstw, tym większa pojemność.

Niewiele jest urządzeń z czasem narastania od 100 do 300 ps, ​​ale zgodnie z obecną szybkością rozwoju układów scalonych, urządzenia z czasem narastania w zakresie od 100 do 300 ps będą zajmować dużą część. W przypadku obwodów o czasie narastania od 100 do 300 ps odstęp między warstwami 3mil nie będzie już odpowiedni dla większości zastosowań. W tym czasie konieczne było zastosowanie technologii warstwowej o odstępie warstw mniejszym niż 1 mil, a także zastąpienie materiałów dielektrycznych FR4 materiałami o wysokich stałych dielektrycznych. Teraz ceramika i ceramiczne tworzywa sztuczne mogą spełniać wymagania projektowe obwodów czasu narastania od 100 do 300 ps.

Chociaż w przyszłości mogą być stosowane nowe materiały i nowe metody, dla dzisiejszych powszechnych obwodów czasu narastania od 1 do 3 ns, odstępów między warstwami od 3 do 6 mil i materiałów dielektrycznych FR4, zwykle wystarcza do obsługi wyższych harmonicznych i uzyskania wystarczająco niskiego sygnału przejściowego , to znaczy, że EMI w trybie wspólnym może zostać zredukowane do bardzo niskiego poziomu. Przykłady projektowania układania warstwowego PCB podane w tym artykule zakładają odstępy między warstwami od 3 do 6 milicali.

Ekranowanie elektromagnetyczne

Z perspektywy śladów sygnału dobrą strategią warstwowania powinno być umieszczenie wszystkich śladów sygnału na jednej lub kilku warstwach, warstwy te znajdują się obok warstwy mocy lub warstwy uziemienia. W przypadku zasilacza dobrą strategią warstwowania powinno być to, aby warstwa mocy przylegała do warstwy uziemienia, a odległość między warstwą mocy a warstwą uziemienia była jak najmniejsza. To właśnie nazywamy strategią „warstwowania”.

Układanie płytek drukowanych

Jaka strategia układania może pomóc chronić i tłumić zakłócenia elektromagnetyczne? Poniższy schemat układania warstwowego zakłada, że ​​prąd zasilania płynie w pojedynczej warstwie, a pojedyncze napięcie lub wiele napięć jest rozłożonych na różne części tej samej warstwy. Przypadek wielu warstw mocy zostanie omówiony później.

Płyta 4-warstwowa

Istnieje kilka potencjalnych problemów z 4-warstwową konstrukcją płyty. Przede wszystkim tradycyjna czterowarstwowa płytka o grubości 62 mils, nawet jeśli warstwa sygnałowa znajduje się na warstwie zewnętrznej, a warstwy zasilania i uziemienia na warstwie wewnętrznej, odległość między warstwą mocy a warstwą uziemienia jest nadal za duży.

Jeśli wymagania dotyczące kosztów są pierwsze, możesz rozważyć dwie alternatywy dla tradycyjnej 4-warstwowej tektury. Te dwa rozwiązania mogą poprawić wydajność tłumienia EMI, ale nadają się tylko do zastosowań, w których gęstość komponentów na płycie jest wystarczająco niska i jest wystarczająco dużo miejsca wokół komponentów (umieść wymaganą warstwę miedzi zasilającej).

Pierwsza opcja to pierwszy wybór. Zewnętrzne warstwy PCB to wszystkie warstwy masy, a dwie środkowe to warstwy sygnału/zasilania. Zasilanie w warstwie sygnałowej jest prowadzone szeroką linią, co może powodować niską impedancję ścieżki prądu zasilania, a także niską impedancję ścieżki mikropaska sygnału. Z punktu widzenia kontroli EMI jest to najlepsza dostępna 4-warstwowa struktura PCB. W drugim schemacie warstwa zewnętrzna wykorzystuje moc i masę, a dwie środkowe warstwy wykorzystują sygnały. W porównaniu z tradycyjną płytą 4-warstwową, poprawa jest mniejsza, a impedancja międzywarstwowa jest tak słaba, jak w przypadku tradycyjnej płyty 4-warstwowej.

Jeśli chcesz kontrolować impedancję ścieżek, powyższy schemat układania musi być bardzo ostrożny, aby ułożyć ścieżki pod miedzianymi wyspami zasilającymi i uziemiającymi. Ponadto miedziane wyspy na warstwie zasilania lub warstwie uziemienia powinny być ze sobą możliwie jak najbardziej połączone, aby zapewnić łączność DC i niskiej częstotliwości.

Płyta 6-warstwowa

Jeśli gęstość komponentów na płycie 4-warstwowej jest stosunkowo wysoka, najlepsza jest płyta 6-warstwowa. Jednak niektóre schematy układania w stos w 6-warstwowej konstrukcji płyty nie są wystarczająco dobre, aby ekranować pole elektromagnetyczne i mają niewielki wpływ na redukcję sygnału przejściowego szyny zasilającej. Poniżej omówiono dwa przykłady.

W pierwszym przypadku zasilanie i uziemienie są umieszczone odpowiednio na 2 i 5 warstwie. Ze względu na wysoką impedancję miedzianej powłoki zasilacza bardzo niekorzystna jest kontrola promieniowania EMI w trybie wspólnym. Jednak z punktu widzenia kontroli impedancji sygnału metoda ta jest bardzo poprawna.