PCB układanie w stos jest ważnym czynnikiem określającym wydajność produktów w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej. Dobre warstwowanie może być bardzo skuteczne w redukcji promieniowania z pętli PCB (emisja w trybie różnicowym), a także z kabli podłączonych do płytki (emisja w trybie wspólnym).

Z drugiej strony zła kaskada może znacznie zwiększyć promieniowanie obu mechanizmów. Przy rozważaniu układania płyt ważne są cztery czynniki:

1. Liczba warstw;

2. Liczba i rodzaj użytych warstw (zasilanie i/lub uziemienie);

3. Kolejność lub kolejność warstw;

4. Odstęp między warstwami.

Zwykle brana jest pod uwagę tylko liczba warstw. W wielu przypadkach pozostałe trzy czynniki są równie ważne, a czwarty czasami nie jest nawet znany projektantowi PCB. Przy określaniu liczby warstw należy wziąć pod uwagę następujące kwestie:

1. Ilość sygnału i koszt okablowania;

2. Częstotliwość;

3. Czy produkt musi spełniać wymagania startowe Klasy A lub Klasy B?

4. PCB jest w obudowie ekranowanej lub nieekranowanej;

5. Ekspertyza inżynierska EMC zespołu projektowego.

Zwykle brany jest pod uwagę tylko pierwszy termin. Rzeczywiście, wszystkie elementy były niezbędne i powinny być traktowane jednakowo. Ta ostatnia kwestia jest szczególnie ważna i nie należy jej pomijać, jeśli ma zostać osiągnięty optymalny projekt w jak najmniejszym nakładzie czasu i kosztów.

Płyta wielowarstwowa wykorzystująca płaszczyznę uziemiającą i/lub zasilającą zapewnia znaczną redukcję emisji promieniowania w porównaniu z płytą dwuwarstwową. Ogólną stosowaną zasadą jest to, że płyta czterowarstwowa wytwarza promieniowanie o 15 dB mniej niż płyta dwuwarstwowa, przy czym wszystkie inne czynniki są takie same. Deska o płaskiej powierzchni jest znacznie lepsza niż deska bez płaskiej powierzchni z następujących powodów:

1. Umożliwiają przesyłanie sygnałów jako linii mikropaskowych (lub linii wstęgowych). Struktury te są liniami transmisyjnymi o kontrolowanej impedancji o znacznie mniejszym promieniowaniu niż losowe okablowanie stosowane na płytach dwuwarstwowych;

2. Płaszczyzna uziemienia znacznie zmniejsza impedancję uziemienia (a tym samym szum gruntu).

Chociaż dwie płytki zostały z powodzeniem zastosowane w nieekranowanych obudowach 20-25 MHz, te przypadki są raczej wyjątkiem niż regułą. Powyżej około 10-15 mhz zwykle należy brać pod uwagę panele wielowarstwowe.

Jest pięć celów, które powinieneś osiągnąć, korzystając z płyty wielowarstwowej. Są to:

1. Warstwa sygnałowa powinna zawsze przylegać do płaszczyzny;

2. Warstwa sygnałowa powinna być ciasno połączona (blisko) z sąsiednią płaszczyzną;

3, płaszczyzna zasilania i płaszczyzna uziemienia powinny być ściśle połączone;

4, szybki sygnał powinien być pochowany w linii między dwiema płaszczyznami, samolot może odgrywać rolę ekranującą i może tłumić promieniowanie szybkiej drukowanej linii;

5. Wielokrotne płaszczyzny uziemiające mają wiele zalet, ponieważ zmniejszają impedancję uziemienia (płaszczyzny odniesienia) płyty i zmniejszają promieniowanie w trybie wspólnym.

Ogólnie rzecz biorąc, mamy do wyboru sprzężenie zbliżeniowe sygnału/płaszczyzny (cel 2) lub sprzężenie zbliżeniowe płaszczyzny zasilania/masy (cel 3). W przypadku konwencjonalnych technik budowy obwodów drukowanych pojemność płytki płaskiej między sąsiednim zasilaczem a płaszczyzną uziemienia jest niewystarczająca do zapewnienia wystarczającego odsprzęgnięcia poniżej 500 MHz.

Dlatego odsprzężenie musi być rozwiązane w inny sposób i powinniśmy generalnie wybierać ścisłe sprzężenie między sygnałem a bieżącą płaszczyzną powrotną. Zalety ścisłego sprzężenia między warstwą sygnałową a bieżącą płaszczyzną powrotną przeważą nad wadami spowodowanymi niewielką utratą pojemności między płaszczyznami.

Osiem warstw to minimalna liczba warstw, których można użyć do osiągnięcia wszystkich pięciu z tych celów. Niektóre z tych celów będą musiały zostać skompromitowane na płytach cztero- i sześciowarstwowych. W tych warunkach musisz określić, które cele są najważniejsze dla danego projektu.

Powyższy akapit nie powinien być interpretowany jako oznaczający, że nie można wykonać dobrego projektu EMC na cztero- lub sześciowarstwowej płycie, jak to możliwe. Pokazuje tylko, że nie wszystkie cele można osiągnąć od razu i że potrzebny jest jakiś kompromis.

Ponieważ wszystkie pożądane cele EMC można osiągnąć za pomocą ośmiu warstw, nie ma powodu, aby używać więcej niż ośmiu warstw, z wyjątkiem uwzględnienia dodatkowych warstw routingu sygnału.

Z mechanicznego punktu widzenia kolejnym idealnym celem jest symetryczny (lub zrównoważony) przekrój płytki PCB, aby zapobiec wypaczeniu.

Na przykład na płycie ośmiowarstwowej, jeśli druga warstwa jest płaszczyzną, to siódma warstwa również powinna być płaszczyzną.

Dlatego wszystkie przedstawione tutaj konfiguracje wykorzystują struktury symetryczne lub zrównoważone. Jeśli dozwolone są konstrukcje asymetryczne lub niezrównoważone, możliwe jest zbudowanie innych konfiguracji kaskadowych.

Płyta czterowarstwowa

Najbardziej powszechną czterowarstwową strukturę płyt pokazano na rysunku 1 (płaszczyzna zasilania i płaszczyzna uziemienia są wymienne). Składa się z czterech równomiernie rozmieszczonych warstw z wewnętrzną płaszczyzną zasilania i płaszczyzną uziemienia. Te dwie zewnętrzne warstwy okablowania mają zwykle ortogonalne kierunki okablowania.

Chociaż ta konstrukcja jest znacznie lepsza niż podwójne panele, ma kilka mniej pożądanych cech.

Dla listy celów w Części 1, ten stos spełnia tylko cel (1). Jeśli warstwy są równomiernie rozmieszczone, istnieje duża przerwa między warstwą sygnału a bieżącą płaszczyzną powrotną. Istnieje również duża luka między płaszczyzną zasilania a płaszczyzną uziemienia.

W przypadku deski czterowarstwowej nie możemy korygować obu wad jednocześnie, więc musimy zdecydować, co jest dla nas najważniejsze.

Jak wspomniano wcześniej, pojemność międzywarstwowa między sąsiednim zasilaczem a płaszczyzną uziemienia jest niewystarczająca, aby zapewnić odpowiednie odsprzęgnięcie przy użyciu konwencjonalnych technik produkcji PCB.

Oddzielenie musi być obsługiwane w inny sposób i powinniśmy wybrać ścisłe sprzężenie między sygnałem a bieżącą płaszczyzną powrotną. Zalety ścisłego sprzężenia między warstwą sygnałową a bieżącą płaszczyzną powrotną przeważą nad wadami niewielkiej utraty pojemności międzywarstwowej.

Dlatego najprostszym sposobem poprawy wydajności EMC płyty czterowarstwowej jest zbliżenie warstwy sygnału do płaszczyzny tak, jak to tylko możliwe. 10 mil) i wykorzystuje duży rdzeń dielektryczny między źródłem zasilania a płaszczyzną uziemienia (> 40 mil), jak pokazano na rysunku 2.

Ma to trzy zalety i kilka wad. Obszar pętli sygnału jest mniejszy, więc generowane jest mniej promieniowania w trybie różnicowym. W przypadku odstępu 5 mil między warstwą przewodów a warstwą płaską, można uzyskać redukcję promieniowania pętli o 10 dB lub więcej w stosunku do równomiernie rozmieszczonej struktury ułożonej w stos.

Po drugie, ścisłe połączenie okablowania sygnałowego z ziemią zmniejsza impedancję planarną (indukcyjność), zmniejszając w ten sposób promieniowanie w trybie wspólnym kabla podłączonego do płytki.

Po trzecie, ścisłe połączenie okablowania z płaszczyzną zmniejszy przesłuch między okablowaniem. Przy stałych odstępach między kablami przesłuch jest proporcjonalny do kwadratu wysokości kabla. Jest to jeden z najłatwiejszych, najtańszych i najczęściej pomijanych sposobów redukcji promieniowania z czterowarstwowej płytki drukowanej.

Dzięki tej kaskadowej strukturze spełniamy oba cele (1) i (2).

Jakie inne możliwości daje czterowarstwowa konstrukcja laminowana? Cóż, możemy użyć nieco niekonwencjonalnej struktury, a mianowicie przełączyć warstwę sygnału i warstwę płaską na rysunku 2, aby uzyskać kaskadę pokazaną na rysunku 3A.

Główną zaletą tej laminacji jest to, że zewnętrzna płaszczyzna zapewnia ekranowanie do prowadzenia sygnału na warstwie wewnętrznej. Wadą jest to, że płaszczyzna uziemienia może zostać mocno przycięta przez podkładki elementów o dużej gęstości na płytce drukowanej. Można to do pewnego stopnia złagodzić, odwracając płaszczyznę, umieszczając płaszczyznę zasilania z boku elementu i umieszczając płaszczyznę uziemienia po drugiej stronie deski.

Po drugie, niektórzy ludzie nie lubią mieć odsłoniętego płaszczyzny zasilania, a po trzecie, zakopane warstwy sygnału utrudniają przeróbkę płyty. Kaskada spełnia cel (1), (2), a częściowo cel (4).

Dwa z tych trzech problemów można złagodzić kaskadą, jak pokazano na rysunku 3B, gdzie dwie zewnętrzne płaszczyzny są płaszczyznami uziemienia, a zasilanie jest prowadzone na płaszczyźnie sygnału jako okablowanie.Zasilanie powinno być poprowadzone rastrowo z wykorzystaniem szerokich ścieżek w warstwie sygnałowej.

Dwie dodatkowe zalety tej kaskady to:

(1) Dwie płaszczyzny uziemienia zapewniają znacznie niższą impedancję uziemienia, zmniejszając w ten sposób promieniowanie kabla w trybie wspólnym;

(2) Dwie płaszczyzny uziemienia mogą być zszyte na obwodzie płyty, aby uszczelnić wszystkie ślady sygnału w klatce Faradaya.

Z punktu widzenia EMC to warstwowanie, jeśli zostanie wykonane dobrze, może być najlepszym warstwowaniem czterowarstwowej płytki drukowanej. Teraz osiągnęliśmy cele (1), (2), (4) i (5) za pomocą tylko jednej czterowarstwowej planszy.

Rysunek 4 pokazuje czwartą możliwość, nie zwykłą, ale taką, która może działać dobrze. Jest to podobne do rysunku 2, ale płaszczyzna uziemienia jest używana zamiast płaszczyzny zasilania, a zasilacz działa jako ślad na warstwie sygnału dla okablowania.

Ta kaskada rozwiązuje wspomniany problem z przeróbkami, a także zapewnia niską impedancję uziemienia dzięki dwóm płaszczyznom uziemienia. Jednak samoloty te nie zapewniają żadnego ekranowania. Taka konfiguracja spełnia cele (1), (2) i (5), ale nie spełnia celów (3) lub (4).

Tak więc, jak widać, jest więcej opcji czterowarstwowych warstw, niż mogłoby się początkowo wydawać, i możliwe jest osiągnięcie czterech z naszych pięciu celów za pomocą czterowarstwowych płytek drukowanych. Z punktu widzenia EMC wszystkie warstwy na rysunkach 2, 3b i 4 działają dobrze.

6-warstwowa płyta

Większość płyt sześciowarstwowych składa się z czterech warstw okablowania sygnałowego i dwóch warstw płaskich, a płyty sześciowarstwowe są generalnie lepsze od płyt czterowarstwowych z perspektywy EMC.

Rysunek 5 przedstawia strukturę kaskadową, której nie można zastosować na płycie sześciowarstwowej.

Płaszczyzny te nie zapewniają ekranowania dla warstwy sygnałowej, a dwie z warstw sygnałowych (1 i 6) nie sąsiadują z płaszczyzną. Ten układ działa tylko wtedy, gdy wszystkie sygnały o wysokiej częstotliwości są kierowane w warstwach 2 i 5, a tylko sygnały o bardzo niskiej częstotliwości, lub jeszcze lepiej, w ogóle nie są prowadzone żadne przewody sygnałowe (tylko pola lutownicze) w warstwach 1 i 6.

Jeśli są używane, wszelkie nieużywane obszary na piętrach 1 i 6 powinny być utwardzone i przymocowane do głównego piętra w tak wielu miejscach, jak to możliwe.

Ta konfiguracja spełnia tylko jeden z naszych pierwotnych celów (Cel 3).

Dzięki sześciu dostępnym warstwom zasada dostarczania dwóch warstw podziemnych dla sygnałów o dużej szybkości (jak pokazano na rysunku 3) jest łatwa do wdrożenia, jak pokazano na rysunku 6. Ta konfiguracja zapewnia również dwie warstwy powierzchniowe dla sygnałów o niskiej prędkości.

Jest to prawdopodobnie najczęstsza struktura sześciowarstwowa i może być bardzo skuteczna w kontrolowaniu emisji elektromagnetycznej, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Taka konfiguracja spełnia cel 1,2,4, ale nie cel 3,5. Jego główną wadą jest oddzielenie płaszczyzny zasilania i płaszczyzny uziemienia.

Z powodu tej separacji nie ma dużej pojemności międzypłaszczyznowej między płaszczyzną zasilania a płaszczyzną uziemienia, dlatego należy starannie zaprojektować odsprzęgnięcie, aby poradzić sobie z tą sytuacją. Aby uzyskać więcej informacji na temat odsprzęgania, zapoznaj się z naszymi wskazówkami dotyczącymi techniki odsprzęgania.

Niemal identyczna, dobrze zachowująca się sześciowarstwowa konstrukcja laminowana jest pokazana na rysunku 7.

H1 reprezentuje warstwę rutowania poziomego sygnału 1, V1 reprezentuje warstwę rutowania pionowego sygnału 1, H2 i V2 mają to samo znaczenie dla sygnału 2, a zaletą tej struktury jest to, że sygnały trasowania ortogonalnego zawsze odnoszą się do tej samej płaszczyzny.

Aby zrozumieć, dlaczego jest to ważne, zobacz sekcję o płaszczyznach sygnał-odniesienie w części 6. Wadą jest to, że sygnały warstwy 1 i warstwy 6 nie są ekranowane.

Dlatego warstwa sygnałowa powinna znajdować się bardzo blisko swojej sąsiedniej płaszczyzny i należy zastosować grubszą warstwę środkową rdzenia, aby uzupełnić wymaganą grubość płyty. Typowy odstęp między płytami o grubości 0.060 cala wynosi 0.005 “/0.005” / 0.040 “/0.005” / 0.005 “/0.005”. Ta struktura spełnia cele 1 i 2, ale nie cele 3, 4 lub 5.

Kolejną sześciowarstwową płytę o doskonałych parametrach pokazano na rysunku 8. Zapewnia dwie warstwy zakopane w sygnale oraz sąsiednie płaszczyzny zasilania i uziemienia, aby spełnić wszystkie pięć celów. Jednak największą wadą jest to, że ma tylko dwie warstwy okablowania, więc nie jest często używany.

Płyta sześciowarstwowa jest łatwiejsza do uzyskania dobrej kompatybilności elektromagnetycznej niż płyta czterowarstwowa. Mamy również zaletę czterech warstw routingu sygnału zamiast ograniczania się do dwóch.

Podobnie jak w przypadku czterowarstwowej płytki drukowanej, sześciowarstwowa płytka PCB spełniła cztery z pięciu naszych celów. Wszystkie pięć celów można osiągnąć, jeśli ograniczymy się do dwóch warstw routingu sygnału. Wszystkie struktury na rysunku 6, rysunku 7 i rysunku 8 działają dobrze z perspektywy EMC.