site logo

Обзор знаний о серии EMC для каскадного подключения печатных плат

печатная плата стекирование является важным фактором для определения характеристик ЭМС продуктов. Хорошее наслоение может быть очень эффективным для уменьшения излучения от контура печатной платы (излучение в дифференциальном режиме), а также от кабелей, подключенных к плате (излучение в синфазном режиме).

ipcb

С другой стороны, плохой каскад может значительно увеличить излучение обоих механизмов. При рассмотрении штабелирования пластин важны четыре фактора:

1. Количество слоев;

2. Количество и тип используемых слоев (питание и / или заземление);

3. Порядок или последовательность слоев;

4. Интервал между слоями.

Обычно учитывается только количество слоев. Во многих случаях остальные три фактора одинаково важны, а четвертый иногда даже не известен разработчику печатной платы. При определении количества слоев учитывайте следующее:

1. Количество сигналов и стоимость проводки;

2. Частота;

3. Должен ли продукт соответствовать требованиям к запуску класса A или класса B?

4. Печатная плата находится в экранированном или неэкранированном корпусе;

5. Инженерная экспертиза EMC команды разработчиков.

Обычно рассматривается только первый член. Действительно, все предметы жизненно важны и должны рассматриваться одинаково. Этот последний пункт особенно важен, и его не следует упускать из виду, если нужно достичь оптимального дизайна с минимальными затратами времени и средств.

Многослойная пластина с заземлением и / или силовой пластиной обеспечивает значительное снижение эмиссии излучения по сравнению с двухслойной пластиной. Общее практическое правило состоит в том, что четырехслойная пластина производит на 15 дБ меньше излучения, чем двухслойная, при прочих равных условиях. Доска с плоской поверхностью намного лучше доски без плоской поверхности по следующим причинам:

1. Они позволяют направлять сигналы в виде микрополосковых линий (или ленточных линий). Эти структуры представляют собой линии передачи с контролируемым импедансом с гораздо меньшим излучением, чем случайная разводка, используемая на двухслойных платах;

2. Плоскость заземления значительно снижает сопротивление земли (и, следовательно, шум земли).

Хотя две пластины успешно использовались в неэкранированных корпусах на 20-25 МГц, эти случаи являются скорее исключением, чем правилом. При частоте выше 10-15 МГц обычно следует рассматривать многослойные панели.

Используя многослойную доску, вы должны попытаться достичь пяти целей. К ним относятся:

1. Сигнальный слой всегда должен примыкать к плоскости;

2. Сигнальный слой должен быть плотно связан (близко к) с прилегающей к нему плоскостью;

3, плоскость питания и земля должны быть тесно совмещены;

4, высокоскоростной сигнал должен быть скрыт на линии между двумя плоскостями, самолет может играть роль экранирования и может подавлять излучение высокоскоростной печатной линии;

5. Множественные плоскости заземления имеют много преимуществ, поскольку они уменьшают импеданс заземления (эталонной плоскости) платы и уменьшают синфазное излучение.

В общем, мы сталкиваемся с выбором между бесконтактной связью сигнал / плоскость (цель 2) и бесконтактной связью питания / земли (цель 3). При использовании традиционных методов построения печатных плат емкость плоской пластины между соседним источником питания и заземляющим слоем недостаточна для обеспечения достаточной развязки на частотах ниже 500 МГц.

Следовательно, развязку необходимо решать другими способами, и обычно следует выбирать сильную связь между сигналом и плоскостью возврата тока. Преимущества сильной связи между сигнальным слоем и плоскостью возврата тока перевешивают недостатки, вызванные небольшой потерей емкости между плоскостями.

Восемь слоев – это минимальное количество слоев, которое можно использовать для достижения всех пяти из этих целей. Некоторые из этих целей придется скомпрометировать на четырех- и шестислойных досках. В этих условиях вы должны определить, какие цели наиболее важны для рассматриваемого дизайна.

Вышеупомянутый абзац не следует интерпретировать как означающий, что вы не можете сделать хороший дизайн EMC на четырех- или шестиуровневой плате, как вы можете. Это просто показывает, что не все цели могут быть достигнуты сразу и что нужен какой-то компромисс.

Поскольку все желаемые цели EMC могут быть достигнуты с помощью восьми уровней, нет причин использовать более восьми уровней, кроме как для размещения дополнительных уровней маршрутизации сигналов.

С механической точки зрения еще одна идеальная цель – сделать поперечное сечение печатной платы симметричным (или сбалансированным), чтобы предотвратить деформацию.

Например, на восьмислойной доске, если второй слой является плоскостью, то седьмой слой также должен быть плоскостью.

Поэтому во всех представленных здесь конфигурациях используются симметричные или сбалансированные конструкции. Если допускаются асимметричные или несбалансированные конструкции, можно построить другие каскадные конфигурации.

Четырехслойная доска

Наиболее распространенная четырехслойная пластина показана на рисунке 1 (пластина питания и пластина заземления взаимозаменяемы). Он состоит из четырех равномерно расположенных слоев с внутренней плоскостью питания и заземляющей пластиной. Эти два внешних слоя разводки обычно имеют ортогональные направления разводки.

Хотя эта конструкция намного лучше, чем двойные панели, у нее есть некоторые менее желательные особенности.

Для списка целей в Части 1 этот стек удовлетворяет только цели (1). Если слои расположены на одинаковом расстоянии, между сигнальным слоем и текущей плоскостью возврата будет большой зазор. Также существует большой зазор между пластиной питания и пластиной заземления.

В случае четырехслойной доски мы не можем исправить оба дефекта одновременно, поэтому мы должны решить, что для нас наиболее важно.

Как упоминалось ранее, межслойная емкость между соседним источником питания и заземляющим слоем недостаточна для обеспечения адекватной развязки с использованием обычных технологий изготовления печатных плат.

Развязка должна выполняться другими способами, и мы должны выбрать сильную связь между сигналом и плоскостью возврата тока. Преимущества сильной связи между сигнальным слоем и плоскостью возврата тока перевешивают недостатки небольшой потери межслойной емкости.

Следовательно, самый простой способ улучшить характеристики ЭМС четырехслойной пластины – это максимально приблизить сигнальный слой к плоскости. 10 мил) и использует большой диэлектрический сердечник между источником питания и заземлением (> 40 мил), как показано на рисунке 2.

У этого есть три преимущества и несколько недостатков. Площадь сигнального контура меньше, поэтому генерируется меньше излучения в дифференциальной моде. В случае интервала 5 мил между слоем разводки и плоским слоем снижение излучения контура на 10 дБ или более может быть достигнуто по сравнению с равномерно разнесенной многослойной структурой.

Во-вторых, плотное соединение сигнальной проводки с землей снижает планарный импеданс (индуктивность), тем самым уменьшая синфазное излучение кабеля, подключенного к плате.

В-третьих, плотное соединение проводки с плоскостью уменьшит перекрестные помехи между проводкой. Для фиксированного расстояния между кабелями перекрестные помехи пропорциональны квадрату высоты кабеля. Это один из самых простых, дешевых и часто игнорируемых способов уменьшить излучение от четырехслойной печатной платы.

Благодаря такой каскадной структуре мы удовлетворяем обеим целям (1) и (2).

Какие еще есть возможности для четырехслойной ламинированной структуры? Что ж, мы можем использовать немного нетрадиционной структуры, а именно переключить сигнальный слой и плоский слой на рисунке 2, чтобы создать каскад, показанный на рисунке 3A.

Основное преимущество этого ламинирования заключается в том, что внешняя плоскость обеспечивает экранирование прохождения сигнала на внутреннем слое. Недостатком является то, что заземляющая поверхность может быть сильно разрезана контактными площадками с высокой плотностью компонентов на печатной плате. Это можно в некоторой степени облегчить, перевернув плоскость, поместив пластину питания на сторону элемента и поместив пластину заземления на другую сторону платы.

Во-вторых, некоторым людям не нравится открытая силовая панель, а в-третьих, скрытые сигнальные слои затрудняют переделку платы. Каскад удовлетворяет цели (1), (2) и частично удовлетворяет цели (4).

Две из этих трех проблем могут быть смягчены каскадом, как показано на рисунке 3B, где две внешние плоскости являются плоскостями заземления, а источник питания проложен на сигнальной плоскости как проводка.Источник питания должен быть разводится в растровом формате с использованием широких дорожек в сигнальном слое.

Два дополнительных преимущества этого каскада:

(1) Две плоскости заземления обеспечивают гораздо более низкое сопротивление заземления, тем самым уменьшая синфазное излучение кабеля;

(2) Две заземляющие плоскости могут быть сшиты вместе на периферии пластины, чтобы запечатать все сигнальные дорожки в клетке Фарадея.

С точки зрения электромагнитной совместимости, это наслоение, если все сделано правильно, может быть лучшим наслоением четырехслойной печатной платы. Теперь мы достигли целей (1), (2), (4) и (5) с помощью всего одной четырехслойной доски.

На рисунке 4 показана четвертая возможность, не обычная, но хорошо работающая. Это похоже на рисунок 2, но вместо плоскости питания используется заземляющий слой, а источник питания действует как дорожка на сигнальном слое для проводки.

Этот каскад решает вышеупомянутую проблему переделки, а также обеспечивает низкий импеданс заземления благодаря двум плоскостям заземления. Однако эти самолеты не обеспечивают никакой защиты. Эта конфигурация удовлетворяет целям (1), (2) и (5), но не удовлетворяет целям (3) или (4).

Итак, как вы можете видеть, существует больше вариантов для четырехуровневого разделения, чем вы могли подумать изначально, и с помощью четырехслойной печатной платы можно достичь четырех из пяти целей. С точки зрения электромагнитной совместимости все слои, показанные на рисунках 2, 3b и 4, работают хорошо.

Плата уровня 6

Большинство шестислойных плат состоят из четырех слоев сигнальной разводки и двух слоев плоскости, а шестислойные платы обычно превосходят четырехслойные платы с точки зрения электромагнитной совместимости.

На рисунке 5 показана каскадная структура, которую нельзя использовать на шестислойной плате.

Эти плоскости не обеспечивают экранирование сигнального слоя, а два сигнальных слоя (1 и 6) не примыкают к одной плоскости. Такое расположение работает только в том случае, если все высокочастотные сигналы направляются на слои 2 и 5, и только очень низкочастотные сигналы или, что еще лучше, никакие сигнальные провода (только контактные площадки) не прокладываются на слоях 1 и 6.

Если они используются, любые неиспользуемые области на этажах 1 и 6 должны быть вымощены, а переходные отверстия прикреплены к основному этажу в максимально возможном количестве мест.

Эта конфигурация удовлетворяет только одной из наших первоначальных целей (цель 3).

При наличии шести уровней принцип обеспечения двух скрытых слоев для высокоскоростных сигналов (как показано на рисунке 3) легко реализуется, как показано на рисунке 6. Эта конфигурация также обеспечивает два поверхностных слоя для низкоскоростных сигналов.

Это, вероятно, наиболее распространенная шестислойная структура, которая может быть очень эффективной в борьбе с электромагнитным излучением, если все сделано правильно. Эта конфигурация удовлетворяет цели 1,2,4, но не цели 3,5. Его главный недостаток – разделение плоскости питания и заземления.

Из-за такого разделения между плоскостью питания и заземлением не так много межплоскостной емкости, поэтому необходимо тщательно спроектировать развязку, чтобы справиться с этой ситуацией. Для получения дополнительной информации о развязке см. Наши советы по технике развязки.

Практически идентичная шестислойная многослойная структура с хорошими характеристиками показана на рисунке 7.

H1 представляет уровень горизонтальной маршрутизации сигнала 1, V1 представляет уровень вертикальной маршрутизации сигнала 1, H2 и V2 представляют то же значение для сигнала 2, и преимущество этой структуры состоит в том, что сигналы ортогональной маршрутизации всегда относятся к одной и той же плоскости.

Чтобы понять, почему это важно, см. Раздел, посвященный плоскостям сигнал-опорный сигнал, в Части 6. Недостатком является то, что сигналы уровней 1 и 6 не экранируются.

Следовательно, сигнальный слой должен располагаться очень близко к прилегающей к нему плоскости, и для получения необходимой толщины пластины следует использовать более толстый средний сердцевинный слой. Типичное расстояние между пластинами толщиной 0.060 дюйма, вероятно, будет составлять 0.005 “/ 0.005” / 0.040 “/ 0.005” / 0.005 “/ 0.005”. Эта структура соответствует целям 1 и 2, но не соответствует целям 3, 4 или 5.

Еще одна шестислойная пластина с отличными характеристиками показана на рисунке 8. Он обеспечивает два скрытых сигнальных слоя и смежные плоскости питания и заземления для достижения всех пяти целей. Однако самым большим недостатком является то, что у него всего два слоя разводки, поэтому он не используется очень часто.

Шестислойной пластине легче добиться хорошей электромагнитной совместимости, чем четырехслойной пластине. У нас также есть преимущество четырех уровней маршрутизации сигналов вместо того, чтобы ограничиваться двумя.

Как и в случае с четырехслойной печатной платой, шестислойная печатная плата достигла четырех из пяти целей. Все пять целей могут быть достигнуты, если ограничиться двумя уровнями маршрутизации сигналов. Структуры на рисунках 6, 7 и 8 хорошо работают с точки зрения электромагнитной совместимости.