Existuje mnoho spôsobov, ako vyriešiť problémy s EMI. Moderné metódy potlačenia EMI zahŕňajú: použitie povlakov na potlačenie EMI, výber vhodných častí na potlačenie EMI a návrh simulácie EMI. Počnúc tým najzákladnejším PCB rozloženie, tento článok pojednáva o úlohe a technikách návrhu vrstveného stohovania PCB pri riadení EMI žiarenia.

Rozumné umiestnenie kondenzátorov vhodnej kapacity v blízkosti napájacích kolíkov integrovaného obvodu môže urýchliť skok výstupného napätia integrovaného obvodu. Tu sa však problém nekončí. Kvôli obmedzenej frekvenčnej odozve kondenzátorov to spôsobuje, že kondenzátory nie sú schopné generovať harmonický výkon potrebný na čisté riadenie výstupu integrovaného obvodu v plnom frekvenčnom pásme. Okrem toho prechodné napätie vytvorené na napájacej zbernici vytvorí pokles napätia na induktore oddeľovacej cesty. Tieto prechodné napätia sú hlavnými zdrojmi elektromagnetického rušenia so spoločným režimom. Ako by sme mali tieto problémy riešiť?

Pokiaľ ide o integrovaný obvod na našej doske s plošnými spojmi, výkonovú vrstvu okolo integrovaného obvodu možno považovať za vynikajúci vysokofrekvenčný kondenzátor, ktorý dokáže zhromaždiť časť energie uniknutej diskrétnym kondenzátorom, ktorý poskytuje vysokofrekvenčnú energiu pre čistý výkon. Okrem toho by mala byť indukčnosť dobrej výkonovej vrstvy malá, takže prechodový signál syntetizovaný indukčnosťou je tiež malý, čím sa znižuje EMI v spoločnom režime.

Samozrejme, spojenie medzi napájacou vrstvou a napájacím kolíkom IC musí byť čo najkratšie, pretože nábežná hrana digitálneho signálu je stále rýchlejšia a najlepšie je pripojiť ju priamo k podložke, kde je napájanie IC kolík sa nachádza. Toto je potrebné prediskutovať samostatne.

Aby bolo možné riadiť EMI v bežnom režime, musí výkonová rovina pomáhať pri oddelení a mať dostatočne nízku indukčnosť. Táto výkonová rovina musí byť dobre navrhnutá dvojica energetických plôch. Niekto sa môže opýtať, aké dobré je dobré? Odpoveď na otázku závisí od vrstvenia napájacieho zdroja, materiálov medzi vrstvami a prevádzkovej frekvencie (to znamená funkcie doby nábehu IC). Vo všeobecnosti je rozstup výkonovej vrstvy 6 mil a medzivrstva je z materiálu FR4, ekvivalentná kapacita výkonovej vrstvy na štvorcový palec je približne 75 pF. Je zrejmé, že čím menší je rozstup vrstiev, tým väčšia je kapacita.

Nie je veľa zariadení s dobou nábehu 100 až 300 ps, ​​ale podľa aktuálnej rýchlosti vývoja IC budú vysoký podiel zaberať zariadenia s dobou nábehu v rozsahu 100 až 300 ps. Pre obvody s dobou nábehu 100 až 300 ps už 3mil rozostup vrstiev nebude vhodný pre väčšinu aplikácií. V tom čase bolo potrebné použiť technológiu vrstvenia s rozstupom vrstiev menším ako 1 mil a nahradiť dielektrické materiály FR4 materiálmi s vysokými dielektrickými konštantami. Teraz môžu keramika a keramické plasty spĺňať konštrukčné požiadavky obvodov s dobou nábehu 100 až 300 ps.

Aj keď sa v budúcnosti môžu použiť nové materiály a nové metódy, pre dnešné bežné obvody s dobou nábehu 1 až 3 ns, vzdialenosť medzi vrstvami 3 až 6 mil a dielektrické materiály FR4, zvyčajne postačuje na zvládnutie vyšších harmonických a dostatočne nízky prechodový signál. , to znamená, že EMI v bežnom režime môže byť znížené veľmi nízko. Príklady návrhu vrstveného stohovania PCB uvedené v tomto článku budú predpokladať rozstup vrstiev 3 až 6 mil.

Elektromagnetické tienenie

Z pohľadu signálových stôp by dobrou stratégiou vrstvenia malo byť umiestnenie všetkých signálových stôp na jednu alebo viac vrstiev, tieto vrstvy sú vedľa výkonovej vrstvy alebo základnej vrstvy. Pre napájanie by mala byť dobrá stratégia vrstvenia taká, že výkonová vrstva susedí so zemnou vrstvou a vzdialenosť medzi napájacou vrstvou a zemnou vrstvou je čo najmenšia. Toto nazývame stratégia „vrstvenia“.

Stohovanie DPS

Aký druh stohovacej stratégie môže pomôcť ochrániť a potlačiť EMI? Nasledujúca schéma vrstvenia predpokladá, že prúd napájacieho zdroja tečie jednou vrstvou a jedno napätie alebo viaceré napätia sú distribuované v rôznych častiach tej istej vrstvy. Prípad viacerých výkonových vrstiev bude diskutovaný neskôr.

Doska 4

Existuje niekoľko potenciálnych problémov s dizajnom 4-vrstvovej dosky. Po prvé, tradičná štvorvrstvová doska s hrúbkou 62 mil, aj keď je signálna vrstva na vonkajšej vrstve a napájacia a zemná vrstva sú na vnútornej vrstve, vzdialenosť medzi napájacou vrstvou a zemnou vrstvou je stále príliš veľký.

Ak je požiadavka na náklady prvá, môžete zvážiť nasledujúce dve alternatívy k tradičnej 4-vrstvovej doske. Tieto dve riešenia môžu zlepšiť výkon potlačenia EMI, ale sú vhodné len pre aplikácie, kde je hustota súčiastok na doske dostatočne nízka a okolo súčiastok je dostatočná plocha (umiestnite požadovanú napájaciu medenú vrstvu).

Prvá možnosť je prvou voľbou. Vonkajšie vrstvy PCB sú všetky zemné vrstvy a prostredné dve vrstvy sú signálne/výkonové vrstvy. Napájanie na signálovej vrstve je vedené širokým vedením, čo môže znížiť impedanciu cesty napájacieho prúdu a tiež nízku impedanciu mikropáskovej cesty signálu. Z pohľadu EMI kontroly ide o najlepšiu dostupnú 4-vrstvovú štruktúru PCB. V druhej schéme vonkajšia vrstva využíva napájanie a uzemnenie a stredné dve vrstvy používajú signály. V porovnaní s tradičnou 4-vrstvovou doskou je zlepšenie menšie a medzivrstvová impedancia je rovnako nízka ako pri tradičnej 4-vrstvovej doske.

Ak chcete riadiť impedanciu stopy, vyššie uvedená schéma stohovania musí byť veľmi opatrná, aby ste usporiadali stopy pod napájacími a uzemňovacími medenými ostrovmi. Okrem toho by medené ostrovčeky na napájacej alebo uzemňovacej vrstve mali byť čo najviac prepojené, aby sa zabezpečila jednosmerná a nízkofrekvenčná konektivita.

Doska 6

Ak je hustota komponentov na 4-vrstvovej doske relatívne vysoká, najlepšia je 6-vrstvová doska. Niektoré schémy stohovania v dizajne 6-vrstvovej dosky však nie sú dostatočne dobré na tienenie elektromagnetického poľa a majú malý vplyv na zníženie prechodového signálu napájacej zbernice. Dva príklady sú uvedené nižšie.

V prvom prípade je napájací zdroj a zem umiestnené na 2. a 5. vrstve. Kvôli vysokej impedancii medeného povlaku napájacieho zdroja je veľmi nepriaznivé riadiť elektromagnetické žiarenie v bežnom režime. Z hľadiska riadenia impedancie signálu je však tento spôsob veľmi správny.