มีหลายวิธีในการแก้ปัญหา EMI วิธีการปราบปราม EMI สมัยใหม่ ได้แก่ การใช้สารเคลือบป้องกัน EMI การเลือกชิ้นส่วนปราบปราม EMI ที่เหมาะสม และการออกแบบการจำลอง EMI เริ่มจากพื้นฐานที่สุด PCB บทความนี้กล่าวถึงบทบาทและเทคนิคการออกแบบของการซ้อนเลเยอร์ PCB ในการควบคุมรังสี EMI

การวางตัวเก็บประจุที่มีความจุที่เหมาะสมใกล้กับหมุดจ่ายไฟของ IC อย่างเหมาะสมสามารถทำให้แรงดันไฟขาออกของ IC กระโดดเร็วขึ้น อย่างไรก็ตาม ปัญหาไม่ได้จบที่นี่ เนื่องจากการตอบสนองความถี่ที่จำกัดของตัวเก็บประจุ ทำให้ตัวเก็บประจุไม่สามารถสร้างพลังงานฮาร์มอนิกที่จำเป็นในการขับเคลื่อนเอาต์พุต IC ได้อย่างหมดจดในย่านความถี่เต็ม นอกจากนี้ แรงดันไฟฟ้าชั่วคราวที่เกิดขึ้นบนแถบบัสกำลังจะสร้างแรงดันตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำของเส้นทางดีคัปปลิ้ง แรงดันไฟฟ้าชั่วคราวเหล่านี้เป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน EMI ในโหมดทั่วไปหลัก เราควรแก้ปัญหาเหล่านี้อย่างไร?

เท่าที่เกี่ยวข้องกับ IC บนแผงวงจรของเรา ชั้นพลังงานรอบ ๆ IC ถือได้ว่าเป็นตัวเก็บประจุความถี่สูงที่ยอดเยี่ยม ซึ่งสามารถรวบรวมส่วนหนึ่งของพลังงานที่รั่วไหลออกจากตัวเก็บประจุแบบแยกซึ่งให้พลังงานความถี่สูงเพื่อความสะอาด เอาท์พุท นอกจากนี้ การเหนี่ยวนำของชั้นพลังงานที่ดีควรมีขนาดเล็ก ดังนั้นสัญญาณชั่วคราวที่สังเคราะห์โดยตัวเหนี่ยวนำก็มีขนาดเล็กเช่นกัน ซึ่งจะช่วยลด EMI ของโหมดทั่วไป

แน่นอน การเชื่อมต่อระหว่างชั้นพลังงานและพินไฟของ IC จะต้องสั้นที่สุด เนื่องจากขอบที่เพิ่มขึ้นของสัญญาณดิจิตอลเริ่มเร็วขึ้นและเร็วขึ้น และเป็นการดีที่สุดที่จะเชื่อมต่อโดยตรงกับแผ่นที่ไฟ IC พินตั้งอยู่ เรื่องนี้ต้องหารือแยกกัน

ในการควบคุม EMI ในโหมดทั่วไป ระนาบกำลังจะต้องช่วยในการแยกส่วนและมีค่าความเหนี่ยวนำต่ำเพียงพอ ระนาบกำลังนี้ต้องเป็นระนาบกำลังที่ออกแบบมาอย่างดี อาจมีคนถามว่าดียังไง? คำตอบของคำถามขึ้นอยู่กับการแบ่งชั้นของแหล่งจ่ายไฟ วัสดุระหว่างชั้น และความถี่ในการทำงาน (นั่นคือ ฟังก์ชันของเวลาที่เพิ่มขึ้นของ IC) โดยทั่วไป ระยะห่างของชั้นพลังงานคือ 6mil และ interlayer เป็นวัสดุ FR4 ความจุเทียบเท่าของชั้นพลังงานต่อตารางนิ้วคือประมาณ 75pF เห็นได้ชัดว่ายิ่งระยะห่างของชั้นเล็กลงเท่าใดความจุก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

มีอุปกรณ์ไม่มากนักที่มีเวลาเพิ่มขึ้น 100 ถึง 300 ps แต่ตามความเร็วการพัฒนา IC ปัจจุบัน อุปกรณ์ที่มีเวลาเพิ่มขึ้นในช่วง 100 ถึง 300 ps จะมีสัดส่วนสูง สำหรับวงจรที่มีเวลาเพิ่มขึ้น 100 ถึง 300ps ระยะห่างของชั้น 3mil จะไม่เหมาะสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่อีกต่อไป ในขณะนั้น มีความจำเป็นต้องใช้เทคโนโลยีการแบ่งชั้นที่มีระยะห่างชั้นน้อยกว่า 1 ล้าน และแทนที่วัสดุไดอิเล็กตริก FR4 ด้วยวัสดุที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูง ตอนนี้ เซรามิกส์และพลาสติกเซรามิกสามารถตอบสนองความต้องการด้านการออกแบบวงจรเวลาที่เพิ่มขึ้น 100 ถึง 300 ps

แม้ว่าวัสดุใหม่และวิธีการใหม่อาจจะถูกนำมาใช้ในอนาคต สำหรับวงจรเวลาเพิ่มขึ้น 1 ถึง 3ns ทั่วไปในปัจจุบัน การเว้นระยะห่างของชั้น 3 ถึง 6mil และวัสดุไดอิเล็กทริก FR4 มักจะเพียงพอที่จะจัดการกับฮาร์โมนิกระดับไฮเอนด์และทำให้สัญญาณชั่วคราวต่ำพอ กล่าวคือ EMI โหมดทั่วไปสามารถลดลงได้ต่ำมาก ตัวอย่างการออกแบบการวางซ้อนเลเยอร์ PCB ที่ให้ไว้ในบทความนี้จะถือว่ามีระยะห่างระหว่างชั้น 3 ถึง 6 mils

การป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้า

จากมุมมองของการติดตามสัญญาณ กลยุทธ์การจัดเลเยอร์ที่ดีควรวางร่องรอยสัญญาณทั้งหมดบนเลเยอร์อย่างน้อยหนึ่งเลเยอร์ เลเยอร์เหล่านี้อยู่ถัดจากชั้นพลังงานหรือชั้นกราวด์ สำหรับแหล่งจ่ายไฟ กลยุทธ์การแบ่งชั้นที่ดีควรเป็นชั้นพลังงานที่อยู่ติดกับชั้นพื้นดิน และระยะห่างระหว่างชั้นพลังงานและชั้นพื้นดินมีขนาดเล็กที่สุด นี่คือสิ่งที่เราเรียกว่ากลยุทธ์ “การแบ่งชั้น”

PCB ซ้อน

กลยุทธ์การซ้อนแบบใดที่สามารถช่วยป้องกันและปราบปราม EMI ได้ โครงร่างการเรียงซ้อนชั้นต่อไปนี้ถือว่ากระแสของแหล่งจ่ายไฟไหลในชั้นเดียว และแรงดันไฟฟ้าเดียวหรือหลายแรงดันไฟฟ้าถูกกระจายในส่วนต่างๆ ของชั้นเดียวกัน กรณีของ power layer หลายชั้นจะกล่าวถึงในภายหลัง

กระดาน 4 ชั้น

มีปัญหาที่อาจเกิดขึ้นหลายประการกับการออกแบบบอร์ด 4 ชั้น ประการแรก กระดานสี่ชั้นแบบดั้งเดิมที่มีความหนา 62 mils แม้ว่าชั้นสัญญาณจะอยู่ที่ชั้นนอก และชั้นพลังงานและชั้นพื้นดินจะอยู่ที่ชั้นใน ระยะห่างระหว่างชั้นพลังงานกับชั้นพื้นดิน ยังใหญ่เกินไป

หากข้อกำหนดด้านต้นทุนเป็นข้อแรก คุณสามารถพิจารณาทางเลือกสองทางต่อไปนี้แทนบอร์ด 4 ชั้นแบบเดิม โซลูชันทั้งสองนี้สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของการปราบปราม EMI ได้ แต่เหมาะสำหรับการใช้งานที่ความหนาแน่นของส่วนประกอบบนบอร์ดต่ำเพียงพอและมีพื้นที่รอบๆ ส่วนประกอบเพียงพอ (วางชั้นทองแดงกำลังที่ต้องการ)

ตัวเลือกแรกคือตัวเลือกแรก ชั้นนอกของ PCB เป็นชั้นกราวด์ทั้งหมด และชั้นกลางสองชั้นเป็นชั้นสัญญาณ/กำลัง แหล่งจ่ายไฟบนชั้นสัญญาณถูกกำหนดเส้นทางด้วยเส้นกว้าง ซึ่งสามารถทำให้อิมพีแดนซ์เส้นทางของกระแสไฟต่ำ และอิมพีแดนซ์ของเส้นทางไมโครสตริปสัญญาณก็ต่ำเช่นกัน จากมุมมองของการควบคุม EMI นี่คือโครงสร้าง PCB 4 ชั้นที่ดีที่สุด ในรูปแบบที่สอง ชั้นนอกจะใช้กำลังและกราวด์ และชั้นกลางสองชั้นใช้สัญญาณ เมื่อเทียบกับบอร์ด 4 ชั้นแบบดั้งเดิม การปรับปรุงจะมีขนาดเล็กกว่า และอิมพีแดนซ์ระหว่างเลเยอร์นั้นแย่เท่ากับบอร์ด 4 ชั้นแบบดั้งเดิม

หากคุณต้องการควบคุมอิมพีแดนซ์การติดตาม รูปแบบการเรียงซ้อนด้านบนต้องระวังให้มากในการจัดเรียงรอยตามใต้กำลังไฟฟ้าและเกาะทองแดงกราวด์ นอกจากนี้ เกาะทองแดงบนแหล่งจ่ายไฟหรือชั้นกราวด์ควรเชื่อมต่อถึงกันให้มากที่สุดเพื่อให้แน่ใจว่ามีการเชื่อมต่อ DC และความถี่ต่ำ

กระดาน 6 ชั้น

หากความหนาแน่นของส่วนประกอบบนบอร์ด 4 ชั้นค่อนข้างสูง บอร์ด 6 ชั้นจะดีที่สุด อย่างไรก็ตาม รูปแบบการซ้อนบางอย่างในการออกแบบบอร์ด 6 ชั้นนั้นไม่ดีพอที่จะป้องกันสนามแม่เหล็กไฟฟ้า และมีผลเพียงเล็กน้อยต่อการลดสัญญาณชั่วคราวของพาวเวอร์บัส สองตัวอย่างจะกล่าวถึงด้านล่าง

ในกรณีแรก แหล่งจ่ายไฟและกราวด์จะวางอยู่บนชั้นที่ 2 และ 5 ตามลำดับ เนื่องจากอิมพีแดนซ์สูงของการเคลือบทองแดงของพาวเวอร์ซัพพลาย การควบคุมการแผ่รังสี EMI ในโหมดทั่วไปจึงไม่เอื้ออำนวย อย่างไรก็ตาม จากมุมมองของการควบคุมอิมพีแดนซ์ของสัญญาณ วิธีนี้ถูกต้องมาก