Tổng quan về kiến ​​thức dòng PCB xếp tầng EMC

PCB xếp chồng là một yếu tố quan trọng để xác định hiệu suất EMC của sản phẩm. Việc phân lớp tốt có thể rất hiệu quả trong việc giảm bức xạ từ vòng lặp PCB (phát xạ chế độ vi sai), cũng như từ cáp kết nối với bo mạch (phát xạ chế độ chung).

ipcb

Mặt khác, một dòng thác xấu có thể làm tăng đáng kể bức xạ của cả hai cơ chế. Bốn yếu tố quan trọng để xem xét việc xếp tấm:

1. Số lớp;

2. Số lượng và loại lớp được sử dụng (nguồn và / hoặc đất);

3. Thứ tự hoặc trình tự của các lớp;

4. Khoảng cách giữa các lớp.

Thông thường chỉ số lớp được xem xét. Trong nhiều trường hợp, ba yếu tố còn lại đều quan trọng như nhau, và yếu tố thứ tư đôi khi thậm chí không được nhà thiết kế PCB biết đến. Khi xác định số lớp, hãy xem xét những điều sau:

1. Số lượng tín hiệu và chi phí đi dây;

2. Tần số;

3. Sản phẩm có phải đáp ứng các yêu cầu ra mắt của Loại A hoặc Loại B không?

4. PCB ở trong nhà được che chắn hoặc không được che chắn;

5. Chuyên môn kỹ thuật EMC của nhóm thiết kế.

Thông thường chỉ có thuật ngữ đầu tiên được xem xét. Thật vậy, tất cả các mặt hàng đều quan trọng và cần được xem xét như nhau. Mục cuối cùng này đặc biệt quan trọng và không nên bỏ qua nếu muốn đạt được thiết kế tối ưu với ít thời gian và chi phí nhất.

Tấm nhiều lớp sử dụng mặt đất và / hoặc mặt phẳng nguồn giúp giảm đáng kể phát xạ bức xạ so với tấm hai lớp. Một nguyên tắc chung được sử dụng là tấm bốn lớp tạo ra bức xạ ít hơn 15dB so với tấm hai lớp, tất cả các yếu tố khác đều bằng nhau. Bảng có bề mặt phẳng tốt hơn nhiều so với bảng không có bề mặt phẳng vì những lý do sau:

1. Chúng cho phép các tín hiệu được định tuyến dưới dạng các đường microstrip (hoặc các đường ruy-băng). Các cấu trúc này là các đường truyền trở kháng được kiểm soát với bức xạ ít hơn nhiều so với hệ thống dây ngẫu nhiên được sử dụng trên bảng hai lớp;

2. Mặt đất làm giảm đáng kể trở kháng mặt đất (và do đó là tiếng ồn mặt đất).

Mặc dù hai tấm đã được sử dụng thành công trong các thùng không được che chắn của 20-25mhz, những trường hợp này là ngoại lệ chứ không phải là quy luật. Trên khoảng 10-15mhz, các tấm đa lớp thường nên được xem xét.

Có năm mục tiêu bạn nên cố gắng đạt được khi sử dụng bảng nhiều lớp. Đó là:

1. Lớp tín hiệu phải luôn tiếp giáp với mặt phẳng;

2. Lớp tín hiệu phải được ghép nối chặt chẽ (gần) với mặt phẳng lân cận của nó;

3, máy bay quyền lực và máy bay mặt đất nên được kết hợp chặt chẽ;

4, tín hiệu tốc độ cao nên được chôn trong dòng giữa hai máy bay, máy bay có thể đóng một vai trò che chắn, và có thể ngăn chặn bức xạ của dòng in tốc độ cao;

5. Nhiều mặt phẳng nối đất có nhiều ưu điểm vì chúng sẽ làm giảm trở kháng tiếp đất (mặt phẳng chuẩn) của bo mạch và giảm bức xạ chế độ chung.

Nói chung, chúng ta phải đối mặt với sự lựa chọn giữa ghép nối tín hiệu / mặt phẳng (Mục tiêu 2) và khớp nối gần mặt phẳng nguồn / mặt đất (mục tiêu 3). Với các kỹ thuật xây dựng PCB thông thường, điện dung tấm phẳng giữa nguồn điện liền kề và mặt đất không đủ để cung cấp đủ khả năng tách dưới 500 MHz.

Do đó, việc tách phải được giải quyết bằng các phương tiện khác, và nói chung chúng ta nên chọn một khớp nối chặt chẽ giữa tín hiệu và mặt phẳng quay trở lại hiện tại. Ưu điểm của việc ghép nối chặt chẽ giữa lớp tín hiệu và mặt phẳng hồi dòng sẽ lớn hơn những nhược điểm do mất điện dung giữa các mặt phẳng này một chút.

Tám lớp là số lớp tối thiểu có thể được sử dụng để đạt được tất cả năm mục tiêu này. Một số mục tiêu này sẽ phải được thỏa hiệp trên bảng bốn – và sáu lớp. Trong những điều kiện này, bạn phải xác định mục tiêu nào là quan trọng nhất đối với thiết kế trong tầm tay.

Đoạn văn trên không nên được hiểu là bạn không thể thiết kế EMC tốt trên bảng bốn – hoặc sáu tầng, như bạn có thể. Nó chỉ cho thấy rằng không phải tất cả các mục tiêu đều có thể đạt được cùng một lúc và cần phải có một số loại thỏa hiệp.

Vì tất cả các mục tiêu EMC mong muốn có thể đạt được với tám lớp, nên không có lý do gì để sử dụng nhiều hơn tám lớp ngoại trừ việc bố trí các lớp định tuyến tín hiệu bổ sung.

Từ quan điểm cơ học, một mục tiêu lý tưởng khác là làm cho mặt cắt của bảng mạch PCB đối xứng (hoặc cân bằng) để tránh cong vênh.

Ví dụ, trên một bảng tám lớp, nếu lớp thứ hai là một mặt phẳng, thì lớp thứ bảy cũng phải là một mặt phẳng.

Do đó, tất cả các cấu hình được trình bày ở đây đều sử dụng cấu trúc đối xứng hoặc cân bằng. Nếu cho phép các cấu trúc không đối xứng hoặc không cân bằng, có thể xây dựng các cấu hình xếp tầng khác.

Bảng bốn lớp

Cấu trúc tấm bốn lớp phổ biến nhất được thể hiện trong Hình 1 (mặt phẳng công suất và mặt phẳng nền có thể hoán đổi cho nhau). Nó bao gồm bốn lớp cách đều nhau với một mặt phẳng công suất bên trong và một mặt phẳng nền. Hai lớp dây bên ngoài này thường có hướng đi dây trực giao với nhau.

Mặc dù cấu trúc này tốt hơn nhiều so với các tấm kép, nhưng nó có một số tính năng ít được mong đợi hơn.

Đối với danh sách các mục tiêu trong Phần 1, ngăn xếp này chỉ thỏa mãn mục tiêu (1). Nếu các lớp cách đều nhau, sẽ có một khoảng cách lớn giữa lớp tín hiệu và mặt phẳng quay trở lại hiện tại. Giữa mặt phẳng công suất và mặt đất cũng có một khoảng cách lớn.

Đối với bảng bốn lớp, chúng ta không thể sửa cả hai khuyết điểm cùng một lúc, vì vậy chúng ta phải quyết định xem cái nào là quan trọng nhất đối với chúng ta.

Như đã đề cập trước đó, điện dung lớp xen kẽ giữa nguồn điện liền kề và mặt đất không đủ để cung cấp khả năng tách đầy đủ bằng các kỹ thuật sản xuất PCB thông thường.

Việc tách phải được xử lý bằng các phương tiện khác, và chúng ta nên chọn một khớp nối chặt chẽ giữa tín hiệu và mặt phẳng quay trở lại hiện tại. Ưu điểm của việc ghép nối chặt chẽ giữa lớp tín hiệu và mặt phẳng trở lại hiện tại sẽ lớn hơn những nhược điểm của việc giảm nhẹ điện dung giữa các lớp.

Do đó, cách đơn giản nhất để cải thiện hiệu suất EMC của tấm bốn lớp là đưa lớp tín hiệu càng gần mặt phẳng càng tốt. 10 phút), và sử dụng lõi điện môi lớn giữa nguồn điện và mặt đất (> 40 triệu), như trong Hình 2.

Điều này có ba ưu điểm và ít nhược điểm. Diện tích vòng lặp tín hiệu nhỏ hơn, do đó bức xạ chế độ vi sai được tạo ra ít hơn. Đối với trường hợp khoảng cách 5mil giữa lớp dây và lớp mặt phẳng, có thể đạt được mức giảm bức xạ vòng từ 10dB trở lên so với cấu trúc xếp chồng cách đều nhau.

Thứ hai, sự kết hợp chặt chẽ của dây tín hiệu với mặt đất làm giảm trở kháng phẳng (điện cảm), do đó làm giảm bức xạ chế độ chung của cáp kết nối với bo mạch.

Thứ ba, sự kết hợp chặt chẽ của hệ thống dây điện với mặt phẳng sẽ làm giảm nhiễu xuyên âm giữa các hệ thống dây điện. Đối với khoảng cách cáp cố định, nhiễu xuyên âm tỷ lệ với bình phương chiều cao cáp. Đây là một trong những cách dễ nhất, rẻ nhất và bị bỏ qua nhiều nhất để giảm bức xạ từ PCB bốn lớp.

Theo cấu trúc tầng này, chúng tôi đáp ứng cả hai mục tiêu (1) và (2).

Có những khả năng nào khác cho cấu trúc nhiều lớp bốn lớp? Chà, chúng ta có thể sử dụng một chút cấu trúc độc đáo, cụ thể là chuyển đổi lớp tín hiệu và lớp mặt phẳng trong Hình 2 để tạo ra tầng như trong Hình 3A.

Ưu điểm chính của lớp phủ này là mặt phẳng bên ngoài cung cấp sự che chắn cho việc định tuyến tín hiệu ở lớp bên trong. Điểm bất lợi là mặt phẳng nền có thể bị cắt nhiều bởi các miếng đệm thành phần mật độ cao trên PCB. Điều này có thể được giảm bớt ở một mức độ nào đó bằng cách đảo ngược mặt phẳng, đặt mặt phẳng công suất ở phía bên của phần tử và đặt mặt phẳng đất ở phía bên kia của bảng.

Thứ hai, một số người không thích có một mặt phẳng nguồn điện bị lộ và thứ ba, các lớp tín hiệu bị chôn vùi gây khó khăn cho việc làm lại bảng. Dòng thác thỏa mãn mục tiêu (1), (2) và một phần thỏa mãn mục tiêu (4).

Hai trong ba vấn đề này có thể được giảm thiểu bằng một tầng như trong Hình 3B, trong đó hai mặt phẳng bên ngoài là mặt phẳng mặt đất và nguồn điện được định tuyến trên mặt phẳng tín hiệu dưới dạng hệ thống dây điện.Nguồn điện phải được định tuyến bằng cách sử dụng các vết rộng trong lớp tín hiệu.

Hai lợi thế bổ sung của dòng thác này là:

(1) Hai mặt đất cung cấp trở kháng mặt đất thấp hơn nhiều, do đó giảm bức xạ cáp chế độ chung;

(2) Hai mặt phẳng có thể được khâu lại với nhau ở ngoại vi của tấm để đóng dấu tất cả các dấu vết tín hiệu trong lồng Faraday.

Theo quan điểm của EMC, việc phân lớp này, nếu được thực hiện tốt, có thể là cách phân lớp tốt nhất của một PCB bốn lớp. Bây giờ chúng tôi đã đạt được các mục tiêu (1), (2), (4) và (5) chỉ với một bảng bốn lớp.

Hình 4 cho thấy khả năng thứ tư, không phải khả năng thông thường mà là khả năng có thể hoạt động tốt. Điều này tương tự như Hình 2, nhưng mặt phẳng đất được sử dụng thay vì mặt phẳng nguồn, và nguồn điện đóng vai trò như một dấu vết trên lớp tín hiệu để nối dây.

Dòng thác này khắc phục được vấn đề làm lại nói trên và cũng cung cấp trở kháng mặt đất thấp do hai mặt phẳng tiếp đất. Tuy nhiên, những chiếc máy bay này không cung cấp bất kỳ sự che chắn nào. Cấu hình này đáp ứng các mục tiêu (1), (2) và (5), nhưng không thỏa mãn các mục tiêu (3) hoặc (4).

Vì vậy, như bạn có thể thấy, có nhiều tùy chọn cho phân lớp bốn lớp hơn bạn có thể nghĩ ban đầu và có thể đáp ứng bốn trong năm mục tiêu của chúng tôi với PCBS bốn lớp. Theo quan điểm của EMC, việc phân lớp của các Hình 2, 3b và 4 đều hoạt động tốt.

Bảng 6 lớp

Hầu hết các bảng sáu lớp bao gồm bốn lớp dây tín hiệu và hai lớp mặt phẳng, và bảng sáu lớp thường vượt trội hơn so với bảng bốn lớp từ góc độ EMC.

Hình 5 cho thấy cấu trúc xếp tầng không thể sử dụng trên bảng sáu lớp.

Các mặt phẳng này không cung cấp sự che chắn cho lớp tín hiệu và hai trong số các lớp tín hiệu (1 và 6) không tiếp giáp với một mặt phẳng. Sự sắp xếp này chỉ hoạt động nếu tất cả các tín hiệu tần số cao được định tuyến ở lớp 2 và 5, và chỉ những tín hiệu tần số rất thấp, hoặc tốt hơn là không có dây tín hiệu nào (chỉ là miếng hàn) được định tuyến ở lớp 1 và 6.

Nếu được sử dụng, bất kỳ khu vực nào không sử dụng trên tầng 1 và tầng 6 nên được lát và gắn viAS vào tầng chính ở nhiều vị trí nhất có thể.

Cấu hình này chỉ đáp ứng một trong các mục tiêu ban đầu của chúng tôi (Mục tiêu 3).

Với sáu lớp có sẵn, nguyên tắc cung cấp hai lớp chôn cho tín hiệu tốc độ cao (như trong Hình 3) được thực hiện dễ dàng, như trong Hình 6. Cấu hình này cũng cung cấp hai lớp bề mặt cho các tín hiệu tốc độ thấp.

Đây có lẽ là cấu trúc sáu lớp phổ biến nhất và có thể rất hiệu quả trong việc kiểm soát phát xạ điện từ nếu được thực hiện tốt. Cấu hình này đáp ứng mục tiêu 1,2,4, nhưng không đáp ứng mục tiêu 3,5. Nhược điểm chính của nó là sự tách biệt của mặt phẳng công suất và mặt đất.

Do sự tách biệt này, không có nhiều điện dung liên mặt phẳng giữa mặt phẳng công suất và mặt phẳng mặt đất, do đó phải thực hiện thiết kế tách cẩn thận để đối phó với tình huống này. Để biết thêm thông tin về cách tách, hãy xem mẹo về kỹ thuật Tách của chúng tôi.

Một cấu trúc nhiều lớp sáu lớp gần như giống hệt nhau, hoạt động tốt được thể hiện trong Hình 7.

H1 đại diện cho lớp định tuyến ngang của tín hiệu 1, V1 đại diện cho lớp định tuyến dọc của tín hiệu 1, H2 và V2 đại diện cho cùng một ý nghĩa đối với tín hiệu 2, và ưu điểm của cấu trúc này là các tín hiệu định tuyến trực giao luôn tham chiếu đến cùng một mặt phẳng.

Để hiểu tại sao điều này lại quan trọng, hãy xem phần về mặt phẳng tín hiệu đến tham chiếu trong Phần 6. Điểm bất lợi là tín hiệu lớp 1 và lớp 6 không được che chắn.

Do đó, lớp tín hiệu phải rất gần với mặt phẳng lân cận của nó và lớp lõi ở giữa dày hơn nên được sử dụng để tạo nên độ dày tấm yêu cầu. Khoảng cách tấm dày 0.060 inch điển hình có thể là 0.005 “/ 0.005” / 0.040 “/ 0.005” / 0.005 “/ 0.005”. Cấu trúc này đáp ứng các Mục tiêu 1 và 2, nhưng không đáp ứng các Mục tiêu 3, 4 hoặc 5.

Một tấm sáu lớp khác có hiệu suất tuyệt vời được thể hiện trong Hình 8. Nó cung cấp hai lớp chôn tín hiệu và nguồn điện và mặt đất liền kề để đáp ứng tất cả năm mục tiêu. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất là nó chỉ có hai lớp dây nên không được sử dụng thường xuyên.

Tấm sáu lớp dễ dàng đạt được khả năng tương thích điện từ tốt hơn tấm bốn lớp. Chúng tôi cũng có lợi thế về bốn lớp định tuyến tín hiệu thay vì chỉ giới hạn ở hai lớp.

Như trường hợp của bảng mạch bốn lớp, PCB sáu lớp đã đáp ứng được bốn trong số năm mục tiêu của chúng tôi. Tất cả năm mục tiêu có thể được đáp ứng nếu chúng ta giới hạn bản thân trong hai lớp định tuyến tín hiệu. Các cấu trúc trong Hình 6, Hình 7 và Hình 8 đều hoạt động tốt từ góc độ EMC.