Знаете ли вы, как решить проблему электромагнитных помех при проектировании многослойной печатной платы?
Позвольте мне сказать вам!
Есть много способов решить проблемы с электромагнитными помехами.Современные методы подавления электромагнитных помех включают в себя: использование покрытия для подавления электромагнитных помех, выбор подходящих деталей для подавления электромагнитных помех и дизайн, имитирующий электромагнитные помехи.В этой статье, основанной на самой простой компоновке печатной платы, обсуждается функция стека печатных плат в контроле излучения электромагнитных помех и навыков проектирования печатных плат.
силовая шина
Скачок выходного напряжения ИС можно ускорить, поместив соответствующую емкость рядом с выводом питания ИС.Однако это не конец проблемы.Из-за ограниченной частотной характеристики конденсатора он не может генерировать мощность гармоник, необходимую для чистого управления выходным сигналом ИС во всем диапазоне частот.Кроме того, переходное напряжение, образующееся на силовой шине, вызовет падение напряжения на обоих концах индуктивности развязывающего тракта.Эти переходные напряжения являются основными источниками электромагнитных помех общего вида.Как мы можем решить эти проблемы?
В случае ИС на нашей печатной плате слой питания вокруг ИС можно рассматривать как хороший высокочастотный конденсатор, который может собирать энергию, утечку дискретного конденсатора, который обеспечивает высокочастотную энергию для чистого выхода.Кроме того, индуктивность хорошего силового слоя мала, поэтому переходный сигнал, синтезируемый катушкой индуктивности, также мал, что снижает синфазные электромагнитные помехи.
Конечно, соединение между слоем источника питания и выводом питания ИС должно быть как можно короче, потому что нарастающий фронт цифрового сигнала становится все быстрее и быстрее.Подключать его лучше напрямую к контактной площадке, где находится вывод питания ИС, о чем нужно поговорить отдельно.
Для управления синфазными электромагнитными помехами слой питания должен представлять собой хорошо спроектированную пару слоев питания, чтобы обеспечить развязку и иметь достаточно низкую индуктивность.Некоторые люди могут спросить, насколько это хорошо?Ответ зависит от слоя питания, материала между слоями и рабочей частоты (т. е. от времени нарастания ИС).Как правило, расстояние между слоями питания составляет 6 мил, а промежуточный слой выполнен из материала FR4, поэтому эквивалентная емкость на квадратный дюйм слоя питания составляет около 75 пФ.Очевидно, что чем меньше расстояние между слоями, тем больше емкость.
Устройств с временем нарастания 100-300 пс не так много, но, согласно текущим темпам развития ИС, устройства с временем нарастания в диапазоне 100-300 пс будут занимать большую долю.Для схем с временем нарастания от 100 до 300 пс расстояние между слоями 3 мил больше не применимо для большинства приложений.В то же время необходимо внедрить технологию расслоения с расстоянием между слоями менее 1 мил и заменить диэлектрический материал FR4 материалом с высокой диэлектрической проницаемостью.Теперь керамика и пластмасса в герметиках могут соответствовать требованиям проектирования цепей с временем нарастания от 100 до 300 пс.
Хотя в будущем могут быть использованы новые материалы и методы, обычных схем с временем нарастания от 1 до 3 нс, расстояния между слоями от 3 до 6 мил и диэлектрических материалов FR4 обычно достаточно для обработки высших гармоник и достаточно низкого уровня переходных сигналов, т.е. , синфазные электромагнитные помехи могут быть очень низкими.В этой статье приведен пример конструкции многослойной укладки печатных плат, а расстояние между слоями предполагается равным от 3 до 6 мил.
электромагнитное экранирование
С точки зрения маршрутизации сигналов хорошей стратегией разделения на уровни должно быть размещение всех трасс сигналов в одном или нескольких слоях, расположенных рядом со слоем питания или заземляющим слоем.Для источника питания хорошей стратегией наслоения должно быть то, что слой питания примыкает к заземляющему слою, а расстояние между слоем питания и заземляющим слоем должно быть как можно меньше, что мы и называем стратегией «расслоения».
стек печатных плат
Какая стратегия стекирования может помочь защитить и подавить электромагнитные помехи?Следующая схема многоуровневого наложения предполагает, что ток источника питания течет по одному слою и что одно или несколько напряжений распределяются в разных частях одного и того же слоя.Случай нескольких уровней мощности будет рассмотрен позже.
4-слойная пластина
Существуют некоторые потенциальные проблемы при проектировании 4-слойных ламинатов.Во-первых, даже если сигнальный слой находится во внешнем слое, а силовой и заземляющий слои — во внутреннем слое, расстояние между силовым слоем и заземляющим слоем все равно слишком велико.
Если требование стоимости является первым, можно рассмотреть следующие две альтернативы традиционной 4-слойной плите.Оба они могут улучшить характеристики подавления электромагнитных помех, но подходят только для случая, когда плотность компонентов на плате достаточно низкая и вокруг компонентов достаточно места (для размещения необходимого медного покрытия для блока питания).
Первая схема предпочтительнее.Внешние слои печатной платы — это все слои, а два средних слоя — это сигнальные/мощные слои.Источник питания на сигнальном слое проложен широкими линиями, что снижает импеданс пути тока источника питания и низкий импеданс сигнального микрополоскового тракта.С точки зрения контроля электромагнитных помех, это лучшая доступная 4-слойная структура печатной платы.Во второй схеме внешний слой несет питание и землю, а два средних слоя переносят сигнал.По сравнению с традиционной 4-слойной платой улучшение этой схемы меньше, а межслойный импеданс не так хорош, как у традиционной 4-слойной платы.
Если импеданс проводки должен контролироваться, приведенная выше схема укладки должна быть очень осторожной, чтобы проложить проводку под медным островом питания и заземления.Кроме того, медный остров на источнике питания или слое должен быть максимально взаимосвязан, чтобы обеспечить связь между постоянным током и низкой частотой.
6-слойная пластина
Если плотность компонентов на 4-слойной плате большая, то лучше подойдет 6-слойная.Однако экранирующий эффект некоторых схем укладки в конструкции 6-слойной платы недостаточен, и переходный сигнал шины питания не снижается.Два примера обсуждаются ниже.
В первом случае источник питания и заземление размещаются во втором и пятом слоях соответственно.Из-за высокого импеданса источника питания с медным покрытием очень неблагоприятно контролировать излучение синфазных электромагнитных помех.Однако с точки зрения управления импедансом сигнала этот способ очень правильный.
Во втором примере источник питания и заземление размещены в третьем и четвертом слоях соответственно.Эта конструкция решает проблему импеданса источника питания с медным покрытием.Из-за плохих характеристик электромагнитного экранирования слоев 1 и 6 увеличивается электромагнитная помеха в дифференциальном режиме.Если количество сигнальных линий на двух внешних слоях наименьшее, а длина линий очень короткая (менее 1/20 длины волны высшей гармоники сигнала), конструкция может решить проблему дифференциального режима электромагнитных помех.Результаты показывают, что подавление дифференциальных электромагнитных помех особенно хорошо, когда внешний слой заполнен медью, а область медного покрытия заземлена (каждая 1/20 интервала длины волны).Как упоминалось выше, медь должна быть проложена
Время публикации: 29 июля 2020 г.
