Leiterplatte Blog - Elektromagnetische kompatible mehrschichtige PCB Board Verdrahtung Design

In der Leiterplatten,it is very important to consider the electromagnetic compatibility (EMC) design in the circuit design stage. Am Beispiel eines 12-Lagen-Boards, das Schichtverfahren, Verdrahtungsregeln, Erdungs- und Stromleitungsanordnung, und elektromagnetische Verträglichkeit. Elektromagnetische Verträglichkeit ist ein aufkommendes umfassendes Diema, das hauptsächlich elektromagnetische Störungen und Anti-Interferenz-Probleme untersucht. Elektromagnetische Verträglichkeit bedeutet, dass unter der angegebenen elektromagnetischen Umgebungsebene, Der Leistungsindex elektronischer Geräte oder Systeme wird aufgrund elektromagnetischer Störungen nicht reduziert, und die von ihnen selbst erzeugte elektromagnetische Strahlung ist nicht größer als der begrenzte Grenzwert, das den normalen Betrieb anderer Systeme nicht beeinträchtigt. Und um den Zweck der Nichtinterferenz zwischen Ausrüstung und Ausrüstung zu erreichen, System und System, gemeinsame und zuverlässige Arbeit. Electromagnetic interference (EMI) is caused by the electromagnetic interference source transferring energy to the sensitive system through the coupling path. Es umfasst drei Grundformen: Leitung durch Draht und gemeinsame Erde, Weltraumstrahlung oder Nahfeld-Kopplung. Die Praxis hat bewiesen, dass auch wenn der Schaltplan korrekt ist und die Leiterplatte falsch ausgelegt ist, Es wird die Zuverlässigkeit von elektronischen Geräten beeinträchtigen. Daher, Die Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit der Leiterplatte ist der Schlüssel zum gesamten Systemdesign. Dieser Artikel behandelt hauptsächlich elektromagnetische Verträglichkeit. Technologie und ihre Anwendung bei der Konstruktion von Mehrschichtsystemen Leiterplatten.

The Leiterplatte ist die Unterstützung von Schaltungskomponenten und Geräten in elektronischen Produkten. Es stellt elektrische Verbindungen zwischen Schaltungskomponenten und Geräten zur Verfügung, und ist ein grundlegender Bestandteil verschiedener elektronischer Geräte. Heutzutage, Große und sehr große integrierte Schaltungen sind weit verbreitet in elektronischen Geräten verwendet worden, und die Einbaudichte der Bauteile auf Leiterplatten wird immer höher und höher, und die Übertragungsgeschwindigkeit von Signalen wird immer schneller. Auch EMV-Themen gewinnen immer mehr an Bedeutung. Leiterplattes are divided into single-sided (single-layer boards), double-sided (double-layer boards) and multi-layer boards. Einseitige und doppelseitige Leiterplatten werden im Allgemeinen für Verdrahtungsschaltungen niedriger und mittlerer Dichte und Schaltungen mit geringer Integration verwendet, Mehrschichtige Leiterplatten verwenden hochdichte Verkabelungen und Schaltungen mit hoher Integration. Aus Sicht der elektromagnetischen Verträglichkeit, einseitige und doppelseitige Schaltungen sind nicht für Hochgeschwindigkeitsschaltungen geeignet, und einseitige und doppelseitige Verdrahtung kann die Anforderungen von Hochleistungsschaltungen nicht mehr erfüllen, und die Entwicklung von mehrschichtigen Verdrahtungsschaltungen bietet eine Möglichkeit, die oben genannten Probleme zu lösen. Anwendungen werden immer weiter verbreitet.

1. Characteristics of multi-layer wiring
The Leiterplatte Besteht aus organischen und anorganischen dielektrischen Materialien mit einer mehrschichtigen Struktur. Die Verbindung zwischen den Schichten wird durch Vias erreicht, und die elektrische Signalleitung zwischen den Schichten kann erreicht werden, indem die Vias mit Metallmaterialien plattiert oder gefüllt werden. The reason why multi-layer wiring is widely used has the following characteristics:
(1) There are special power supply layer and ground wire layer inside the multi-layer board. Die Stromversorgungsschicht kann als Rauschschleife verwendet werden, um Störungen zu reduzieren; zur gleichen Zeit, Die Spannungsversorgungsschicht bietet auch eine Schleife für alle Signale des Systems, um häufige Impedanzkupplungsstörungen zu beseitigen. Die Impedanz der Stromversorgungsleitung wird reduziert, dadurch die gemeinsame Impedanzstörung verringern.
(2) The multi-layer board adopts a special ground layer, mit einem speziellen Erdungskabel für alle Signalleitungen. Die Eigenschaften der Signalleitung: die Impedanz ist stabil und leicht anzupassen, die durch Reflexion verursachte Wellenformverzerrung verringert; zur gleichen Zeit, Ein spezieller Erdungsdraht wird verwendet. Die Leitungsschicht erhöht die verteilte Kapazität zwischen der Signalleitung und der Masseleitung, Reduzierung des Übersprechens,

2. Laminatkonstruktion von Leiterplatten
2.1 Verdrahtungsregeln von Leiterplatte
Die elektromagnetische Verträglichkeitsanalyse von Mehrschichtplatinen kann auf Kirchhoffs Gesetz und Faradays Gesetz der elektromagnetischen Induktion basieren. Nach Kirchhoffs Gesetz, Jede zeitbereichsübergreifende Signalübertragung von Quelle zu Last muss einen Impedanzpfad aufweisen. Leiterplattes mit mehreren Schichten werden häufig in Hochgeschwindigkeits-, Hochleistungssysteme, where multiple layers are used for direct current (DC) power or ground reference planes. Diese Ebenen sind in der Regel feste Ebenen ohne Trennungen, da genügend Schichten vorhanden sind, um als Energie- oder Bodenebene verwendet zu werden, Es besteht also keine Notwendigkeit, verschiedene Gleichspannungen auf der gleichen Schicht zu legen. Diese Schicht dient als Stromrücklaufpfad für die Signale auf den benachbarten Übertragungsleitungen. Die Schaffung eines niederohmigen Stromrücklaufweges ist ein wichtiges EMV-Ziel für diese planaren Schichten. Die Signalschichten sind zwischen den physikalischen Referenzebenen verteilt, und sie können entweder symmetrische oder asymmetrische Streifen sein. Nehmen Sie ein 12-Lagen-Board als Beispiel, um Struktur und Layout einer mehrlagigen Platte zu veranschaulichen. Seine hierarchische Struktur ist T-P.S.P.S.P.S.P.S.S.P.S.P.B, "T" ist die oberste Schicht, "P" ist die Bezugsebene, "S" ist die Signalschicht, "B" ist die untere Schicht. Von der obersten Ebene zur unteren Ebene sind die erste Ebene, die zweite Schicht, und die zwölfte Schicht. Die obere und untere Schicht werden als Pads für Bauteile verwendet, und Signale sollten nicht zu lange auf der oberen und unteren Schicht wandern, um direkte Strahlung von Spuren zu reduzieren. Inkompatible Signalleitungen sollten voneinander isoliert werden, deren Zweck darin besteht, Kupplungsstörungen untereinander zu vermeiden. Hochfrequenz und Niederfrequenz, großer Strom und kleiner Strom, Digitale und analoge Signalleitungen sind inkompatibel. Im Bauteillayout, Die inkompatiblen Komponenten sollten an verschiedenen Positionen auf der Leiterplatte platziert werden, und die Anordnung der Signalleitungen ist noch notwendig. Achten Sie darauf, sie zu isolieren.. Bei der Gestaltung, pay attention to the following 3 issues:
(1) Determine which reference plane layer will contain multiple power regions for different DC voltages. Annahme mehrerer Gleichspannungen auf Schicht 11, Das bedeutet, dass Designer Hochgeschwindigkeitssignale so weit wie möglich von der Schicht 10 und der unteren Schicht fernhalten müssen, weil Rücklaufstrom nicht durch die Bezugsebene über der Schicht fließen kann 10, und Nähkondensatoren sind erforderlich, Dritte , 5, 7 und 9 sind die Signalschichten für Hochgeschwindigkeitssignale, jeweils. Die Leiterbahnen wichtiger Signale sollten so weit wie möglich in eine Richtung geführt werden, um die mögliche Anzahl von Leiterbahnen auf der Schicht zu optimieren. Die auf verschiedenen Schichten verteilten Signalspuren sollten senkrecht zueinander stehen, die Kopplungsstörungen elektrischer und magnetischer Felder zwischen den Leitungen reduzieren kann. Die dritte und siebte Schicht können als "Ost-West" Spuren gesetzt werden, Während die fünfte und neunte Schicht als "Ost-West" Spuren gesetzt werden kann. Führen Sie die Linie für "Nord-Süd". Auf welcher Ebene die Spur geführt wird, hängt von der Richtung ab, in die sie ihr Ziel erreicht.
(2) Layer changes when routing high-speed signals, und welche verschiedenen Schichten für ein unabhängiges Routing verwendet werden, um sicherzustellen, dass der Rückstrom von einer Bezugsebene zur neuen Bezugsebene fließt. Dies ist, den Signalschleifenbereich zu reduzieren und die Differentialstromstrahlung und Gleichtaktstromstrahlung der Schleife zu reduzieren. Die Schleifenstrahlung ist proportional zur Stromintensität und dem Schleifenbereich. In der Tat, Die Konstruktion erfordert keinen Rückstrom, um die Bezugsebene zu ändern, aber ändert sich einfach von einer Seite der Bezugsebene zur anderen. Zum Beispiel, Eine Kombination von Signalschichten kann als Signallagenpaar verwendet werden: Schicht 3 und Schicht 5, Ebene 5 und Ebene 7, Schicht 7 und Schicht 9, die eine Ost-West- und Nord-Süd-Richtung ermöglichen, eine Verkabelungskombination zu bilden. Aber die Kombination der Schichten 3 und 9 sollte nicht verwendet werden, da dies Rücklaufstrom erfordert, um von Schicht 4 auf Schicht 8 zu fließen. Obwohl ein Entkopplungskondensator in der Nähe der Via platziert werden kann, Bei hohen Frequenzen wird der Kondensator durch Blei und Induktivität unbrauchbar gemacht. Und diese Art der Verkabelung vergrößert die Fläche der Signalschleife, was nachteilig ist, um die aktuelle Strahlung zu reduzieren.
(3) Select the DC voltage for the reference plane layer. In diesem Beispiel, Es gibt viel Lärm auf dem Strom/Masseverzeichnis aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Signalverarbeitung im Prozessor. Daher, Es ist sehr wichtig, Entkopplungskondensatoren zu verwenden, um die gleiche Gleichspannung an den Prozessor zu liefern, und Entkopplungskondensatoren möglichst effizient einzusetzen. Der Weg, die Induktivität dieser Komponenten zu reduzieren, besteht darin, die Anschlussbahnen so kurz und breit wie möglich zu halten, und die Vias so kurz und dick wie möglich zu halten. Wenn Schicht 2 als "Masse" und Schicht 4 als Leistung für den Prozessor zugewiesen wird, Die Durchkontaktierungen sollten so kurz wie möglich von der obersten Schicht sein, in der Prozessor und Entkopplungskondensatoren platziert sind. Der Hohlraum, der sich bis zur unteren Schicht der Platine erstreckt, enthält keinen nennenswerten Strom und die kurze Entfernung hat keinen Antenneneffekt.

2.2 The 20-H Rule and the 3-W Rule
In the electromagnetic compatibility design of multi-layer Leiterplattes, Es gibt zwei Grundprinzipien, um den Abstand zwischen der Leistungsschicht und der Kante der Mehrschichtplatte zu bestimmen und den Abstand zwischen den bedruckten Streifen zu lösen: die 20-H-Regel und die 3-W-Regel. 20-H-Prinzip: HF-Strom liegt normalerweise am Rand der Leistungsebene aufgrund der Verbindung zwischen den magnetischen Flüssen vor. Diese Kopplung zwischen Schichten wird als Kanteneffekt bezeichnet.. Bei Verwendung digitaler Hochgeschwindigkeits-Logik und Taktsignale, die Energieebenen werden miteinander interagieren. gekoppelter HF-Strom. Um diesen Effekt zu verringern, the physical size of the power plane should be at least 20H smaller than the physical size close to the ground plane (H is the distance between the power plane and the ground plane), und der Kanteneffekt der Stromversorgung tritt normalerweise bei ca. 10H auf. Etwa 10% des magnetischen Flusses ist blockiert, Wenn Sie 98% des magnetischen Flusses erreichen wollen, wird blockiert, Sie benötigen einen Grenzwert von 100%. Die 20-H-Regel bestimmt den physikalischen Abstand zwischen der Leistungsebene und der nächsten Bodenebene, einschließlich Kupferdicke, Vorfüllung, und isolierende Trennschichten. Mit 20-H kann die Resonanzfrequenz der Leiterplatte selbst erhöht werden.

HF-Kanteneffekte auf Leiterplattes
3-W rule: When the distance between the two printed lines is small, elektromagnetisches Übersprechen zwischen den beiden Leitungen, die dazu führen wird, dass die zugehörige Schaltung nicht funktioniert. Um diese Störung zu vermeiden, Der Abstand zwischen den Linien sollte nicht weniger als 3-mal eingehalten werden. Linienbreite, das ist, not less than 3W (W is the width of printed lines). Die gedruckte Linienbreite hängt von den Anforderungen der Linienimpedanz ab, zu breit wirkt sich auf die Verdrahtungsdichte aus, Zu eng beeinträchtigt die Integrität und Stärke des an das Terminal übertragenen Signals. Die Verdrahtung von Taktkreisen, Differentialpaare, und ich/O-Ports sind alle grundlegenden Anwendungsobjekte des 3-W-Prinzips. Das 3-W-Prinzip stellt nur die Grenze der elektromagnetischen Flusslinie dar, wo die Übersprechenergie um 70%abgeschwächt wird. Wenn die Anforderungen höher sind, wie die Grenzlinie des elektromagnetischen Flusses, der die Übersprechenergiedämpfung um 98%garantiert, Es muss ein 10W-Intervall verwendet werden.

2.3 Layout of the ground wire
First of all, Festlegung des Konzepts der verteilten Parameter, über einer bestimmten Frequenz, Jeder Metalldraht sollte als eine Vorrichtung angesehen werden, die aus Widerstand und Induktivität besteht. Daher, Die Masseleitung hat eine bestimmte Impedanz und bildet eine elektrische Schleife, Ob Einpunkt- oder Mehrpunkt-Erdung, Es muss eine niederohmige Schleife in den realen Boden oder Rack bilden. Eine typische Spur von 25mm lang zeigt ungefähr 15 bis 20nH Induktivität, und das Vorhandensein verteilter Kapazität bildet einen Resonanzkreis zwischen der Masseebene und dem Geräterack. Zweiter, wenn Erdungsstrom durch den Erdungskabel fließt, Übertragungsleitungseffekte und Antenneneffekte treten auf. Wenn die Länge der Linie 1 ist/4-Wellenlänge, es zeigt eine hohe Impedanz, der Erdungskabel ist tatsächlich offen, und der Erdungskabel wird zu einer Antenne, die nach außen strahlt, und die Bodenplatte ist voll von hochfrequenten Strömen und Wirbelströmen, die durch Störung gebildet werden. Daher, viele Schleifen werden zwischen Erdungspunkten gebildet, and the diameter of these loops (or ground point spacing) should be less than 1/20 der Frequenzwellenlänge. Die Wahl des richtigen Gerätes ist ein wichtiger Faktor für den Erfolg des Designs, insbesondere bei der Auswahl eines Logikgerätes, Versuchen Sie, ein Logikgerät mit einer Anstiegszeit länger als 5ns zu wählen, und wählen Sie niemals ein Logikgerät mit einer schnelleren Timing-Sequenz als die Schaltung erfordert.

2.4 Arrangement of power cords
For multi-layer boards, Die Schicht-Boden-Struktur der Stromversorgung wird für die Stromversorgung verwendet. Die charakteristische Impedanz dieser Struktur ist viel kleiner als die des Gleispaares, die weniger als 1Ω. Diese Struktur hat eine bestimmte Kapazität, und es ist nicht notwendig, Hochfrequenz-Entkopplungskondensatoren neben jedem integrierten Chip hinzuzufügen. Auch wenn die Kapazität des Schichtkondensators nicht ausreicht, wenn ein externer Entkopplungskondensator benötigt wird, Es sollte nicht neben dem integrierten Chip hinzugefügt werden, kann aber überall auf der Leiterplatte hinzugefügt werden. Die Stromanschlüsse und Massepunkte des integrierten Chips können direkt mit der Stromversorgungsschicht und der Erdungsschicht durch metallisierte Durchgangslöcher verbunden werden, so ist die Stromversorgungsschleife immer da. Aufgrund des Prinzips "Strom nimmt immer den Impedanzpfad", Der hochfrequente Rückstrom am Boden folgt immer der Spur, es sei denn, es gibt eine Bodenlücke, um sie zu blockieren, so ist die Signalschleife immer da. Es kann gesehen werden, dass die Leistungsschicht-Massestruktur die Vorteile des einfachen und flexiblen Layouts und der guten elektromagnetischen Verträglichkeit im Vergleich zur Stromversorgung des Schienenpaares hat.

3. Conclusion
In short, bei der Gestaltung von mehrschichtigen Leiterplattes, Komponenten sollten in Gruppen platziert werden, um Intergruppeninterferenzen zu vermeiden; Hochgeschwindigkeitsschaltkreise sollten ordnungsgemäß angeordnet sein, um Störungen mit anderen Schaltkreisen durch elektrische Feldkupplung oder Magnetfeldkopplung zu vermeiden; Störung der gemeinsamen Erdleitungsimpedanzkupplung; die Fläche der Stromversorgungsschleife sollte bis zu einem gewissen Grad reduziert werden, und die Stromversorgungsschleifen verschiedener Netzteile sollten sich nicht überlappen, um eine Magnetfeldkopplung zu vermeiden; inkompatible Signalleitungen sollten voneinander isoliert werden, um Kupplungsstörungen zu vermeiden; Kleiner Signalschleifenbereich zur Reduzierung von Schleifenstrahlung und Gleichtaktstrahlung auf Leiterplatte.