Leiterplattentechnisch - EMI-Lösungen bei der Konstruktion von Leiterplatten

Welche Leiterplattenstapelstrategien helfen, EMI zu schützen und zu unterdrücken Das folgende Schichtstapelschema geht davon aus, dass Leistungsströme durch eine einzige Schicht fließen, wobei einzelne oder mehrere Spannungen in verschiedenen Teilen derselben Schicht verteilt sind. Der Fall mehrerer Stromversorgungsschichten wird später diskutiert.

4-Layer-Leiterplatte

Es gibt mehrere mögliche Probleme mit dem 4-Layer Board Design. Zunächst einmal, die traditionelle Vierschichtplatte mit einer Dicke von 62 Mils, auch wenn die Signalschicht auf der Außenschicht ist, und die Leistungs- und Erdschichten auf der Innenschicht sind, ist der Abstand zwischen der Leistungsschicht und der Erdschicht immer noch zu groß.

Wenn die Kostenanforderung zuerst ist, können Sie die folgenden zwei traditionellen 4-Schicht-Board-Alternativen in Betracht ziehen. Beide Lösungen können die Leistung der EMI-Unterdrückung verbessern, aber sie sind nur für Anwendungen geeignet, in denen die Komponentendichte auf der Platte niedrig genug ist und genügend Fläche um die Komponenten herum besteht (die erforderliche Stromversorgungskupferschicht platzieren).

Die erste ist die bevorzugte Lösung. Die äußeren Schichten der Leiterplatte sind Erdschichten und die mittleren beiden Schichten sind Signal-/Leistungsschichten. Die Stromversorgung auf der Signalschicht ist mit einer breiten Leitung geleitet, die die Wegeimpedanz des Stromversorgungsstroms niedrig machen kann, und die Impedanz des Signalmikrostreifenpfades ist ebenfalls niedrig. Aus der Perspektive der EMI-Steuerung ist dies die beste verfügbare 4-Schichtplattenstruktur. Im zweiten Schema verwendet die äußere Schicht Strom und Erde, und die beiden mittleren Schichten verwenden Signale. Im Vergleich zur herkömmlichen 4-Schichtplatte ist die Verbesserung kleiner und die Zwischenschichtimpedanz ist so schlecht wie die herkömmliche 4-Schichtplatte.

Wenn Sie die Spureinimpedanz steuern möchten, muss das obige Stapelschema sehr vorsichtig sein, um die Spuren unter den Strom- und Erdkupferinseln anzuordnen. Darüber hinaus sollten die Kupferinseln auf der Stromversorgung oder Erdschicht möglichst miteinander verbunden sein, um eine Gleichstrom- und Niederfrequenzverbindung zu gewährleisten.

6-Schichtplatte

Wenn die Dichte der Komponenten auf einer 4-Schichtplatte relativ hoch ist, ist eine 6-Schichtplatte am besten. Einige Stapelschemata im 6-Schicht-Board-Design sind jedoch nicht gut genug, um das elektromagnetische Feld zu schützen, und haben wenig Einfluss auf die Reduzierung des transienten Signals des Leistungsbusses. Zwei Beispiele werden unten diskutiert.

Im ersten Beispiel werden die Stromversorgung bzw. die Erdung auf die 2. bzw. 5. Schicht platziert. Aufgrund der hohen Kupferimpedanz der Stromversorgung ist es sehr ungünstig, die EMI-Strahlung des gemeinsamen Modus zu steuern. Aus Sicht der Signalimpedanzsteuerung ist dieses Verfahren jedoch sehr korrekt.

Im zweiten Beispiel werden die Stromversorgung bzw. die Erdung auf die 3. bzw. 4. Schicht platziert. Dieses Design löst das Problem der Stromversorgungskupferimpedanz. Aufgrund der schlechten elektromagnetischen Abschirmleistung der 1. und 6. Schicht wird die EMI des Differenzmodus erhöht. Wenn die Anzahl der Signalleitungen auf den beiden äußeren Schichten die kleinste ist und die Spurlänge sehr kurz ist (kürzer als 1/20 der Wellenlänge der höchsten Harmonik des Signals), kann diese Konstruktion das EMI-Problem des Differenzmodus lösen. Füllen Sie den kupferbeschichteten Bereich ohne Komponenten und keine Spuren auf der Außenschicht und maaden Sie den kupferbeschichteten Bereich (alle 1/20 der Wellenlänge als Intervall), der besonders gut bei der Unterdrückung von EMI im Differenzmodus ist. Wie bereits erwähnt, ist es notwendig, den Kupferbereich an mehreren Stellen mit der inneren Erdebene zu verbinden.

Allgemeines Hochleistungs-6-Schicht-Board-Design Im Allgemeinen werden die erste und sechste Schicht als Erdschicht ausgelegt, und die dritte und vierte Schicht werden für Energie und Erdung verwendet. Da es zwei doppelte Mikrostreifen Signalleitungsschichten in der Mitte zwischen der Leistungsschicht und der Erdschicht gibt, ist die EMI-Unterdrückungsfähigkeit ausgezeichnet. Der Nachteil dieser Konstruktion ist, dass es nur zwei Routing-Schichten gibt. Wie bereits erwähnt, wenn die äußeren Spuren kurz sind und im spurlosen Bereich Kupfer verlegt wird, kann das gleiche Stapeln auch mit einer herkömmlichen 6-Schichtplatte erreicht werden.

Ein weiteres 6-Schicht-Board-Layout ist Signal, Erde, Signal, Leistung, Erde, Signal, das die für fortgeschrittene Signalintegritätsdesign erforderliche Umgebung realisieren kann. Die Signalschicht ist neben der Erdschicht und die Leistungsschicht und die Erdschicht sind gepaart. Der Nachteil ist offensichtlich das ungewogene Stapeln von Schichten.

Dies verursacht in der Regel Probleme bei der Herstellung. Die Lösung des Problems besteht darin, alle leeren Bereiche der dritten Schicht mit Kupfer zu füllen. Nachdem das Kupfer gefüllt ist, kann diese Platte nicht strikt als strukturell ausgewogene Leiterplatte gezählt werden, wenn die Kupferdichte der dritten Schicht in der Nähe der Leistungsschicht oder der Erdschicht liegt. Der mit Kupfer gefüllte Bereich muss mit Strom oder Erde verbunden sein. Der Abstand zwischen den Verbindungsstraßen beträgt noch 1/20 der Wellenlänge, und es ist möglicherweise nicht nötig, überall zu verbinden, aber es sollte unter idealen Umständen angeschlossen werden.

10-Schichtplatte

Da die Isolationsschicht zwischen den Mehrschichtplatten sehr dünn ist, ist die Impedanz zwischen den 10 oder 12 Schichten der Leiterplatte sehr gering. Solange bei der Schichtung und Stapelung kein Problem besteht, kann eine ausgezeichnete Signalintegrität erwartet werden. Es ist schwieriger, 12-Schichtplatten mit einer Dicke von 62mil herzustellen, und es gibt nicht viele Hersteller, die 12-Schichtplatten verarbeiten können.

Da es immer eine Isolierschicht zwischen der Signalschicht und der Schleifenschicht gibt, ist die Lösung der Zuordnung der mittleren 6 Schichten zur Routing der Signalleitungen in einem 10-Schichtplattenkonstruktion nicht die beste. Darüber hinaus ist es wichtig, die Signalschicht neben der Schleifenschicht zu machen, d.h. das Board-Layout ist Signal, Erde, Signal, Signal, Leistung, Erde, Signal, Signal, Erde und Signal.

Diese Konstruktion bietet einen guten Weg für den Signalstrom und seinen Schleifenstrom. Die richtige Verkabelungsstrategie besteht darin, die Drähte in X-Richtung auf der ersten Schicht, in Y-Richtung auf der dritten Schicht und in X-Richtung auf der vierten Schicht usw. zu routieren. Wenn man die Routing intuitiv betrachtet, sind die erste Schicht 1 und die dritte Schicht ein Paar von Schichtkombinationen, die vierte und siebte Schicht ein Paar von Schichtkombinationen und die achte und zehnte Schicht das letzte Paar von Schichtkombinationen. Wenn eine Änderung der Routing-Richtung erforderlich ist, sollte die Signalleitung auf der ersten Schicht über die "via" auf die dritte Schicht übertragen und dann die Richtung ändern. Tatsächlich ist dies vielleicht nicht immer möglich, aber als Designkonzept muss es möglichst gefolgt werden.

In ähnlicher Weise, wenn sich die Signalroutingrichtung ändert, sollte sie von der 8. und 10. Schicht oder von der 4. auf die 7. Schicht durch Vias gehen. Diese Verkabelung gewährleistet die engeste Kopplung zwischen dem Vorwärtsweg des Signals und der Schleife. Wird beispielsweise das Signal auf der ersten Schicht geleitet und die Schleife auf der zweiten Schicht und nur auf der zweiten Schicht geleitet, so wird das Signal auf der ersten Schicht über die "via" auf die dritte Schicht übertragen. Die Schleife befindet sich noch auf der zweiten Schicht, um die Eigenschaften von niedriger Induktivität, großer Kapazität und guter elektromagnetischer Abschirmleistung aufrechtzuerhalten.

Wenn die eigentliche Verkabelung nicht so ist, was soll ich tun? Beispielsweise geht die Signalleitung auf der ersten Schicht durch das Durchgangsloch zur 10. Schicht. Erdstifte von Komponenten wie Widerständen oder Kondensatoren). Wenn es eine solche Strecke in der Nähe gibt, haben Sie wirklich Glück. Wenn es keine solche nahe über Loch zur Verfügung steht, wird die Induktivität größer, die Kapazität wird reduziert und der EMI wird definitiv zunehmen.

Wenn die Signalleitung das aktuelle Paar von Verdrahtungsschichten zu anderen Verdrahtungsschichten durch Vias verlassen muss, sollten Erdungsvias in der Nähe der Vias platziert werden, so dass das Schleifensignal reibungslos zur richtigen Erdungsschicht zurückkehren kann. Für die schichtige Kombination der 4. und 7. Schicht kehrt die Signalschleife von der Leistungsschicht oder der Erdschicht (d. h. der 5. oder 6. Schicht) zurück, da die kapazitive Kopplung zwischen der Leistungsschicht und der Erdschicht gut ist und das Signal einfach zu übertragen ist.

Multi-Power Layer Design

Wenn die beiden Leistungsschichten der gleichen Spannungsquelle große Ströme ausgeben müssen, sollte die Leiterplatte in zwei Sätze von Leistungsschichten und Erdschichten ausgelegt werden. In diesem Fall wird zwischen jedem Paar von Leistungs- und Erdschichten eine Isolierschicht platziert. Auf diese Weise erhalten wir die beiden Paare von Leistungsbussleisten mit gleichen Impedanzen, die den erwarteten Strom teilen. Wenn das Stapeln der Leistungsschichten dazu führt, dass die Impedanz ungleich ist, wird der Shunt nicht gleichmäßig sein, die Übergangsspannung wird viel größer sein und der EMI wird stark zunehmen.

Wenn auf der Leiterplatte mehrere Versorgungsspannungen mit unterschiedlichen Werten vorliegen, sind entsprechend mehrere Versorgungsschichten erforderlich. Denken Sie daran, eigene gepaarte Stromversorgung und Erdschichten für verschiedene Stromversorgungen zu erstellen. In den oben genannten beiden Fällen sollten bei der Bestimmung der Position der gepaarten Leistungsschicht und der Erdschicht auf der Leiterplatte die Anforderungen des Herstellers an die ausgewogene Struktur berücksichtigt werden.

Zusammenfassung

Angesichts der Tatsache, dass die meisten von Ingenieuren entworfenen Leiterplatten traditionelle Leiterplatten mit einer Dicke von 62 Mil und keinen blinden oder begraben Vias sind, beschränkt sich die Diskussion über Leiterplattenschichten und -stapeln in diesem Artikel darauf. Für Leiterplatten mit großen Dickenunterschieden ist das in diesem Artikel empfohlene Schichtschema möglicherweise nicht ideal. Darüber hinaus ist der Verarbeitungsprozess der Leiterplatte mit Blindlöchern oder begraben Löchern anders, und das Schichtverfahren in diesem Artikel ist nicht anwendbar.

Die Dicke, der Prozess und die Anzahl der Schichten der Leiterplatte im Leiterplattenplan sind nicht der Schlüssel zur Lösung des Problems. Ausgezeichnetes Schichtstapeln ist es, den Bypass und die Entkopplung des Strombusses zu gewährleisten und die Übergangsspannung auf der Stromschicht oder Erdschicht zu minimieren. Und der Schlüssel zum Abschirmen des elektromagnetischen Feldes des Signals und der Stromversorgung. Idealerweise sollte zwischen der Signalroutingsschicht und der Rückgrundschicht eine isolierende Isolationsschicht vorhanden sein und der gepaarte Schichtabstand (oder mehr als ein Paar) sollte möglichst klein sein. Auf der Grundlage dieser Grundkonzepte und Prinzipien kann eine Leiterplatte entworfen werden, die immer den Konstruktionsanforderungen gerecht werden kann. Jetzt, da die Aufstiegszeit von IC sehr kurz ist und kürzer sein wird, ist die in diesem Artikel diskutierte Technologie unerlässlich, um das Problem der EMI-Abschirmung zu lösen.