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Diseño de cableado de PCB multicapa EMC
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Diseño de cableado de PCB multicapa EMC

Diseño de cableado de PCB multicapa EMC

2022-02-25
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Author:pcb

En Placa de circuito impreSo,it is very important to consider the electromagnetic compatibility (EMC) design in the circuit design stage. Un ejemplo de placa de 1.2..... pisos, Método de estratificación, Reglas de cableado, Disposición de las líneas terrestres y eléctricas, Compatibilidad electromagnética. La compatibilidad electromagnética es una nueva disciplina integral, Se estudian principalmente los problemas de interferencia electromagnética y anti - interferencia.. La compatibilidad electromagnética se refiere al nivel de entorno electromagnético especificado, El rendimiento de un dispositivo o sistema electrónico no se reduce por interferencia electromagnética, Su propia radiación electromagnética no supera el nivel límite, No afecta al funcionamiento normal de otros sistemas. Y lograr el objetivo de no interferencia entre el equipo y el equipo, Sistema y sistema, Un trabajo normal y fiable. Electromagnetic interference (EMI) is caused by the electromagnetic interference source transferring energy to the sensitive system through the coupling path. Incluye tres formas básicas: conducción de cables y puesta a tierra común, Radiación espacial o acoplamiento de campo cercano. La práctica ha demostrado que incluso si el diseño esquemático del circuito es correcto, el diseño de la placa de circuito impreso es inadecuado, Esto afectará negativamente a la fiabilidad del equipo electrónico.. Así que..., La clave del diseño del sistema es garantizar la compatibilidad electromagnética de la placa de circuito impreso.. Este artículo discute principalmente la compatibilidad electromagnética. Tecnología y su aplicación en el diseño de multicapas Placa de circuito impreso.

Placa de circuito impreso

Este PCB Board Es el soporte de componentes y dispositivos de circuitos en productos electrónicos. Proporciona conexiones eléctricas entre componentes de circuitos y equipos, Es el componente básico de todo tipo de equipos electrónicos. Hoy en día, Los circuitos integrados a gran escala y a gran escala se han utilizado ampliamente en equipos electrónicos, Densidad de montaje de los componentes Placa de circuito impreso Cada vez más alto, La velocidad de transmisión de la señal es cada vez más rápida. Los problemas de EMC son cada vez más prominentes. PCB Boards are divided into single-sided (single-layer boards), double-sided (double-layer boards) and multi-layer boards. Las placas de circuitos de un solo lado y de dos lados se utilizan generalmente para circuitos de cableado de baja y media densidad y circuitos de baja integración., Circuitos multicapas con cableado de alta densidad y circuitos de alta integración. Desde el punto de vista de la compatibilidad electromagnética, Los circuitos de un solo lado y de dos lados no son adecuados para circuitos de alta velocidad, El cableado de un solo lado y de dos lados no puede satisfacer los requisitos del Circuito de alto rendimiento, El desarrollo de circuitos de cableado multicapa ofrece la posibilidad de resolver los problemas mencionados anteriormente.. Aplicación cada vez más amplia.

1. Characteristics of multi-layer wiring
The PCB Board Materiales dieléctricos orgánicos e inorgánicos con estructura multicapa. La conexión entre las capas se realiza a través de agujeros, La conducción de señales eléctricas entre capas se puede lograr mediante galvanoplastia o llenado de agujeros a través de materiales metálicos. 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. La capa de alimentación se puede utilizar como circuito de ruido para reducir la interferencia. Al mismo tiempo, La capa de alimentación también proporciona un bucle para todas las señales del sistema para eliminar la interferencia de acoplamiento de impedancia común. La impedancia del cable de alimentación se reduce, Para reducir la interferencia de impedancia común.
(2) The multi-layer board adopts a special ground layer, Todos los cables de señal tienen un cable de tierra especial. Características de la línea de señal: impedancia estable, fácil de emparejar, Reducir la distorsión de la forma de onda causada por la reflexión; Al mismo tiempo, Uso de cables de tierra especiales. La capa de línea aumenta la Capacitancia distribuida entre la línea de señal y la línea de tierra, Reducir la conversación cruzada,

2. Diseño de laminados compuestos Placa de circuito impreso
2.1. Reglas de cableado PCB Board
El análisis de la compatibilidad electromagnética de las placas de circuitos multicapas puede basarse en la Ley de Kirchhoff y la Ley de inducción electromagnética de Faraday.. De acuerdo con la Ley de Kirchhoff, Cualquier transmisión de señal de dominio temporal de la fuente a la carga debe tener una trayectoria de impedancia. PCB BoardEn el sistema ferroviario de alta velocidad, a menudo se utilizan cables helicoidales multicapa, Sistema de alto rendimiento, where multiple layers are used for direct current (DC) power or ground reference planes. Estos planos son generalmente planos sólidos sin ninguna división, Debido a que hay suficientes capas que se pueden utilizar como fuente de alimentación o plano de tierra, Por lo tanto, no es necesario aplicar diferentes tensiones de corriente continua en la misma capa. Esta capa servirá como la ruta de retorno actual de la señal de la línea de transmisión adyacente. La creación de circuitos de corriente de baja impedancia es un objetivo importante de EMC para estas capas planas. La capa de señal se distribuye entre las capas del plano de referencia física, Pueden ser líneas simétricas de cinta o líneas asimétricas de cinta. Tomando como ejemplo la placa de 12 pisos, se explica la estructura y disposición de la placa de 12 pisos.. Su estructura jerárquica es T - P - S - P - S - P - S - S - P - B., "T" es el nivel superior, "P" es la capa del plano de referencia, "S" es la capa de señal, "B" es la parte inferior. Desde el nivel superior hasta el nivel inferior es el primer nivel, SEGUNDA CAPA, Nivel 12. La capa superior e inferior se utilizan como almohadillas para los componentes, El tiempo de propagación de la señal en la capa superior e inferior no debe ser demasiado largo para reducir la radiación directa de trazas.. Las líneas de señal incompatibles deben aislarse entre sí, El objetivo es evitar la interferencia de acoplamiento mutuo. Alta y baja frecuencia, Corriente alta y corriente baja, Incompatibilidad de las líneas de señal digital y analógica. En el diseño de componentes, Los componentes incompatibles deben colocarse en diferentes lugares de la placa de circuito impreso, La disposición de la línea de señal sigue siendo necesaria. Aislarlos cuidadosamente. Tiempo de diseño, pay attention to the following 3 issues:
(1) Determine which reference plane layer will contain multiple power regions for different DC voltages. Supongamos que hay múltiples tensiones de corriente continua en la capa 11, Esto significa que el diseñador debe mantener la señal de alta velocidad lo más lejos posible de la capa 10 y la capa inferior, Porque la corriente de retorno no puede fluir a través del plano de referencia por encima de la capa 10, Necesidad de coser condensadores, Tercero , 5, 7 y 9 son capas de señal para señales de alta velocidad, Separadamente. En la medida de lo posible, las trazas de las señales importantes se encaminarán en una dirección para optimizar el número de trazas posibles en la capa.. Las trayectorias de las señales distribuidas en diferentes capas deben ser perpendiculares entre sí, Puede reducir la interferencia de acoplamiento entre el campo eléctrico y el campo magnético.. Las capas 3 y 7 se pueden configurar para trazar "cosas", Y las capas 5 y 9 pueden ser configuradas como trayectorias "cosas".. La ruta "Norte - Sur". El seguimiento de la ruta a qué nivel depende de su dirección a su destino.
(2) Layer changes when routing high-speed signals, Qué capa se utiliza para el cableado independiente, Asegurar que la corriente de retorno fluya de un plano de referencia al nuevo plano de referencia necesario. El objetivo es reducir el área del bucle de señal y la radiación de corriente de modo diferencial y la radiación de corriente de modo común.. La radiación del bucle es proporcional a la intensidad de la corriente y al área del bucle. De hecho,, El diseño no requiere reflow para cambiar el nivel de referencia, Pero sólo cambia de un lado del plano de referencia al otro.. Por ejemplo:, La combinación de capas de señal se puede utilizar como pares de capas de señal: capas 3 y 5, Quinto y séptimo piso, Capas 7 y 9, Esto permite que las direcciones este - oeste y Norte - Sur formen una combinación de cableado. Sin embargo, no debe utilizarse una combinación de las capas 3 y 9., Esto requiere una corriente de retorno de 4 a 8 capas. Aunque el condensador de desacoplamiento se puede colocar cerca del orificio, A altas frecuencias, los condensadores se vuelven inútiles debido a la presencia de plomo y sobreinductancia. Este cableado aumenta el área del bucle de señal, Esto no favorece la reducción de la radiación actual.
(3) Select the DC voltage for the reference plane layer. En este ejemplo, Hay mucho ruido en la fuente de alimentación./Debido a la alta velocidad de procesamiento de señales dentro del procesador, el pin de referencia de puesta a tierra. Así que..., Es importante utilizar condensadores de desacoplamiento para proporcionar el mismo voltaje DC al procesador, Y utilizar condensadores de desacoplamiento de la manera más eficiente posible. La forma de reducir la Inductancia de estos elementos es hacer que las trayectorias de conexión sean lo más cortas y anchas posible., Y hacer el orificio lo más corto y grueso posible. Si la capa 2 se especifica como "tierra", la capa 4 se especifica como la fuente de alimentación del procesador, La distancia entre el orificio y la capa superior en la que se coloca el procesador y el condensador de desacoplamiento debe ser lo más corta posible.. Los huecos restantes que se extienden a la parte inferior del tablero no contienen ninguna corriente significativa y no tienen efecto de antena a corta distancia..

2.2 The 20-H Rule and the 3-W Rule
In the electromagnetic compatibility design of multi-layer PCB Boards, Hay dos principios básicos para determinar la distancia entre la capa de alimentación y el borde de la bobina multiplaca y calcular la distancia entre las tiras de impresión: la regla 20 - H y la regla 3 - W.. Principio de 20 horas: debido a la conexión entre los flujos magnéticos, la corriente RF suele existir en el borde del plano de potencia. Este acoplamiento entre capas se llama efecto de borde. Cuando se utiliza lógica digital de alta velocidad y señales de reloj, La superficie dinámica interactuará. Corriente RF acoplada. Para reducir este impacto, 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), El efecto de borde de la fuente de alimentación suele ocurrir alrededor de 10 horas. Alrededor del 10% del flujo magnético está bloqueado, Si desea alcanzar el 98% del flujo magnético está bloqueado, Necesita un valor límite del 100%. La regla 20 - H determina la distancia física entre el plano de potencia y el plano de tierra más cercano, Incluido el espesor del cobre, Precargar, Capa aislante. El uso de 20 horas puede aumentar la frecuencia de resonancia del propio PCB.

Efecto de borde RF PCB Boards
3-W rule: When the distance between the two printed lines is small, Conversación cruzada electromagnética entre dos líneas, Esto causará un fallo del circuito relacionado. Para evitar esta interferencia, La distancia entre líneas no debe ser inferior a 3 veces. Ancho de línea, O () o, not less than 3W (W is the width of printed lines). El ancho de línea de impresión depende del requisito de impedancia de línea, El ancho excesivo puede afectar la densidad del cableado, Demasiado estrecho puede afectar la integridad e intensidad de la señal transmitida al terminal. Cableado de circuitos de reloj, Par diferencial, Y yo/Los puertos o son objetos básicos de aplicación del principio 3 - w. El principio de 3 - w sólo representa el límite de la línea de flujo electromagnético con una atenuación del 70% de la energía de conversación cruzada. Si es más exigente, Por ejemplo, la línea límite del flujo electromagnético garantiza una atenuación del 98% de la energía de conversación cruzada., Debe utilizarse un intervalo de 10 W.

2.3 Layout of the ground wire
First of all, Establecer el concepto de parámetros distribuidos, Más allá de una cierta frecuencia, Cualquier cable metálico debe considerarse un dispositivo de resistencia e Inductancia. Así que..., El cable de puesta a tierra tiene cierta impedancia y constituye un circuito eléctrico, Ya sea tierra de un solo punto o tierra de varios puntos, Debe formar un circuito de baja impedancia en el suelo real o en el marco. Una trayectoria típica de 25 mm de largo mostrará Inductancia de aproximadamente 15 a 20 ma, La presencia de Capacitancia distribuida formará un circuito de resonancia entre el suelo y el marco del equipo. Segundo, Cuando la corriente de tierra fluye a través del cable de tierra, Efecto de línea de transmisión y efecto de antena. Cuando la longitud de la línea es 1/4 longitudes de onda, Muestra alta Impedancia, El cable de tierra está abierto., El cable de tierra se convierte en una antena radiante., El suelo está lleno de corrientes de alta frecuencia y remolinos de perturbaciones. Así que..., Muchos bucles se forman entre los puntos de tierra, and the diameter of these loops (or ground point spacing) should be less than 1/Longitud de onda de frecuencia 20. La elección del equipo correcto es un factor importante para el éxito del diseño, Especialmente cuando se selecciona un dispositivo lógico, Elija dispositivos lógicos con un tiempo de subida superior a 5 NS en la medida de lo posible, No elija dispositivos lógicos que tengan una secuencia de tiempo más rápida de lo que el circuito requiere.

2.4 Arrangement of power cords
For multi-layer boards, Estructura de puesta a tierra de la capa de alimentación para el suministro de energía. La impedancia característica de esta estructura es mucho menor que el par orbital., Puede ser inferior a 1 isla. Esta estructura tiene cierta Capacitancia, Además, no es necesario añadir condensadores de desacoplamiento de alta frecuencia al lado de cada chip integrado. Incluso si la Capacitancia del condensador de capa no es suficiente, Cuando se requiere un condensador externo de desacoplamiento, No debe añadirse al lado del chip integrado, Pero se puede añadir a cualquier lugar en el tablero de impresión. El PIN de alimentación y el pin de puesta a tierra del chip integrado se pueden conectar directamente a la capa de alimentación y a la capa de puesta a tierra a través de agujeros metalizados., Por lo tanto, el circuito de alimentación siempre existe. Debido al principio de que la corriente siempre pasa a través de la trayectoria de impedancia, El reflujo de alta frecuencia en el suelo siempre sigue la pista, A menos que haya una brecha de tierra para detenerlo., Por lo tanto, el bucle de señal siempre existe. Por lo tanto, en comparación con la fuente de alimentación de ferrocarril a ferrocarril, la estructura de puesta a tierra de la capa de alimentación tiene las ventajas de un diseño simple y flexible y una buena compatibilidad electromagnética..

3. Conclusion
In short, En el diseño de estructuras multicapa PCB Boards, Los componentes se colocarán en grupos para evitar interferencias entre grupos; Los circuitos de alta velocidad deben estar razonablemente dispuestos para evitar interferencias con otros circuitos mediante acoplamiento eléctrico o magnético. Interferencia de acoplamiento de impedancia de tierra común; El área del Circuito de alimentación debe reducirse en cierta medida, Los circuitos de alimentación de diferentes fuentes de alimentación no deben superponerse para evitar el acoplamiento del campo magnético. Las líneas de señal incompatibles deben aislarse mutuamente para evitar interferencias de acoplamiento; Pequeña área de bucle de señal para reducir la radiación de bucle y la radiación de modo común PCB Board.