Tecnología PCBA - Soluciones EMI para el diseño de PCB multicapa

Hay muchas maneras de resolver el problema del emi. Los métodos modernos de supresión de EMI incluyen: el uso de recubrimientos de supresión de emi, la selección de piezas de repuesto adecuadas de supresión de emi, el diseño de simulación de emi, etc. este artículo comienza con la tela básica de PCB y discute el papel de la pila de PCB en la tecnología de control y diseño de radiación de emi.

Bus de alimentación de PCB

La colocación razonable de condensadores cerca del pin IC puede hacer que el salto de voltaje de salida del IC cambie rápidamente. Sin embargo, este no es el final del problema. Debido a la respuesta de frecuencia limitada de los condensadores, es imposible que los condensadores produzcan la Potencia armónica necesaria para conducir la salida IC de manera limpia en toda la banda de frecuencia. Además, el voltaje transitorio formado en el confluencia de potencia genera caídas de voltaje en ambos extremos del inductor en la ruta de desacoplamiento, que es la principal fuente de interferencia EMI de modo común. ¿¿ cómo debemos resolver estos problemas?

Hay muchas maneras de resolver el problema del emi. Los métodos modernos de supresión de EMI incluyen: el uso de recubrimientos de supresión de emi, la selección de piezas de repuesto adecuadas de supresión de emi, el diseño de simulación de emi, etc. este artículo comienza con la tela básica de PCB y discute el papel de la pila de PCB en la tecnología de control y diseño de radiación de emi.

Bus de alimentación

La colocación razonable de condensadores cerca del pin IC puede hacer que el salto de voltaje de salida del IC cambie rápidamente. Sin embargo, este no es el final del problema. Debido a la respuesta de frecuencia limitada de los condensadores, es imposible que los condensadores produzcan la Potencia armónica necesaria para conducir la salida IC de manera limpia en toda la banda de frecuencia. Además, el voltaje transitorio formado en el confluencia de potencia genera caídas de voltaje en ambos extremos del inductor en la ruta de desacoplamiento, que es la principal fuente de interferencia EMI de modo común. ¿¿ cómo debemos resolver estos problemas?

Para el IC en nuestra placa de circuito impreso, la capa de potencia alrededor del IC puede considerarse un buen capacitor de alta frecuencia, que puede recoger parte de la energía que se escapa de los condensadores discretos, que proporcionan energía de alta frecuencia para la salida limpia. Además, la buena capa de Potencia tiene una menor inducción, por lo que la señal instantánea sintetizada por la inducción es menor, lo que reduce el EMI de modo común.

Por supuesto, la conexión entre la capa de alimentación del PCB y el pin de alimentación del IC debe ser lo más corta posible, ya que las señales digitales suben cada vez más rápido, lo mejor es llegar directamente a la almohadilla donde se encuentra el pin de alimentación del ic, que se discutirá por separado.

Para controlar el EMI de modo común, la capa de Potencia debe ser un par de capas de potencia bien diseñadas para ayudar a desacoplar y tener una inducción lo suficientemente baja. ¿Alguien puede preguntarse, ¿ qué tan bueno es esto? La respuesta a esta pregunta depende de la capa de la fuente de alimentación, el material entre las capas y la frecuencia de trabajo (es decir, la función del tiempo de subida del ic). Por lo general, la brecha entre las capas de potencia es de 6 mils, y el entrepiso es de material fr4. La capacidad equivalente por pulgada cuadrada de la capa de potencia es de aproximadamente 75 PF. Obviamente, cuanto menor sea el espaciamiento de las capas, mayor será el capacitor.

No hay muchos dispositivos con un tiempo de subida entre 100 - 300ps, pero según la velocidad actual de desarrollo del ic, los dispositivos con un tiempo de subida entre 100 y 300ps representarán una gran proporción. Para circuitos con un tiempo de subida de 100 a 300ps, el espaciamiento de capas 3mil ya no es adecuado para la mayoría de las aplicaciones. En ese momento, era necesario utilizar la tecnología de capas con una distancia entre capas inferior a 1 milímetro y reemplazar el material dieléctrico fr4 por un material con una alta constante dieléctrica. Ahora, la cerámica y los plásticos cerámicos pueden cumplir con los requisitos de diseño de los circuitos de tiempo de subida de 100 a 300ps.

Aunque en el futuro pueden introducirse nuevos materiales y métodos, el EMI de modo común puede ser muy bajo para los circuitos de tiempo de subida de 1 a 3 ns, el espaciamiento de capas de 3 a 6 mils y el material dieléctrico fr4, que son comunes hoy en día, lo que suele ser suficiente para procesar armónicos de alta gama y mantener Las señales transitorias lo suficientemente bajas. El diseño de apilamiento de PCB dado en este artículo establece que el espacio entre las capas es de 3 a 6 milímetros.

Blindaje electromagnético de PCB

Desde el punto de vista del enrutamiento de la señal, una buena estrategia de estratificación debe ser colocar todas las rutas de la señal en una o más capas, adyacentes a la capa de alimentación o a la formación de tierra. Para la fuente de alimentación, una buena estrategia de estratificación debe ser que la capa de alimentación sea adyacente a la capa de tierra y que la distancia entre la capa de alimentación y la capa de tierra sea lo más pequeña posible. Esto es lo que llamamos una estrategia "jerárquica".

Apilamiento de PCB

¿¿ qué estrategias de apilamiento pueden ayudar a bloquear y inhibir el emi? El siguiente esquema de apilamiento estratificado asume que la corriente de potencia fluye en una sola capa y que un solo voltaje o múltiples voltaje se distribuyen en diferentes partes de la misma capa. Más tarde se discutirá la situación de varias capas de potencia.

Tablero de PCB de 4 capas

El diseño de cuatro pisos tiene varios problemas potenciales. En primer lugar, incluso si la capa de señal está fuera y la capa de alimentación y la formación de puesta a tierra están dentro, la brecha entre la capa de alimentación y la formación de puesta a tierra es demasiado grande.

Si los requisitos de costo son los primeros, considere las siguientes dos alternativas a los cuatro pisos tradicionales. Ambos pueden mejorar el rendimiento de inhibición del emi, pero solo cuando la densidad de los componentes en la placa es lo suficientemente baja y hay suficiente área alrededor de los componentes para colocar la fuente de alimentación cubierta de cobre necesaria.

El primero es el esquema preferido, en el que la capa exterior del PCB es una capa y la capa intermedia es la capa de señal / potencia. La fuente de alimentación en la capa de señal está conectada por una línea ancha, lo que hace que la resistencia de la ruta de la corriente de alimentación sea baja y la resistencia de la ruta de MICROSTRIP de la señal sea baja. Desde el punto de vista del control emi, esta es la mejor estructura de cuatro capas de PCB en la actualidad. El Segundo esquema utiliza capas exteriores e intermedias para vagar por la señal. En comparación con las placas de cuatro capas tradicionales, la mejora es menor, y la resistencia entre las capas es tan pobre como la de las placas de cuatro capas tradicionales.

Si se quiere controlar la resistencia de la línea, el esquema de apilamiento anterior coloca cuidadosamente la línea debajo de la fuente de alimentación y la isla de cobre de tierra. Además, las Islas de cobre de la fuente de alimentación o formación deben estar lo más estrechamente interconectadas posible para garantizar las conexiones de corriente continua y baja frecuencia.

Tablero de PCB de 6 capas

Si la densidad de componentes en los paneles de 4 capas es alta, es mejor usar los paneles de 6 capas. Sin embargo, algunos de los esquemas de apilamiento en el diseño de paneles de seis capas no protegen adecuadamente los campos magnéticos y tienen poco impacto en la reducción de las señales transitorias del bus eléctrico. A continuación se discutirán dos ejemplos.

El primer ejemplo coloca la fuente de alimentación y el suelo en las capas 2 y 5, respectivamente, lo que es muy desfavorable para el control de la radiación EMI de modo común debido a la alta resistencia de cobre de la fuente de alimentación. Sin embargo, este método es muy correcto desde el punto de vista del control de resistencia de la señal.

En el segundo ejemplo, la fuente de alimentación y el suelo se colocan en las capas 3 y 4, respectivamente. Este diseño resuelve el problema de la resistencia cubierta de cobre de la fuente de alimentación. Debido al bajo rendimiento de blindaje electromagnético de las capas 1 y 6, el EMI de modo diferencial aumenta. Si el número de líneas de señal en las dos capas exteriores es mínimo, la longitud de la línea es muy corta (menos de 1 / 20 de la longitud de onda armónica máxima de la señal). Este diseño resuelve el problema del EMI de modo diferencial. La colocación de cobre en áreas externas no componentes y no cableado y la puesta a tierra de áreas cubiertas de cobre (cada veinte intervalos de longitud de onda) inhiben especialmente bien el EMI de modo diferencial. Como se mencionó anteriormente, el área de colocación de cobre debe asociarse con múltiples puntos de formación de contacto interno.

El diseño universal de seis capas de alto rendimiento suele colocar las capas 1 y 6 en la formación, y las capas 3 y 4 están electrificadas y fundamentadas. La inhibición del EMI es excelente, ya que hay dos líneas de señal de doble MICROSTRIP centradas entre la capa de potencia y la capa adyacente. La desventaja de este diseño es que solo hay dos capas en la capa de línea. Como se mencionó anteriormente, si la capa exterior es más corta y el cobre se coloca en la zona inalámbrica, se utiliza el tradicional 6. Las capas también pueden lograr la misma pila.

Otro diseño de seis niveles es la señal, la puesta a tierra, la señal, la fuente de alimentación, la puesta a tierra y la señal, lo que permite el entorno necesario para el diseño avanzado de integridad de la señal. La capa de señal es adyacente a la capa de puesta a tierra, y la capa de potencia y la capa de interfaz están emparejadas. Obviamente, la desventaja es que la pila de capas es desequilibrada.

Esto suele conducir a problemas de procesamiento y fabricación. La solución es llenar todas las zonas en blanco de la tercera capa con cobre, que se puede considerar flojo como una placa de circuito con equilibrio estructural si la densidad de cobre de la tercera capa se acerca a la capa de alimentación o a la formación de tierra. El área rellena de cobre debe estar conectada a la fuente de alimentación o al suelo. La distancia entre los agujeros de conexión sigue siendo 1 / 20 de la longitud de onda y no siempre está conectada en ningún lugar. Conexión, pero es mejor conectarse.

Tablero de PCB de 10 capas

Debido a que las capas de aislamiento entre las capas son muy delgadas, la resistencia entre las 10 o 12 capas de la placa de circuito y estas capas es muy baja, y siempre que estas capas y capas no tengan fallas, se puede esperar perfectamente una buena integridad de la señal. Es más difícil procesar 12 capas con un grosor de 62 mil y hay menos fabricantes capaces de procesar 12 capas.

Debido a que siempre hay una capa aislante entre la capa de señal y la capa de anillo, no es óptimo asignar 6 capas en el medio del diseño de 10 capas para caminar a lo largo de la línea de señal. Además, es importante que la capa de señal sea adyacente a la capa de anillo, es decir, la disposición de la placa es señal, tierra, señal, señal, tierra, señal.

Este diseño proporciona un buen camino para la corriente de la señal y su corriente de circuito. La estrategia de cableado adecuada es que la primera capa siga la dirección x, la tercera siga la dirección y, la cuarta siga la dirección X y así sucesivamente. visualmente, las capas 1 y 3 son un par de capas, las capas 4 y 7 son una capa y las capas 8 y 10 son el último par de capas. Cuando necesitas cambiar la dirección de la línea, la línea de señal de la primera capa debe cambiar la dirección a través de una "perforación" después de la Tercera capa. De hecho, esto puede no ser siempre posible, pero como concepto de diseño, debe mantenerse tanto como sea posible.

Del mismo modo, cuando la dirección de la señal cambia, la señal debe ser desviada de las capas 8 y 10 o 4 a la capa 7 a través de agujeros. Este cableado garantiza que el acoplamiento entre la ruta positiva de la señal y el bucle sea el más estrecho. Por ejemplo, si la señal está en la primera capa, mientras que el bucle está en la segunda capa y solo en la segunda, la señal en la primera capa aparecerá incluso a través del "agujero". pasando a la Tercera capa, el circuito permanece en la segunda etapa, lo que mantiene las características de baja inducción, gran capacidad y buen rendimiento de blindaje electromagnético.

¿Y si no es así? Por ejemplo, el cable de señal de la primera capa pasa por el agujero hasta la capa 10, y luego la señal del anillo debe buscar el plano de tierra desde la capa 9, y la corriente del anillo debe encontrar el suelo más cercano a través del agujero (por ejemplo, el pin de tierra de un elemento como una resistencia o un capacitor). Sería realmente afortunado que hubiera tal agujero cerca. Sin tales agujeros cercanos, la inducción aumentará, la capacidad disminuirá y el EMI aumentará.

Cuando la línea de señalización debe salir del par actual de capas a través del agujero a otras capas, el agujero de tierra debe colocarse cerca del agujero para que la señal del anillo pueda volver sin problemas a la capa de conexión adecuada. Para las capas 4 y 7, el bucle de señal provendrá de la capa de alimentación o de la formación de conexión (es decir, la capa 5 o 6), ya que el acoplamiento capacitivo entre la capa de alimentación y la capa de interfaz es bueno y la señal es fácil de transmitir.

Diseño de múltiples capas de energía

Si las dos capas de alimentación de la misma fuente de tensión necesitan producir una gran corriente, la placa de circuito debe dividirse en dos grupos de capas de alimentación y capas de conexión. En este caso, la capa aislante se coloca entre cada par de capas de potencia y capas de conexión. Esto conduce a una fusión de potencia de dos pares de impedancias iguales, como esperábamos. Si la pila de capas de potencia provoca una resistencia desigual, la desviación será desigual. El voltaje transitorio es mucho mayor y el EMI ha aumentado drásticamente.

Si hay varios voltaje de alimentación con diferentes valores en la placa de circuito, se necesitan varias capas de alimentación en consecuencia, recuerde que cada par de capas de alimentación y capas de conexión se crean para diferentes fuentes de alimentación. En ambos casos, al determinar la ubicación de las capas de alimentación y conexión emparejadas en la placa de circuito, recuerde los requisitos del fabricante para la estructura de equilibrio.

Resumen

Debido a que la mayoría de los ingenieros diseñan placas de circuito impreso con un grosor de 62 milímetros, sin agujeros ciegos ni enterrados, la discusión sobre la estratificación y apilamiento de PCB se limita a esto. Para las placas de circuito con grandes diferencias de espesor, el esquema de estratificación recomendado en este artículo puede no ser ideal. Además, debido a los diferentes procesos de procesamiento de placas de circuito impreso con agujeros ciegos o enterrados, el método de estratificación propuesto en este artículo no es aplicable.