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Blogue PCB
Conception du câblage des PCB multicouches EMC
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Conception du câblage des PCB multicouches EMC

Conception du câblage des PCB multicouches EMC

2022-02-25
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Author:pcb

In Circuits imprimés,it is very important to consider the electromagnetic compatibility (EMC) design in the circuit design stage. Prenons l'exemple de (1)((2)) plaques stratifiées, the layering method, Règles de câblage, ground and power line layout, Compatibilité électromagnétique. Electromagnetic compatibility is an emerging comprehensive subject, Recherche sur l'interférence électromagnétique et l'anti - interférence. Electromagnetic compatibility means that under the specified electromagnetic environment level, L'indice de performance de l'équipement ou du système électronique ne sera pas réduit en raison de l'interférence électromagnétique, and the electromagnetic radiation generated by them itself is not greater than the limited limit level, N'affecte pas le fonctionnement normal des autres systèmes. And to achieve the purpose of non-interference between equipment and equipment, Systèmes et institutions, common and reliable work. Electromagnetic interference (EMI) is caused by the electromagnetic interference source transferring energy to the sensitive system through the coupling path. It includes three basic forms: conduction by wire and common ground, Rayonnement spatial ou couplage en champ proche. Practice has proved that even if the circuit schematic design is correct and the printed circuit board is improperly designed, Cela nuira à la fiabilité de l'électronique. Alors..., Assurer la compatibilité électromagnétique des circuits imprimés est la clé de la conception de l'ensemble du système. This article mainly discusses electromagnetic compatibility. Technologie et son application dans la conception de multicouches Circuits imprimés.

Circuits imprimés

The PCB board Est le support des composants et dispositifs de circuit dans les produits électroniques. Il fournit une connexion électrique entre les composants du circuit et l'équipement, Est un élément essentiel de tout type d'équipement électronique. Nowadays, Les circuits intégrés à grande échelle et à très grande échelle ont été largement utilisés dans les équipements électroniques., and the mounting density of components on Circuits imprimés De plus en plus haut, and the transmission speed of signals is getting faster and faster. Les problèmes de CEM prennent également de l'importance. PCB boards are divided into single-sided (single-layer boards), double-sided (double-layer boards) and multi-layer boards. Single-sided and double-sided boards are generally used for low- and medium-density wiring circuits and circuits with low integration, Le câblage haute densité et les circuits intégrés élevés sont utilisés dans les circuits multicouches. From the perspective of electromagnetic compatibility, Les circuits recto - verso et recto - verso ne conviennent pas aux circuits à grande vitesse, and single-sided and double-sided wiring can no longer meet the requirements of high-performance circuits, Le développement de circuits de câblage multicouches offre la possibilité de résoudre les problèmes susmentionnés.. Applications are becoming more and more widespread.

1. Characteristics of multi-layer wiring
The PCB board Composé de matériaux diélectriques organiques et inorganiques à structure multicouche. La connexion entre les couches est réalisée par des trous, and the electrical signal conduction between the layers can be achieved by plating or filling the vias with metal materials. 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 couche d'alimentation électrique peut être utilisée comme boucle de bruit pour réduire les interférences; En même temps, the power supply layer also provides a loop for all signals of the system to eliminate common impedance coupling interference. L'impédance du cordon d'alimentation est réduite, thereby reducing the common impedance interference.
(2) The multi-layer board adopts a special ground layer, which has a special ground wire for all signal lines. Caractéristiques de la ligne de signal: impédance stable et correspondance facile, which reduces the waveform distortion caused by reflection; at the same time, Utiliser un fil de terre spécial. La couche de ligne augmente la capacité de distribution entre la ligne de signal et la ligne de terre, Réduire les échanges,

2. Conception de stratifiés composites Circuits imprimés
2.1. Règles de câblage des câbles PCB board
Electromagnetic compatibility analysis of multilayer circuit boards can be based on Kirchhoff's law and Faraday's law of electromagnetic induction. Selon la loi de Kirchhoff, Toute transmission du signal du Domaine temporel de la source à la charge doit avoir un chemin d'impédance. PCB boardDans le système ferroviaire à grande vitesse, les câbles hélicoïdaux multicouches sont souvent utilisés, high-performance systems, where multiple layers are used for direct current (DC) power or ground reference planes. These planes are usually solid planes without any divisions, Parce qu'il y a assez de couches pour l'alimentation électrique ou le niveau du sol, so there is no need to put different DC voltages on the same layer. Cette couche sera la trajectoire de retour actuelle du signal sur la ligne de transmission adjacente. Creating a low impedance current return path is an important EMC goal for these planar layers. La couche de signal est répartie entre les couches du plan de référence physique, and they can be either symmetric striplines or asymmetric striplines. La structure et la disposition des panneaux multicouches sont illustrées à l'aide d'un exemple de 12 panneaux multicouches.. Its hierarchical structure is T - P - S - P - S - P - S - P - S - S - P - B, "T" est le niveau supérieur, "P" est le niveau du plan de référence, "S" is the signal layer, "B" est le bas. From the top layer to the bottom layer are the first layer, Deuxième étage, and the 12th layer. Les couches supérieure et inférieure servent de coussin pour les composants, and signals should not travel too long on the top and bottom layers in order to reduce direct radiation from traces. Les lignes de signalisation incompatibles doivent être isolées les unes des autres., Le but est d'éviter les interférences de couplage mutuel. High frequency and low frequency, Grands et petits courants, digital and analog signal lines are incompatible. Dans la disposition des composants, the incompatible components should be placed in different positions on the printed board, La disposition des lignes de signalisation reste nécessaire. Faites attention à les isoler.. When designing, pay attention to the following 3 issues:
(1) Determine which reference plane layer will contain multiple power regions for different DC voltages. Assuming multiple DC voltages on layer 11, Cela signifie que les concepteurs doivent garder les signaux à grande vitesse aussi loin que possible du niveau 10 et du niveau inférieur., because return current cannot flow through the reference plane above layer 10, Condensateur à coudre nécessaire, 3rd , 5, 7 and 9 are the signal layers for high-speed signals, Séparément.. The traces of important signals should be routed in one direction as much as possible in order to optimize the possible number of trace channels on the layer. Les trajectoires des signaux distribués sur différentes couches doivent être perpendiculaires les unes aux autres., which can reduce the coupling interference of electric and magnetic fields between the lines. Les niveaux 3 et 7 peuvent être réglés sur la piste est - Ouest, while the 5th and 9th layers can be set as "east-west" traces. Parcours nord - Sud. Which layer the trace is routed on depends on the direction in which it reaches its destination.
(2) Layer changes when routing high-speed signals, and which different layers are used for an independent routing, S'assurer que le courant de retour s'écoule d'un plan de référence vers le nouveau plan de référence requis. This is to reduce the signal loop area and reduce the differential mode current radiation and common mode current radiation of the loop. Le rayonnement de la boucle est proportionnel à l'intensité du courant et à la surface de la boucle. In fact, La conception ne nécessite pas de reflux pour modifier le niveau de référence, but simply changes from one side of the reference plane to the other. Par exemple:, a combination of signal layers can be used as a signal layer pair: Layer 3 and Layer 5, Cinquième et septième niveaux, Layer 7 and Layer 9, Cela permet une combinaison de câblage est - Ouest et Nord - Sud. But the combination of layers 3 and 9 should not be used, Parce que cela nécessite un courant de retour de la couche 4 à la couche 8. Although a decoupling capacitor can be placed near the via, À haute fréquence, les condensateurs deviennent inutiles en raison de la présence de plomb et d'inductance excessive. Ce câblage augmente la surface de la boucle de signal, which is disadvantageous to reduce the current radiation.
(3) Select the DC voltage for the reference plane layer. In this example, Il y a beaucoup de bruit sur l'alimentation électrique/ground reference pins due to the high speed of signal processing inside the processor. Alors..., it is very important to use decoupling capacitors to provide the same DC voltage to the processor, Et utiliser le condensateur de découplage aussi efficacement que possible. The way to reduce the inductance of these components is to keep the connection traces as short and wide as possible, Le trou de travers doit être aussi court et aussi épais que possible.. If layer 2 is assigned as "ground" and layer 4 is assigned as power for the processor, La distance entre le trou de travers et la couche supérieure où le processeur et le condensateur de découplage sont placés doit être aussi courte que possible.. The void remainder extending to the bottom layer of the board does not contain any significant current and the short distance does not have an antenna effect.

2.2 The 20-H Rule and the 3-W Rule
In the electromagnetic compatibility design of multi-layer PCB boards, there are two basic principles to determine the distance between the power layer and the edge of the multi-layer board and to solve the distance between the printed strips: the 20-H rule and the 3-W rule. Principe de 20 heures: en raison de la connexion entre les flux magnétiques, le courant RF est généralement présent au bord du plan de puissance. This coupling between layers is called the edge effect. Lorsque la logique numérique à grande vitesse et le signal d'horloge sont utilisés, the power planes will interact with each other. Courant RF couplé. In order to reduce this effect, 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), and the edge effect of the power supply usually occurs at about 10H. Environ 10% du flux est bloqué, if you want to achieve 98% of the magnetic flux is blocked, Vous avez besoin d'une valeur limite de 100%. The 20-H rule determines the physical distance between the power plane and the nearest ground plane, Y compris l'épaisseur du cuivre, prefill, Et isolation. L'utilisation de 20 heures peut augmenter la fréquence de résonance du PCB lui - même.

RF edge effects on PCB boards
3-W rule: When the distance between the two printed lines is small, electromagnetic crosstalk will occur between the two lines, Cela provoquera une défaillance du circuit associé. To avoid this interference, La distance entre les lignes ne doit pas être inférieure à 3 fois. Poids de ligne, that is, not less than 3W (W is the width of printed lines). The printed line width depends on the line impedance requirements, Une largeur excessive affecte la densité du câblage, too narrow will affect the integrity and strength of the signal transmitted to the terminal. Câblage des circuits d'horloge, differential pairs, Et moi/O ports are all basic application objects of the 3-W principle. Le principe 3 - W ne représente que la limite de la ligne de flux électromagnétique avec une atténuation de 70% de l'énergie de crosstalk. Si la demande est plus élevée, such as the boundary line of the electromagnetic flux that guarantees the crosstalk energy attenuation by 98%, Un intervalle de 10W doit être utilisé.

2.3 Layout of the ground wire
First of all, to establish the concept of distributed parameters, Plus d'une certaine fréquence, any metal wire should be regarded as a device composed of resistance and inductance. Alors..., the ground lead has a certain impedance and constitutes an electrical loop, Qu'il s'agisse d'une mise à la terre en un seul point ou d'une mise à la terre en plusieurs points, it must form a low-impedance loop into the real ground or rack. Une piste typique de 25 mm de long affichera une inductance d'environ 15 à 20 ma, and the presence of distributed capacitance will form a resonant circuit between the ground plane and the equipment rack. Deuxième, when ground current flows through the ground wire, L'effet de ligne de transmission et l'effet d'antenne se produisent. When the length of the line is 1/4 longueurs d'onde, it shows a high impedance, Le fil de terre est en fait ouvert, Le fil de terre devient une antenne rayonnante, and the ground plate is full of high-frequency currents and eddy currents formed by disturbance. Therefore, many loops are formed between ground points, and the diameter of these loops (or ground point spacing) should be less than 1/20 longueurs d'onde de fréquence. Choosing the right device is an important factor for the success of the design, En particulier lors de la sélection d'un périphérique logique, try to choose a logic device with a rise time longer than 5ns, Ne sélectionnez pas les dispositifs logiques dont la séquence temporelle est plus rapide que celle requise par le circuit.

2.4 Arrangement of power cords
For multi-layer boards, Structure de mise à la terre de la couche d'alimentation électrique pour l'alimentation électrique. L'impédance caractéristique de cette structure est beaucoup plus faible que celle de la paire orbitale, Peut être inférieur à 1 Î. Cette structure a une certaine capacité, and it is not necessary to add high-frequency decoupling capacitors next to each integrated chip. Même si la capacité du condensateur de couche n'est pas suffisante, when an external decoupling capacitor is required, Il ne doit pas être ajouté à côté de la puce intégrée, but can be added anywhere on the printed board. La goupille d'alimentation et la goupille de mise à la terre de la puce intégrée peuvent être directement connectées à la couche d'alimentation et à la couche de mise à la Terre par des trous métallisés., Par conséquent, le circuit d'alimentation est toujours présent. Due to the principle of "current always takes the impedance path", Le courant de retour à haute fréquence au sol suit toujours la trajectoire, unless there is a ground gap to block it, Donc la boucle de signal est toujours là. It can be seen that the power layer-ground structure has the advantages of simple and flexible layout and good electromagnetic compatibility compared with the power supply of the rail pair.

3. Conclusion
In short, Dans la conception de structures multicouches PCB boards, Les composants doivent être placés en groupes pour éviter toute interférence entre les groupes; Les circuits à grande vitesse doivent être disposés de manière à éviter toute interférence avec d'autres circuits par couplage de champ électrique ou magnétique; Interférence couplée de l'impédance du fil de terre commun; La zone du circuit d'alimentation doit être réduite dans une certaine mesure, and the power supply loops of different power supplies should not overlap to avoid magnetic field coupling; incompatible signal lines should be isolated from each other to avoid coupling interference; Small signal loop area to reduce loop radiation and common mode radiation on PCB board.