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Technologie PCB
Comment résoudre le problème de l'interférence électromagnétique dans la conception de PCB multicouches
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Comment résoudre le problème de l'interférence électromagnétique dans la conception de PCB multicouches

Comment résoudre le problème de l'interférence électromagnétique dans la conception de PCB multicouches

2021-08-16
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Author:ipcb

There are many ways to solve EMI problems. Modern EMI suppression methods include: using EMI suppression coatings, Sélectionner le composant de suppression EMI approprié, Simulation d'interférence électromagnétique Conception. Starting from the most basic Disposition des Circuits imprimés, Cet article discute de son rôle Conception techniques of Circuits imprimés Contrôle de la superposition hiérarchique des rayonnements EMI.


Pouvoir bus


Un condensateur d'une capacité appropriée près de la goupille d'alimentation de l'IC permet un changement rapide de la tension de sortie de l'IC. Toutefois, la question n'est pas terminée. En raison de la réponse en fréquence limitée du condensateur, celui - ci n'est pas en mesure de produire la puissance harmonique nécessaire pour une sortie IC propre à pleine bande. De plus, la tension transitoire générée sur le bus d'alimentation provoquera une chute de tension sur l'inducteur de la trajectoire de découplage. Ces tensions transitoires sont les principales sources d'interférence EMI en mode commun. Comment résoudre ces problèmes?


Pour ce qui est de l'IC sur nos circuits imprimés, la couche d'alimentation autour de l'IC peut être considérée comme un excellent condensateur à haute fréquence qui peut recueillir une partie de l'énergie qui fuit des condensateurs discrets et fournir de l'énergie à haute fréquence pour une sortie propre. De plus, l'inductance d'une bonne couche de puissance doit être faible, de sorte que le Signal transitoire synthétisé par l'inductance est également faible, ce qui réduit l'EMI en mode commun.


Bien entendu, la connexion entre la couche d'alimentation et les broches d'alimentation IC doit être aussi courte que possible, car le bord ascendant du Signal numérique est de plus en plus rapide, de préférence directement relié au PAD où se trouvent les broches d'alimentation IC. Cela doit être discuté séparément.


Pour contrôler l'EMI en mode commun, le tableau d'alimentation doit faciliter le découplage et avoir une inductance suffisamment faible. Le tableau d'alimentation doit être une paire de tableaux d'alimentation bien conçus. On pourrait se demander, à quel point c'est bon? La réponse à cette question dépend de la stratification de l'alimentation électrique, du matériau intercalaire et de la fréquence de fonctionnement (c. - à - D. en fonction du temps de montée de l'IC). En général, les couches d'alimentation sont espacées de 6 mils, les couches intermédiaires sont en fr4 et la capacité équivalente par pouce carré de la couche d'alimentation est d'environ 75 PF. De toute évidence, plus l'espacement des couches est petit, plus la capacité est grande.

Il n'y a pas beaucoup d'appareils dont le temps de montée est compris entre 100 et 300 PS, mais les appareils dont le temps de montée est compris entre 100 et 300 PS représenteront une grande proportion selon le rythme actuel de développement de l'IC. Pour les circuits dont le temps de montée est de 100 à 300 PS, l'espacement des couches de 3 Mil ne sera plus disponible pour la plupart des applications. À ce moment - là, il était nécessaire d'utiliser une technique de délamination avec un espacement des couches inférieur à 1 Mil et de remplacer le matériau diélectrique fr4 par un matériau à haute permittivité. Les céramiques et les plastiques céramiques peuvent maintenant répondre aux exigences de conception des circuits à temps de montée de 100 à 300 ps.


Bien que de nouveaux matériaux et de nouvelles méthodes puissent être utilisés à l'avenir, pour les circuits à temps de montée de 1 à 3 NS, les espacements de 3 à 6 mils et les matériaux diélectriques fr4 qui sont courants aujourd'hui, ils sont généralement suffisants pour traiter les harmoniques haut de gamme et pour réduire suffisamment le Signal transitoire, c'est - à - dire que l'EMI en mode commun peut être réduit à des niveaux très faibles. L'exemple de conception de l'empilement stratifié des BPC donné dans cet article suppose un espacement de 3 à 6 mils entre les couches.


Blindage électromagnétique


Du point de vue de la trajectoire du signal, a good layering strategy should be to put all signal traces on one or several layers, Ces couches sont adjacentes à la couche de puissance ou à la couche de sol. Alimentation électrique, Une bonne stratégie de stratification est que la couche d'alimentation électrique est adjacente à la couche de sol, La distance entre le niveau d'alimentation et le niveau du sol doit être aussi petite que possible.. C'est ce qu'on appelle une stratégie à plusieurs niveaux..


Circuits imprimés stacking


What stacking strategy helps to shield and suppress EMI? Le schéma de superposition hiérarchique suivant suppose que le courant d'alimentation circule sur une seule couche, Une ou plusieurs tensions sont réparties sur différentes parties d'une même couche. The case of multiple Niveau de puissance will be discussTemps de décollage estimé later.

ATL

Plaque à quatre couches


Il existe plusieurs problèmes potentiels dans la conception des circuits imprimés à quatre niveaux. Tout d'abord, l'épaisseur traditionnelle de la plaque à quatre couches de 62 millimètres, même si la couche de signal est à l'extérieur, la couche d'alimentation et la couche de mise à la terre sont à l'intérieur, la distance entre la couche d'alimentation et la couche de mise à la terre est encore trop grande.


Si l'exigence de coût est la première, vous pouvez envisager les deux solutions de rechange traditionnelles aux panneaux à 4 étages suivantes. Les deux solutions améliorent les performances de suppression EMI, mais elles ne s'appliquent qu'aux applications où la densité des composants sur la carte de circuit est suffisamment faible et la zone autour des composants est suffisante pour placer la couche de cuivre d'alimentation requise.


Le premier est la solution préférée. La couche externe du Circuits imprimés est la couche de mise à la terre et les deux couches intermédiaires sont la couche signal / alimentation. L'alimentation électrique de la couche de signal adopte un large câblage, de sorte que l'impédance de trajectoire du courant d'alimentation est plus faible, et l'impédance de trajectoire du Microstrip de signal est également plus faible. Du point de vue du contrôle EMI, il s'agit de la meilleure structure à 4 couches de Circuits imprimés. Dans le deuxième scénario, la couche externe utilise l'alimentation électrique et la mise à la terre, et les deux couches intermédiaires utilisent le signal. Par rapport à la plaque traditionnelle à 4 couches, l'amélioration est plus faible et l'impédance entre les couches est aussi faible que celle de la plaque traditionnelle à 4 couches.


Si l'impédance de la trace doit être contrôlée, le schéma d'empilage ci - dessus doit être très prudent afin de placer la trace sous l'île de cuivre d'alimentation et de mise à la terre. En outre, les îlots de cuivre sur les niveaux d'alimentation électrique ou de surface doivent être interconnectés dans la mesure du possible pour assurer des connexions en courant continu et à basse fréquence.


Plaque à six couches


Si la densité des composants est relativement élevée sur la plaque à 4 couches, a 6-layer board is best. Cependant,, some stacking schemes in the 6-layer board Conception Pas assez pour protéger le champ électromagnétique, Peu d'effet sur la réduction du signal transitoire du bus d'alimentation. Two examples are discussed below.


Dans le premier exemple, l'alimentation électrique et la mise à la terre sont situées aux deuxième et cinquième niveaux, respectivement. En raison de la Haute impédance en cuivre de l'alimentation électrique, il est très défavorable au contrôle du rayonnement EMI en mode commun. Cependant, du point de vue du contrôle de l'impédance du signal, cette approche est très correcte.


Dans le deuxième exemple, l'alimentation électrique et la mise à la terre sont situées aux troisième et quatrième niveaux, respectivement. La conception résout le problème de l'impédance en cuivre de l'alimentation électrique. L'EMI en mode différentiel augmente en raison de la faible performance de blindage électromagnétique des couches 1 et 6. La conception peut résoudre le problème EMI en mode différentiel si le nombre de lignes de signal sur les deux couches extérieures est minimal et que la longueur de la piste est courte (inférieure à 1 / 20 de la longueur d'onde harmonique maximale du signal). Remplir la couche externe d'une zone de revêtement en cuivre sans élément ni trace et la mettre à la Terre (à intervalles de 1 / 20 de longueur d'onde), ce qui est particulièrement bon pour supprimer l'EMI en mode différentiel. Comme nous l'avons mentionné précédemment, il est nécessaire de relier la zone de cuivre au plan interne de mise à la terre à plusieurs points.


Conception universelle de panneaux à 6 étages haute performance en général, les premier et sixième étages servent de plancher et les troisième et quatrième couches sont utilisées pour l'alimentation électrique et le sol. Comme il y a deux couches de ligne de signal Microstrip à double couche entre la couche d'alimentation et la couche de mise à la terre, la capacité de suppression EMI est très bonne. L'inconvénient de cette conception est qu'il n'y a que deux couches de routage. Comme nous l'avons mentionné précédemment, si les traces extérieures sont courtes et que le cuivre est posé dans une zone exempte de traces, la même pile peut également être réalisée à l'aide de panneaux traditionnels à 6 couches.


Une autre disposition à six couches est le signal, le sol, le signal, l'alimentation électrique, le sol, le signal, qui peut réaliser l'environnement nécessaire à la conception avancée de l'intégrité du signal. La couche de signal est adjacente à la couche de sol et la couche d'alimentation électrique est jumelée à la couche de sol. De toute évidence, l'inconvénient est que les couches sont empilées de façon déséquilibrée.


Cela crée souvent des problèmes dans l'industrie manufacturière. La solution consiste à remplir toutes les zones vides de la troisième couche de cuivre. Après le remplissage du cuivre, si la densité de cuivre de la troisième couche est proche de la couche d'alimentation ou de la couche de sol, la carte de circuit ne peut pas être considérée strictement comme une carte de circuit d'équilibrage structurel. Les zones remplies de cuivre doivent être raccordées à l'alimentation électrique ou au sol. La distance entre les trous de raccordement est encore de 1 / 20 de longueur d'onde et il n'est peut - être pas nécessaire de se connecter partout, mais il devrait être connecté idéalement.


10 stratifiés


L'impédance entre les couches 10 ou 12 de la carte de circuit est très faible en raison de l'isolation très mince entre les couches. Tant qu'il n'y a pas de problème avec la stratification et la superposition, une excellente intégrité du signal peut être obtenue. Il est plus difficile de fabriquer des tôles de 12 couches d'une épaisseur de 62 mils et il n'y a pas beaucoup de fabricants capables de traiter des tôles de 12 couches.


Étant donné qu'il y a toujours une couche isolante entre la couche signal et la couche boucle, la solution consistant à assigner une couche intermédiaire de 6 couches pour acheminer les lignes de signal n'est pas optimale dans une conception de carte à 10 couches. En outre, il est important que la couche de signal soit adjacente à la couche de boucle, c'est - à - dire que la disposition de la carte de circuit est le signal, la mise à la terre, le signal, le signal, l'alimentation électrique, la mise à la terre, le signal, le signal, la mise à la terre et le signal.


La conception fournit un bon canal pour le courant de signal et le courant de boucle. La bonne stratégie de routage est de Router dans la direction X sur la première couche, y sur la troisième couche, X sur la quatrième couche, et ainsi de suite. Intuitivement, les couches 1 et 3 sont une paire de combinaisons de couches, les couches 4 et 7 sont une paire de combinaisons de couches, et les couches 8 et 10 sont la dernière paire de combinaisons de couches. Lorsqu'il est nécessaire de changer la direction du câblage, le fil de signalisation de la première couche doit passer par le « trou de travers» jusqu'à la troisième couche, puis changer la direction. En fait, cela n'est peut - être pas toujours possible, mais en tant que concept de conception, il doit être suivi autant que possible.


De même, lorsque la direction d'acheminement du signal change, il doit passer par les couches 8 et 10 ou de la couche 4 à la couche 7. Ce câblage assure le couplage le plus étroit entre la trajectoire avant du signal et la boucle. Par exemple, si le signal est acheminé à la première couche, la boucle à la deuxième couche et seulement à la deuxième couche, le signal de la première couche est transmis à la troisième couche par un « trou à travers ». La boucle est encore dans la deuxième couche pour maintenir une faible inductance, une grande capacité et une bonne performance de blindage électromagnétique.


Et si le câblage réel n'est pas comme ça? Par exemple, la ligne de signal sur la première couche passe par le trou de travers jusqu'à la dixième couche, puis le signal de boucle doit trouver le sol à partir de la neuvième couche, et le courant de boucle doit trouver le trou de travers le plus proche (par exemple, la goupille de mise à la terre d'un élément tel qu'une résistance ou un condensateur). S'il se trouve qu'il y a un tel accès dans le voisinage, vous avez de la chance. Sans un tel passage, l'inductance serait plus grande, la capacité diminuerait et l'interférence électromagnétique augmenterait certainement.


Lorsqu'un fil de signalisation doit passer d'une paire de couches de câblage actuelles à d'autres couches de câblage, un trou de mise à la terre doit être placé près du trou de passage afin que le signal de boucle puisse revenir en douceur à la couche de mise à la terre appropriée. Pour les combinaisons stratifiées des couches 4 et 7, la boucle de signal revient de la couche d'alimentation ou de la couche de sol (c. - à - D. la couche 5 ou la couche 6) parce que le couplage capacitif entre la couche d'alimentation et la couche de sol est bon et que le signal est facile à transmettre.


Conception Multi - niveaux


Si deux couches d'alimentation de la même source de tension doivent produire un courant élevé, the circuit board should be laid out into two sets of power layers and Au sol layers. In this case, Placer une couche d'isolation entre chaque paire de couches d'alimentation et de sol. In this way, Nous avons obtenu deux paires de barres d'alimentation d'impédance égale qui séparent le courant désiré. If the stacking of the power layers causes the impedance to be unequal, Distribution inégale, the transient voltage will be much larger, L'IME va augmenter considérablement.


S'il y a plusieurs valeurs différentes de tension d'alimentation sur la carte de circuit, plusieurs couches d'alimentation sont nécessaires. N'oubliez pas de créer vos propres paires d'alimentation et de sol pour différentes sources d'alimentation. Dans les deux cas, gardez à l'esprit les exigences du fabricant concernant la structure d'équilibrage lors de la détermination de l'emplacement des couches d'alimentation et de mise à la terre jumelées sur la carte de circuit.


Résumé


Étant donné que la plupart des circuits imprimés Conceptioned by engineers are traditional printed circuit boards with a thickness of 62 mils and no blind or buried vias, La discussion sur la stratification et l'empilage des circuits imprimés dans cet article se limite à ce qui suit:. For circuit boards with large differences in thickness, Le schéma de stratification recommandé dans cet article peut ne pas être idéal. In addition, Les circuits imprimés avec trous aveugles ou enfouis sont traités différemment, L'approche hiérarchique présentée dans le présent document ne s'applique pas.


Épaisseur, via process and the number of layers in the circuit board Conception Ce n'est pas la clé.. Good layered stacking is to ensure the bypass and decoupling of the power bus and minimize the transient voltage on the power layer or ground layer. La clé du blindage du signal et du champ électromagnétique de puissance. Ideally, Il doit y avoir une isolation entre la couche de routage du signal et la couche de retour au sol., and the paired layer spacing (or more than one pair) should be as small as possible. Based on these basic concepts and principles, Une carte de circuit, toujours capable de satisfaire Conception requirements can be Conceptioned. Now that the rise time of IC is very short and will be shorter, Les techniques discutées dans cet article sont essentielles pour résoudre le problème du blindage EMI.