Notizie PCB - Progettazione di cavi basati sulla tecnologia di compatibilità elettromagnetica

La compatibilità elettromagnetica (compatibilità elettromagnetica, EMC in breve) è una disciplina globale emergente, che studia principalmente le interferenze elettromagnetiche e i problemi anti-interferenza. Compatibilità elettromagnetica significa che l'apparecchiatura o il sistema elettronico non riduce l'indice di prestazione a causa di interferenze elettromagnetiche sotto il livello specificato dell'ambiente elettromagnetico e che la radiazione elettromagnetica da essi generata non è superiore al livello limite limitato e non influisce sul normale funzionamento di altri sistemi. E raggiungere l'obiettivo di non interferenza tra attrezzature e attrezzature, sistema e sistema, e lavorare insieme in modo affidabile. L'interferenza elettromagnetica (EMI) è causata da fonti di interferenza elettromagnetica che trasmettono energia a sistemi sensibili attraverso percorsi di accoppiamento. Comprende tre forme di base: conduzione da fili e fili pubblici di terra, e attraverso radiazione spaziale o accoppiamento vicino-campo. La pratica ha dimostrato che anche se lo schema del circuito è progettato correttamente e il circuito stampato non è progettato correttamente, avrà un effetto negativo sull'affidabilità delle apparecchiature elettroniche. Pertanto, garantire la compatibilità elettromagnetica del circuito stampato è la chiave per l'intero design del sistema. Questo articolo discute principalmente la tecnologia di compatibilità elettromagnetica e la sua applicazione nella progettazione di circuiti stampati multistrato (circuito stampato, PCB per breve). L'articolo è citato da Shenzhen Honglijie Electronics!

La scheda PCB è il supporto di componenti e dispositivi del circuito in prodotti elettronici. Fornisce collegamenti elettrici tra componenti e dispositivi del circuito ed è il componente più base di varie apparecchiature elettroniche. Al giorno d'oggi, circuiti integrati su larga scala e su larga scala sono stati ampiamente utilizzati nelle apparecchiature elettroniche e la densità di montaggio dei componenti sui circuiti stampati sta diventando sempre più elevata e la velocità di trasmissione del segnale sta diventando sempre più veloce. I problemi EMC sono diventati sempre più evidenti. PCB ha scheda a un lato (scheda a uno strato), scheda a due lati (scheda a doppio strato) e scheda a più strati. I pannelli singoli e doppi sono generalmente utilizzati per circuiti di cablaggio a bassa e media densità e circuiti a bassa integrazione, e le schede multistrato utilizzano cavi ad alta densità e circuiti ad alta integrazione. Dal punto di vista della compatibilità elettromagnetica, schede monofacciali e bifacciali non sono adatte per circuiti ad alta velocità. I cavi monofacciali e bifacciali non possono più soddisfare i requisiti dei circuiti ad alte prestazioni. Lo sviluppo di circuiti di cablaggio multistrato offre la possibilità di risolvere i problemi di cui sopra. L'applicazione diventa sempre più estesa.

1 Caratteristiche del cablaggio multistrato

Il PCB è composto da materiali dielettrici organici e inorganici con una struttura multistrato. Le connessioni tra gli strati sono realizzate tramite fori. I fori di via sono placcati o riempiti con materiali metallici per realizzare la conduzione del segnale elettrico tra gli strati. Il motivo per cui il cablaggio multistrato è stato ampiamente utilizzato ha le seguenti caratteristiche:

(1) Uno strato di potere dedicato e uno strato di messa a terra sono forniti all'interno della scheda multistrato. Lo strato di potere può essere utilizzato come ciclo di rumore per ridurre le interferenze; Allo stesso tempo, lo strato di potenza fornisce anche un loop per tutti i segnali nel sistema per eliminare le interferenze comuni di accoppiamento di impedenza. Ridurre l'impedenza della linea di alimentazione, riducendo così l'interferenza di impedenza comune.

(2) La scheda multistrato utilizza uno strato speciale di messa a terra e ci sono cavi speciali di messa a terra per tutte le linee di segnale. Le caratteristiche della linea del segnale: impedenza stabile e facile corrispondenza, riducendo la distorsione della forma d'onda causata dalla riflessione; Allo stesso tempo, l'uso di uno speciale strato di terra aumenta la capacità distribuita tra la linea del segnale e la linea di terra e riduce la crosstalk.

2 Progettazione laminata del circuito stampato

2.1 Norme di cablaggio PCB

L'analisi della compatibilità elettromagnetica dei circuiti stampati multistrato può essere basata sulla legge di Kirchhoff e sulla legge di Faraday sull'induzione elettromagnetica. Secondo la legge di Kirchhoff, qualsiasi segnale di dominio temporale dalla sorgente al carico deve avere un percorso con la più bassa impedenza.

I PCB con più strati sono spesso utilizzati in sistemi ad alta velocità e ad alte prestazioni, dove più strati sono utilizzati per l'alimentazione a corrente continua (DC) o piani di riferimento a terra. Questi piani sono solitamente piani solidi senza alcuna divisione, perché ci sono abbastanza strati per potenza o terra, quindi non c'è bisogno di mettere tensioni DC diverse sullo stesso strato. Questo livello sarà utilizzato come percorso di ritorno della corrente per i segnali sulle linee di trasmissione adiacenti ad esse. Costruire percorsi di ritorno della corrente a bassa impedenza è l'obiettivo EMC più importante di questi strati piani.

Gli strati del segnale sono distribuiti tra gli strati fisici del piano di riferimento e possono essere stripline simmetriche e stripline asimmetriche. Prendete come esempio una scheda a 12 strati per illustrare la struttura e il layout della scheda multistrato. La struttura stratificata è T-P-S-P-S-P-S-S-P-S-P-B, "T" è lo strato superiore, "P" è lo strato piano di riferimento e "S" è lo strato del segnale. "B" è lo strato inferiore. Dal livello superiore allo strato inferiore sono il primo strato, il secondo strato e il dodicesimo strato. Gli strati superiore e inferiore sono utilizzati come pad per i componenti. I segnali non devono essere trasmessi troppo a lungo tra gli strati superiore e inferiore per ridurre la radiazione diretta dalle tracce. Le linee di segnale incompatibili dovrebbero essere isolate l'una dall'altra. Lo scopo di questo è evitare interferenze di accoppiamento tra loro. Le linee di segnale digitali e analogiche ad alta frequenza e bassa frequenza, alta corrente e piccola corrente sono incompatibili. Nel layout dei componenti, i componenti incompatibili dovrebbero essere posizionati in posizioni diverse sulla scheda stampata. Il layout delle linee di segnale è ancora necessario. Fai attenzione a isolarli. Prestare attenzione ai seguenti 3 problemi durante la progettazione:

(1) Determinare quale livello piano di riferimento conterrà più regioni di alimentazione per diverse tensioni CC. Supponendo che l'undicesimo strato abbia tensioni CC multiple, significa che il progettista deve tenere il segnale ad alta velocità il più lontano possibile dal decimo strato e dallo strato inferiore, perché la corrente di ritorno non può scorrere attraverso il piano di riferimento sopra il decimo strato e sono necessari condensatori di cucitura. I livelli 5, 7 e 9 sono livelli di segnale per segnali ad alta velocità. Le tracce di segnali importanti dovrebbero essere disposte in una direzione il più possibile per ottimizzare il numero di possibili canali di traccia sullo strato. Le tracce di segnale distribuite su diversi strati dovrebbero essere perpendicolari l'uno all'altro, il che può ridurre l'interferenza di accoppiamento dei campi elettrici e magnetici tra le linee. Il terzo e il settimo livello possono essere impostati come tracce "est-ovest", mentre il quinto e il nono livello sono impostati Route le linee per "nord e sud". Lo strato del panno di routing dipende dalla direzione in cui raggiunge la destinazione.

(2) Cambiamenti di livello durante l'instradamento del segnale ad alta velocità e quali livelli diversi sono utilizzati per un instradamento indipendente, per garantire che la corrente di ritorno fluisca da un piano di riferimento a un nuovo piano di riferimento, se necessario. Ciò è per ridurre l'area del loop del segnale e ridurre la radiazione di corrente differenziale del loop e la radiazione corrente di modo comune. La radiazione del ciclo è proporzionale all'intensità della corrente e all'area del ciclo. Infatti, la migliore progettazione non richiede la corrente di ritorno per cambiare il piano di riferimento, ma semplicemente cambia da un lato all'altro del piano di riferimento. Ad esempio, una combinazione di livelli di segnale può essere utilizzata come coppie di livelli di segnale: livello 3 e livello 5, livello 5 e livello 7, livello 7 e livello 9, che consente una direzione est-ovest e una direzione nord-sud di formare una combinazione di cavi. Ma la combinazione di strato 3 e strato 9 non dovrebbe essere utilizzata, perché questo richiede che la corrente di ritorno fluisca dal livello 4 al livello 8. Anche se un condensatore di disaccoppiamento può essere posizionato vicino alla via, alle alte frequenze, il condensatore è inutile per la presenza di piombo e per via induttanza. E questo tipo di cablaggio aumenterà l'area del ciclo di segnale, che è sfavorevole per ridurre la radiazione corrente.

(3) Selezionare la tensione CC per lo strato piano di riferimento. In questo esempio, a causa dell'alta velocità di elaborazione del segnale all'interno del processore, c'è un sacco di rumore sul pin di riferimento potenza / terra. Pertanto, è molto importante utilizzare condensatori di disaccoppiamento per fornire la stessa tensione CC al processore e utilizzare condensatori di disaccoppiamento nel modo più efficiente possibile. Il modo migliore per ridurre l'induttanza di questi componenti è collegare le tracce il più brevi e larghe possibile e rendere le vie il più corte e spesse possibile.

Se il secondo strato è assegnato come "terra" e il quarto strato è assegnato come alimentatore del processore, i vias dovrebbero essere il più brevi possibile dallo strato superiore in cui sono posizionati il processore e i condensatori di disaccoppiamento. La parte restante dello spazio che si estende allo strato inferiore della scheda non contiene correnti importanti e la breve distanza non ha un effetto antenna. La tabella 1 elenca la configurazione di riferimento del layout di progettazione impilato.

2.2 Regola 20-H e regola 3-W

Nella progettazione di compatibilità elettromagnetica della scheda PCB multistrato, ci sono due principi di base per determinare la distanza tra lo strato di potenza della scheda multistrato e il bordo e per risolvere la distanza tra le strisce stampate: regola 20-H e regola 3-W.

Principio 20-H: A causa della connessione tra il flusso magnetico, la corrente RF di solito esiste al bordo del piano di potenza. Questo accoppiamento inter-strato è chiamato effetto bordo. Quando vengono utilizzati segnali di logica digitale ad alta velocità e clock, i piani di potenza interagiscono tra loro. Accoppiare la corrente RF, come mostrato nella Figura 1. Per ridurre questo effetto, la dimensione fisica del piano di potenza dovrebbe essere almeno 20H più piccola della dimensione fisica più vicina al piano di terra (H è la distanza tra il piano di potenza e il piano di terra). L'effetto bordo dell'alimentazione elettrica di solito si verifica a circa 10H, 20H Quando circa il 10% del flusso magnetico è bloccato, se si desidera ottenere il 98% del flusso magnetico è bloccato, è necessario un valore limite del 100%, come mostrato nella Figura 1. La regola 20-H determina la distanza fisica tra il piano di potenza e il piano di terra più vicino. Questa distanza include lo spessore del rame, il pre-riempimento e lo strato di separazione isolante. Utilizzando 20-H può aumentare la frequenza di risonanza del PCB stesso. Regola 3-W: Quando la distanza tra due linee stampate è piccola, si verificherà crosstalk elettromagnetico tra le due linee, che causerà il malfunzionamento del circuito correlato. Per evitare questa interferenza, mantenere qualsiasi spaziatura di linea non inferiore a 3 volte la larghezza della linea di stampa, cioè non inferiore a 3 W (W è la larghezza della linea stampata). La larghezza della linea stampata dipende dai requisiti di impedenza della linea. Troppo ampio influenzerà la densità del cablaggio e troppo stretto influenzerà l'integrità e la forza del segnale trasmesso al terminale. Il cablaggio di circuiti di clock, coppie differenziali e porte I/O sono tutti oggetti di applicazione base del principio 3-W. Il principio 3-W rappresenta solo il limite della linea di flusso elettromagnetico alla quale l'energia crosstalk si attenua del 70%. Se i requisiti sono più elevati, ad esempio la linea di confine del flusso elettromagnetico in cui l'attenuazione dell'energia crosstalk è attenuata del 98%, l'intervallo di 10W deve essere adottato.

2.3 la disposizione del filo di terra

Prima di tutto, dobbiamo stabilire il concetto di parametri distribuiti. Quando la frequenza è superiore a una certa frequenza, qualsiasi filo metallico deve essere considerato un dispositivo composto da resistenza e induttanza. Pertanto, il cavo di messa a terra ha una certa impedenza e costituisce un ciclo elettrico. Che si tratti di messa a terra a un punto singolo o di messa a terra a più punti, deve formare un ciclo a bassa impedenza per entrare nel terreno reale o rack. Una tipica linea stampata con una lunghezza di 25mm mostrerà circa 15-20nH induttanza. Insieme alla presenza di capacità distribuita, si formerà un circuito risonante tra la piastra di terra e il rack dell'attrezzatura. In secondo luogo, quando la corrente di terra scorre attraverso la linea di terra, produrrà l'effetto della linea di trasmissione e l'effetto dell'antenna. Quando la lunghezza della linea è di 1/4 lunghezza d'onda, mostra un'elevata impedenza, il filo di messa a terra è in realtà un circuito aperto e il filo di messa a terra diventa invece un'antenna che irradia verso l'esterno. Infine, la piastra di messa a terra è riempita di correnti vorticose formate da correnti ad alta frequenza e disturbi. Pertanto, molti cicli si formano tra i punti di messa a terra. Il diametro di questi cicli (o la distanza tra i punti di messa a terra) dovrebbe essere inferiore a 1/20 della lunghezza d'onda della frequenza più alta. La scelta del dispositivo giusto è un fattore importante per il successo del design. Soprattutto quando si sceglie un dispositivo logico, provare a scegliere un dispositivo logico con un tempo di salita più lungo di 5ns. Non scegliere mai un dispositivo logico con una tempistica più veloce di quanto il circuito richieda.

2.4 La disposizione del cavo di alimentazione

Per le schede multistrato, la struttura dello strato strato-terra dell'alimentazione elettrica viene utilizzata per l'alimentazione elettrica. L'impedenza caratteristica di questa struttura è molto più piccola di quella della coppia di binari, che può essere inferiore a 1Ω. Questa struttura ha una certa capacità e non c'è bisogno di aggiungere condensatori di disaccoppiamento ad alta frequenza accanto a ogni chip integrato. Anche se la capacità del condensatore di strato non è sufficiente, quando è necessario un condensatore di disaccoppiamento esterno, non dovrebbe essere aggiunto accanto al chip integrato, ma può essere aggiunto ovunque sulla scheda stampata. Il perno di alimentazione e il perno di massa del chip integrato possono essere collegati direttamente allo strato di alimentazione e allo strato di terra attraverso fori metallizzati, in modo che il ciclo di alimentazione è sempre il più piccolo. A causa del principio di "corrente sempre prendendo il percorso di minore impedenza", il flusso di ritorno ad alta frequenza a terra corre sempre vicino alla pista, a meno che non vi sia una barriera per bloccare il terreno, quindi il ciclo di segnale è sempre il più piccolo. Si può vedere che la struttura strato di potenza-strato ha i vantaggi di layout semplice e flessibile e di buona compatibilità elettromagnetica rispetto all'alimentazione della traiettoria.