Thông tin PCB - Thiết kế dây bảng mạch PCB nhiều lớp tương thích điện từ

Trong các bảng mạch PCB, điều rất quan trọng là phải xem xét thiết kế tương thích điện từ (EMC) trong giai đoạn thiết kế mạch. Lấy bảng 12 lớp làm ví dụ, phương pháp phân lớp, quy tắc đi dây, cách bố trí mặt đất và đường dây điện, và khả năng tương thích điện từ. Tương thích điện từ là một môn học toàn diện mới nổi, chủ yếu nghiên cứu các vấn đề về nhiễu điện từ và chống nhiễu. Tương thích điện từ trường có nghĩa là dưới mức môi trường điện từ quy định, chỉ số hoạt động của thiết bị hoặc hệ thống điện tử sẽ không bị giảm do nhiễu điện từ và bức xạ điện từ do chính chúng tạo ra không lớn hơn mức giới hạn cho phép, điều này không ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của các hệ thống khác. Và để đạt được mục đích không can thiệp giữa thiết bị và thiết bị, hệ thống và hệ thống, công việc chung và đáng tin cậy. Nhiễu điện từ (EMI) là do nguồn nhiễu điện từ truyền năng lượng đến hệ thống nhạy cảm thông qua con đường ghép nối. Nó bao gồm ba hình thức cơ bản: dẫn truyền bằng dây và nối đất chung, bức xạ không gian hoặc ghép trường gần. Thực tiễn đã chứng minh rằng ngay cả khi thiết kế sơ đồ mạch điện là đúng và bảng mạch in được thiết kế không đúng cách cũng sẽ ảnh hưởng xấu đến độ tin cậy của thiết bị điện tử. Do đó, đảm bảo tính tương thích điện từ của bảng mạch in là chìa khóa cho toàn bộ thiết kế hệ thống. Bài viết này chủ yếu thảo luận về khả năng tương thích điện từ. Công nghệ và ứng dụng của nó trong thiết kế bảng mạch in nhiều lớp.

Bảng mạch PCB là giá đỡ của các thành phần mạch và thiết bị trong các sản phẩm điện tử. Nó cung cấp các kết nối điện giữa các thành phần mạch và thiết bị, và là thành phần cơ bản của các thiết bị điện tử khác nhau. Ngày nay, các mạch tích hợp quy mô lớn và quy mô rất lớn đã được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, mật độ gắn kết các linh kiện trên bảng mạch in ngày càng cao, tốc độ truyền tín hiệu ngày càng nhanh. Các vấn đề về EMC cũng ngày càng trở nên nổi cộm hơn. Bảng PCB được chia thành bảng một mặt (bảng một lớp), hai mặt (bảng hai lớp) và bảng nhiều lớp. Bảng một mặt và hai mặt thường được sử dụng cho các mạch đi dây mật độ thấp và trung bình và các mạch có tích hợp thấp, và bảng nhiều lớp sử dụng hệ thống dây mật độ cao và các mạch có tích hợp cao. Từ quan điểm tương thích điện từ, mạch một phía và hai phía không phù hợp với mạch tốc độ cao, và hệ thống dây một phía và hai phía không còn có thể đáp ứng các yêu cầu của mạch hiệu suất cao, và sự phát triển của đa -lớp nối dây cung cấp một khả năng để giải quyết các vấn đề trên. Ứng dụng ngày càng trở nên rộng rãi hơn.

1. Đặc điểm của hệ thống dây điện nhiều lớp
Bảng PCB được cấu tạo từ các vật liệu điện môi hữu cơ và vô cơ với cấu trúc nhiều lớp. Kết nối giữa các lớp được thực hiện thông qua vias, và sự dẫn truyền tín hiệu điện giữa các lớp có thể đạt được bằng cách mạ hoặc lấp đầy các vias bằng vật liệu kim loại. Lý do tại sao hệ thống dây điện nhiều lớp được sử dụng rộng rãi có những đặc điểm sau:
(1) Có lớp cấp nguồn đặc biệt và lớp dây nối đất bên trong bảng nhiều lớp. Lớp cấp nguồn có thể được sử dụng như một vòng nhiễu để giảm nhiễu; Đồng thời, tầng cấp nguồn cũng tạo mạch vòng cho tất cả các tín hiệu của hệ thống để loại bỏ nhiễu ghép trở kháng thông thường. Trở kháng của đường dây cung cấp điện được giảm xuống, do đó làm giảm nhiễu trở kháng thông thường.
(2) Bảng nhiều lớp sử dụng lớp nối đất đặc biệt, lớp này có dây nối đất đặc biệt cho tất cả các đường tín hiệu. Các đặc tính của đường tín hiệu: trở kháng ổn định và dễ phối ghép, giúp giảm hiện tượng méo dạng sóng do phản xạ gây ra; đồng thời, một dây nối đất đặc biệt được sử dụng. Lớp đường dây làm tăng điện dung phân bố giữa đường tín hiệu và đường đất, giảm nhiễu xuyên âm.

2. Thiết kế laminate của bảng mạch in
2.1 Quy tắc đấu dây của bảng mạch PCB
Phân tích khả năng tương thích điện từ của bảng mạch nhiều lớp có thể dựa trên định luật Kirchhoff và định luật cảm ứng điện từ Faraday. Theo định luật Kirchhoff, bất kỳ quá trình truyền tín hiệu miền thời gian nào từ nguồn đến tải đều phải có một đường trở kháng. Bảng mạch PCB có nhiều lớp thường được sử dụng trong các hệ thống tốc độ cao, hiệu suất cao, trong đó nhiều lớp được sử dụng cho nguồn điện một chiều (DC) hoặc các mặt phẳng tham chiếu mặt đất. Các mặt phẳng này thường là các mặt phẳng đặc không có bất kỳ vạch chia nào, vì có đủ các lớp để được sử dụng làm nguồn điện hoặc mặt đất, do đó không cần đặt các điện áp DC khác nhau trên cùng một lớp. Lớp này sẽ đóng vai trò là đường trở lại hiện tại cho các tín hiệu trên các đường truyền gần kề với chúng. Tạo một đường trở lại dòng điện trở kháng thấp là một mục tiêu quan trọng của EMC đối với các lớp phẳng này. Các lớp tín hiệu được phân bố giữa các lớp mặt phẳng tham chiếu vật lý và chúng có thể là đường dải đối xứng hoặc đường dải không đối xứng. Lấy bảng 12 lớp làm ví dụ minh họa cấu trúc và cách bố trí của bảng nhiều lớp. Cấu trúc phân cấp của nó là T - P - S - P - S - P - S - P - S - S - P - B, "T" là lớp trên cùng, "P" là lớp mặt phẳng tham chiếu, "S" là lớp tín hiệu, "B" là lớp dưới cùng. Từ lớp trên cùng đến lớp dưới cùng là lớp đầu tiên, lớp thứ hai và lớp thứ 12. Các lớp trên cùng và dưới cùng được sử dụng làm tấm đệm cho các thành phần và tín hiệu không được di chuyển quá lâu trên các lớp trên và dưới để giảm bức xạ trực tiếp từ các vết. Các đường tín hiệu không tương thích nên được cách ly với nhau, mục đích là để tránh nhiễu ghép nối với nhau. Tần số cao và tần số thấp, dòng điện lớn và dòng điện nhỏ, đường tín hiệu kỹ thuật số và tín hiệu tương tự không tương thích. Trong cách bố trí thành phần, các thành phần không tương thích nên được đặt ở các vị trí khác nhau trên bảng in, và việc bố trí các đường tín hiệu vẫn cần thiết. Chú ý cách ly chúng. Khi thiết kế cần chú ý 3 vấn đề sau:
(1) Xác định lớp mặt phẳng tham chiếu nào sẽ chứa nhiều vùng nguồn cho các điện áp DC khác nhau. Giả sử có nhiều điện áp DC trên lớp 11, điều này có nghĩa là các nhà thiết kế phải giữ các tín hiệu tốc độ cao càng xa càng tốt từ lớp 10 và lớp dưới cùng, vì dòng điện trở lại không thể chạy qua mặt phẳng tham chiếu trên lớp 10 và các tụ điện khâu là bắt buộc, Tầng 3, 5, 7 và 9 lần lượt là các tầng tín hiệu cho tín hiệu tốc độ cao. Các dấu vết của các tín hiệu quan trọng nên được định tuyến theo một hướng càng nhiều càng tốt để tối ưu hóa số lượng các kênh dấu vết có thể có trên lớp. Các dấu vết tín hiệu phân bố trên các lớp khác nhau nên vuông góc với nhau, điều này có thể làm giảm nhiễu ghép nối của điện trường và từ trường giữa các đường dây. Lớp thứ 3 và thứ 7 có thể được đặt là dấu vết "đông-tây", trong khi lớp thứ 5 và 9 có thể được đặt làm dấu vết "đông tây". Chạy dòng cho "Bắc-Nam". Dấu vết được định tuyến ở lớp nào phụ thuộc vào hướng mà nó đến đích.
(2) Lớp thay đổi khi định tuyến tín hiệu tốc độ cao và lớp khác nhau nào được sử dụng cho một định tuyến độc lập, để đảm bảo rằng dòng điện trở lại chảy từ một mặt phẳng tham chiếu sang mặt phẳng tham chiếu mới cần thiết. Điều này là để giảm diện tích vòng lặp tín hiệu và giảm bức xạ dòng chế độ vi sai và bức xạ dòng điện chế độ chung của vòng lặp. Bức xạ vòng tỷ lệ với cường độ dòng điện và diện tích vòng lặp. Trên thực tế, thiết kế không yêu cầu dòng điện trở lại để thay đổi mặt phẳng tham chiếu, mà chỉ đơn giản là thay đổi từ mặt này sang mặt phẳng tham chiếu khác. Ví dụ: sự kết hợp của các lớp tín hiệu có thể được sử dụng như một cặp lớp tín hiệu: Lớp 3 và Lớp 5, Lớp 5 và Lớp 7, Lớp 7 và Lớp 9, cho phép tạo thành dây theo hướng đông tây và bắc nam. sự kết hợp. Nhưng sự kết hợp của lớp 3 và lớp 9 không nên được sử dụng, vì điều này yêu cầu dòng điện trở lại chạy từ lớp 4 đến lớp 8. Mặc dù một tụ điện tách có thể được đặt gần qua, nhưng ở tần số cao, tụ điện trở nên vô dụng bởi sự hiện diện của dẫn và qua điện cảm. Và loại dây này sẽ làm tăng diện tích của vòng tín hiệu, bất lợi là làm giảm bức xạ hiện tại.
(3) Chọn điện áp DC cho lớp mặt phẳng tham chiếu. Trong ví dụ này, có rất nhiều nhiễu trên các chân tham chiếu nguồn / mặt đất do tốc độ xử lý tín hiệu bên trong bộ xử lý cao. Do đó, điều rất quan trọng là sử dụng tụ điện tách để cung cấp cùng một điện áp DC cho bộ xử lý và sử dụng tụ điện tách hiệu quả nhất có thể. Cách để giảm độ tự cảm của các thành phần này là giữ cho các dấu vết kết nối càng ngắn và rộng càng tốt, và giữ cho các vias càng ngắn và dày càng tốt. Nếu lớp 2 được chỉ định là "mặt đất" và lớp 4 được chỉ định làm nguồn cho bộ xử lý, thì vias phải càng ngắn càng tốt từ lớp trên cùng nơi đặt bộ xử lý và các tụ điện tách rời. Khoảng trống còn lại kéo dài đến lớp dưới cùng của bảng không chứa bất kỳ dòng điện đáng kể nào và khoảng cách ngắn không có hiệu ứng ăng-ten.

2.2 Quy tắc 20-H và Quy tắc 3-W
Trong thiết kế tương thích điện từ của bảng PCB nhiều lớp, có hai nguyên tắc cơ bản để xác định khoảng cách giữa lớp nguồn và mép của bảng nhiều lớp và để giải quyết khoảng cách giữa các dải được in: quy tắc 20-H và quy tắc 3-W. Nguyên lý 20-H: Dòng điện RF thường tồn tại ở rìa của mặt phẳng công suất do sự kết nối giữa các từ thông. Sự ghép nối này giữa các lớp được gọi là hiệu ứng cạnh. Khi sử dụng tín hiệu đồng hồ và logic kỹ thuật số tốc độ cao, các mặt phẳng công suất sẽ tương tác với nhau. dòng điện RF ghép nối. Để giảm hiệu ứng này, kích thước vật lý của mặt phẳng công suất phải nhỏ hơn kích thước vật lý gần với mặt đất ít nhất 20H (H là khoảng cách giữa mặt phẳng công suất và mặt phẳng đất), và hiệu ứng cạnh của nguồn điện thường xảy ra ở khoảng 10H. Khoảng 10% từ thông bị chặn, muốn đạt 98% từ thông bị chặn thì cần giá trị biên là 100%. Quy tắc 20-H xác định khoảng cách vật lý giữa mặt phẳng nguồn và mặt đất gần nhất, bao gồm độ dày đồng, lớp phủ trước và các lớp ngăn cách cách điện. Sử dụng 20-H có thể làm tăng tần số cộng hưởng của chính PCB.

Hiệu ứng cạnh RF trên bảng mạch PCB
Quy tắc 3-W: Khi khoảng cách giữa hai dòng in nhỏ, nhiễu xuyên âm điện từ sẽ xảy ra giữa hai dòng, điều này sẽ làm cho mạch liên quan bị trục trặc. Để tránh hiện tượng nhiễu này, khoảng cách giữa các dòng bất kỳ nên được giữ không ít hơn 3 lần. Chiều rộng dòng, nghĩa là, không nhỏ hơn 3W (W là chiều rộng của dòng in). Chiều rộng đường in phụ thuộc vào yêu cầu trở kháng đường truyền, quá rộng sẽ ảnh hưởng đến mật độ dây dẫn, quá hẹp sẽ ảnh hưởng đến tính toàn vẹn và cường độ của tín hiệu truyền đến thiết bị đầu cuối. Hệ thống dây của mạch đồng hồ, cặp vi sai và cổng I / O đều là những đối tượng ứng dụng cơ bản của nguyên lý 3-W. Nguyên tắc 3-W chỉ thể hiện ranh giới của đường thông lượng điện từ tại đó năng lượng xuyên âm bị suy giảm 70%. Nếu các yêu cầu cao hơn, chẳng hạn như đường giới hạn của thông lượng điện từ đảm bảo sự suy giảm năng lượng xuyên âm 98%, thì phải sử dụng khoảng thời gian 10W.

2.3 Cách bố trí của dây nối đất
Trước hết, để thiết lập khái niệm về các thông số phân bố, trên một tần số nhất định, bất kỳ dây kim loại nào cũng phải được coi là một thiết bị bao gồm điện trở và điện cảm. Do đó, dây nối đất có một trở kháng nhất định và tạo thành một vòng điện, cho dù là nối đất một điểm hay nối đất nhiều điểm, nó phải tạo thành một vòng trở kháng thấp vào đất thực hoặc giá đỡ. Một dấu vết điển hình dài 25mm sẽ thể hiện độ tự cảm khoảng 15 đến 20nH và sự hiện diện của điện dung phân bố sẽ tạo thành mạch cộng hưởng giữa mặt đất và giá đỡ thiết bị. Thứ hai, khi dòng đất chạy qua dây nối đất, hiệu ứng đường truyền và hiệu ứng ăng ten xảy ra. Khi chiều dài của dây bằng 1/4 bước sóng, nó cho thấy trở kháng cao, dây nối đất thực sự mở, và dây nối đất trở thành một ăng-ten bức xạ ra bên ngoài, và bản mặt đất chứa đầy dòng điện cao tần và dòng điện xoáy. hình thành bởi sự xáo trộn. Do đó, nhiều vòng lặp được hình thành giữa các điểm trên mặt đất và đường kính của các vòng này (hoặc khoảng cách giữa các điểm trên mặt đất) phải nhỏ hơn 1/20 bước sóng tần số. Chọn thiết bị phù hợp là một yếu tố quan trọng cho sự thành công của thiết kế, đặc biệt khi chọn thiết bị logic, hãy cố gắng chọn thiết bị logic có thời gian tăng dài hơn 5ns, và không bao giờ chọn thiết bị logic có trình tự thời gian nhanh hơn mạch. đòi hỏi.

2.4 Bố trí dây nguồn
Đối với bo mạch nhiều lớp, cấu trúc lớp tiếp đất của bộ cấp nguồn được sử dụng để cấp nguồn. Trở kháng đặc trưng của cấu trúc này nhỏ hơn nhiều so với trở kháng của cặp rãnh, có thể nhỏ hơn 1Ω. Cấu trúc này có một điện dung nhất định, và không cần thiết phải thêm các tụ tách tần cao bên cạnh mỗi chip tích hợp. Ngay cả khi điện dung của tụ lớp không đủ, khi cần thêm tụ tách bên ngoài, không nên thêm nó bên cạnh chip tích hợp mà có thể thêm vào bất cứ đâu trên bảng in. Các chân nguồn và chân nối đất của chip tích hợp có thể được kết nối trực tiếp với lớp cấp nguồn và lớp nối đất thông qua kim loại hóa thông qua các lỗ, do đó, vòng cung cấp điện luôn ở đó. Do nguyên tắc "dòng điện luôn đi theo đường trở kháng", dòng trở lại cao tần trên mặt đất luôn đi theo vết, trừ khi có khe hở mặt đất để chặn nó, do đó, vòng lặp tín hiệu luôn ở đó. Có thể thấy, kết cấu tầng nguồn - đất có ưu điểm là bố trí đơn giản, linh hoạt và khả năng tương thích điện từ tốt so với nguồn cấp điện theo cặp ray.

3. Kết luận
Nói tóm lại, trong thiết kế bảng mạch PCB nhiều lớp, các thành phần nên được đặt theo nhóm để ngăn chặn sự can thiệp giữa các nhóm; Các mạch tốc độ cao cần được bố trí hợp lý để tránh nhiễu với các mạch khác thông qua ghép điện trường hoặc ghép từ trường; Nhiễu ghép trở kháng đường đất chung; Diện tích của vòng cung cấp điện nên giảm đến một mức độ nhất định, và các vòng cấp điện của các bộ nguồn khác nhau không được chồng lên nhau để tránh ghép từ trường; Các đường tín hiệu không tương thích nên được cách ly với nhau để tránh nhiễu ghép nối; Diện tích vòng lặp tín hiệu nhỏ để giảm bức xạ vòng lặp và bức xạ chế độ phổ biến trên bảng mạch PCB.