Công nghệ PCB - Giải pháp EMI trong thiết kế bảng mạch

Những chiến lược xếp chồng bảng mạch nào giúp bảo vệ và ức chế EMI Kế hoạch xếp chồng lớp sau đây giả định rằng dòng điện chảy qua một lớp duy nhất, với một hoặc nhiều điện áp phân phối ở các phần khác nhau của cùng một lớp. Trường hợp của nhiều lớp cung cấp điện sẽ được thảo luận sau này.

Bảng mạch 4 lớp

Có một số vấn đề tiềm năng với thiết kế bảng 4 lớp. Trước hết, bảng bốn lớp truyền thống với độ dày 62 mils, ngay cả khi lớp tín hiệu nằm trên lớp bên ngoài, và lớp điện và mặt đất nằm trên lớp bên trong, khoảng cách giữa lớp điện và lớp mặt đất vẫn quá lớn.

Nếu yêu cầu chi phí là đầu tiên, bạn có thể xem xét hai lựa chọn thay thế bảng 4 lớp truyền thống sau. Cả hai giải pháp này có thể cải thiện hiệu suất ức chế EMI, nhưng chúng chỉ phù hợp cho các ứng dụng mà mật độ thành phần trên bảng đủ thấp và có đủ diện tích xung quanh các thành phần (đặt lớp đồng cung cấp điện cần thiết).

Đầu tiên là giải pháp ưa thích. Các lớp bên ngoài của PCB là lớp mặt đất, và hai lớp giữa là lớp tín hiệu / điện. Cung cấp điện trên lớp tín hiệu được định tuyến với một đường rộng, có thể làm cho trở kháng đường dẫn của dòng điện cung cấp thấp, và trở kháng của đường dẫn microstrip tín hiệu cũng thấp. Từ quan điểm kiểm soát EMI, đây là cấu trúc PCB 4 lớp tốt nhất có sẵn. Trong lớp thứ hai, lớp bên ngoài sử dụng điện và mặt đất, và hai lớp giữa sử dụng tín hiệu. So với bảng 4 lớp truyền thống, sự cải thiện nhỏ hơn và trở kháng giữa lớp kém như bảng 4 lớp truyền thống.

Nếu bạn muốn kiểm soát trở kháng dấu vết, kế hoạch xếp chồng trên phải rất cẩn thận để sắp xếp dấu vết dưới các đảo đồng điện và mặt đất. Ngoài ra, các đảo đồng trên nguồn cung cấp điện hoặc lớp mặt đất nên được kết nối với nhau càng nhiều càng tốt để đảm bảo kết nối DC và tần số thấp.

Bảng 6 lớp

Nếu mật độ của các thành phần trên một tấm 4 lớp tương đối cao, một tấm 6 lớp là tốt nhất. Tuy nhiên, một số kế hoạch xếp chồng trong thiết kế bảng 6 lớp không đủ tốt để bảo vệ trường điện từ và có ít ảnh hưởng đến việc giảm tín hiệu tạm thời của bus điện. Hai ví dụ được thảo luận dưới đây.

Trong ví dụ đầu tiên, nguồn cung cấp điện và mặt đất được đặt trên lớp thứ hai và lớp thứ năm tương ứng. Do trở kháng đồng cao của nguồn cung cấp điện, điều khiển bức xạ EMI chế độ phổ biến rất bất lợi. Tuy nhiên, từ quan điểm kiểm soát trở kháng tín hiệu, phương pháp này là rất chính xác.

Trong ví dụ thứ hai, nguồn cung cấp điện và mặt đất được đặt tương ứng trên lớp 3 và lớp 4. Thiết kế này giải quyết vấn đề về điện trở đồng cung cấp điện. Do hiệu suất bảo vệ điện từ kém của lớp 1 và lớp 6, EMI chế độ khác biệt được tăng. Nếu số lượng dòng tín hiệu trên hai lớp bên ngoài là nhỏ nhất và chiều dài dấu vết rất ngắn (ngắn hơn 1/20 bước sóng của hài hòa cao nhất của tín hiệu), thiết kế này có thể giải quyết vấn đề EMI chế độ khác biệt. Lấp đầy khu vực phủ đồng không có thành phần và không có dấu vết trên lớp bên ngoài và làm đất khu vực phủ đồng (mỗi bước sóng 1/20 như một khoảng thời gian), đặc biệt tốt trong việc ức chế EMI chế độ khác biệt. Như đã đề cập trước đây, cần kết nối khu vực đồng với phẳng mặt đất bên trong ở nhiều điểm.

Thiết kế bảng 6 lớp hiệu suất cao cho mục đích chung Nói chung, lớp đầu tiên và lớp thứ sáu được đặt ra như lớp mặt đất, và lớp thứ ba và thứ tư được sử dụng cho điện và mặt đất. Vì có hai lớp đường dây tín hiệu microstrip đôi ở giữa lớp điện và lớp mặt đất, khả năng ức chế EMI là tuyệt vời. Nhược điểm của thiết kế này là chỉ có hai lớp định tuyến. Như đã đề cập trước đây, nếu dấu vết bên ngoài ngắn và đồng được đặt trong khu vực không dấu vết, việc xếp chồng tương tự cũng có thể đạt được với một tấm 6 lớp truyền thống.

Một bố trí bảng 6 lớp khác là tín hiệu, mặt đất, tín hiệu, điện, mặt đất, tín hiệu, có thể nhận ra môi trường cần thiết cho thiết kế toàn vẹn tín hiệu tiên tiến. Lớp tín hiệu liền kề với lớp mặt đất, và lớp điện và lớp mặt đất được ghép. Rõ ràng, bất lợi là sự xếp chồng không cân bằng của các lớp.

Điều này thường gây rắc rối cho sản xuất. Giải pháp cho vấn đề là lấp đầy tất cả các khu vực trống của lớp thứ ba bằng đồng. Sau khi đồng được lấp đầy, nếu mật độ đồng của lớp thứ ba gần lớp điện hoặc lớp mặt đất, bảng này không thể được tính nghiêm ngặt như một bảng mạch cân bằng về cấu trúc. Khu vực đầy đồng phải được kết nối với điện hoặc mặt đất. Khoảng cách giữa các đường kết nối vẫn là 1/20 bước sóng, và nó có thể không cần phải kết nối ở mọi nơi, nhưng nó nên được kết nối trong hoàn cảnh lý tưởng.

Bảng 10 lớp

Vì lớp cách điện giữa các bảng đa lớp là rất mỏng, trở kháng giữa 10 hoặc 12 lớp của bảng mạch là rất thấp. Miễn là không có vấn đề với lớp và xếp chồng, tính toàn vẹn tín hiệu tuyệt vời có thể được mong đợi. Rất khó để sản xuất các tấm 12 lớp với độ dày 62mil, và không có nhiều nhà sản xuất có thể xử lý các tấm 12 lớp.

Vì luôn có một lớp cách điện giữa lớp tín hiệu và lớp vòng, giải pháp gán 6 lớp giữa để định tuyến các đường tín hiệu trong thiết kế bảng 10 lớp không phải là tốt nhất. Ngoài ra, điều quan trọng là làm cho lớp tín hiệu liền kề với lớp vòng, tức là, bố trí bảng là tín hiệu, mặt đất, tín hiệu, tín hiệu, điện, mặt đất, tín hiệu, tín hiệu, mặt đất và tín hiệu.

Thiết kế này cung cấp một con đường tốt cho dòng tín hiệu và dòng vòng của nó. Chiến lược đường dây thích hợp là định tuyến các dây theo hướng X trên lớp đầu tiên, hướng Y trên lớp thứ ba, và hướng X trên lớp thứ tư, v.v. Nhìn vào định tuyến trực quan, lớp đầu tiên 1 và lớp thứ ba là một cặp kết hợp lớp, lớp thứ 4 và lớp thứ 7 là một cặp kết hợp lớp, và lớp thứ 8 và lớp 10 là cặp kết hợp lớp cuối cùng. Khi cần thay đổi hướng định tuyến, dòng tín hiệu trên lớp đầu tiên nên được chuyển sang lớp thứ ba thông qua "via" và sau đó thay đổi hướng. Trên thực tế, nó có thể không phải lúc nào cũng có thể làm điều này, nhưng như một khái niệm thiết kế, nó phải được tuân theo càng nhiều càng tốt.

Tương tự như vậy, khi hướng định tuyến tín hiệu thay đổi, nó nên đi từ lớp 8 và lớp 10 hoặc từ lớp 4 đến lớp 7 thông qua vias. Dây này đảm bảo nối chặt chẽ nhất giữa đường dẫn phía trước của tín hiệu và vòng lặp. Ví dụ, nếu tín hiệu được định tuyến trên lớp đầu tiên và vòng lặp được định tuyến trên lớp thứ hai và chỉ trên lớp thứ hai, thì tín hiệu trên lớp đầu tiên được chuyển đến lớp thứ ba thông qua "via". Vòng vòng vẫn nằm trên lớp thứ hai, để duy trì các đặc điểm của điện cảm thấp, công suất lớn và hiệu suất bảo vệ điện từ tốt.

Nếu đường dây thực sự không như thế này, tôi nên làm gì? Ví dụ, dòng tín hiệu trên lớp đầu tiên đi qua lỗ thông qua đến lớp thứ 10. Mặt chân của các thành phần như điện trở hoặc tụ điện). Nếu có một đường như vậy gần đó, bạn thực sự may mắn. Nếu không có lỗ gần như vậy, công suất sẽ trở nên lớn hơn, công suất sẽ giảm và EMI chắc chắn sẽ tăng.

Khi dây tín hiệu phải để lại cặp lớp dây điện hiện tại cho các lớp dây điện khác thông qua các đường dẫn, các đường dẫn mặt đất nên được đặt gần các đường dẫn để tín hiệu vòng có thể quay trở lại lớp đặt mặt đất thích hợp một cách trơn tru. Đối với sự kết hợp lớp của lớp 4 và lớp 7, vòng tín hiệu sẽ trở lại từ lớp điện hoặc lớp mặt đất (tức là lớp 5 hoặc lớp 6), bởi vì nối điện dung giữa lớp điện và lớp mặt đất là tốt và tín hiệu dễ truyền.

Thiết kế lớp đa năng lượng

Nếu hai lớp điện của cùng một nguồn điện áp cần đầu ra dòng điện lớn, bảng mạch nên được đặt thành hai bộ lớp điện và lớp mặt đất. Trong trường hợp này, một lớp cách điện được đặt giữa mỗi cặp lớp điện và lớp mặt đất. Bằng cách này, chúng ta có được hai cặp thanh bus điện với trở kháng bằng nhau chia dòng điện chúng ta mong đợi. Nếu xếp chồng các lớp điện gây ra trở kháng không bình đẳng, shunt sẽ không đồng nhất, điện áp tạm thời sẽ lớn hơn nhiều và EMI sẽ tăng mạnh mẽ.

Nếu có nhiều điện áp cung cấp điện với các giá trị khác nhau trên bảng mạch, nhiều lớp cung cấp điện được yêu cầu phù hợp. Hãy nhớ tạo nguồn cung cấp điện cặp của riêng họ và các lớp mặt đất cho các nguồn cung cấp điện khác nhau. Trong hai trường hợp trên, khi xác định vị trí của lớp điện cặp và lớp mặt đất trên bảng mạch, hãy nhớ các yêu cầu của nhà sản xuất đối với cấu trúc cân bằng.

Tóm tắt

Vì thực tế là hầu hết các bảng mạch được thiết kế bởi các kỹ sư là bảng mạch in truyền thống với độ dày 62 mils và không có đường mù hoặc chôn vùi, thảo luận về lớp và xếp chồng bảng mạch trong bài viết này giới hạn ở điều này. Đối với các bảng mạch có sự khác biệt lớn về độ dày, kế hoạch lớp được đề nghị trong bài viết này có thể không lý tưởng. Ngoài ra, quá trình xử lý của bảng mạch với lỗ mù hoặc lỗ chôn khác nhau và phương pháp lớp trong bài viết này không áp dụng.

Độ dày, thông qua quá trình và số lớp của bảng mạch trong thiết kế bảng mạch không phải là chìa khóa để giải quyết vấn đề. Xếp chồng lớp tuyệt vời là để đảm bảo vượt qua và tách ghép của bus điện, và giảm thiểu điện áp tạm thời trên lớp điện hoặc lớp mặt đất. Và chìa khóa để che chắn trường điện từ của tín hiệu và nguồn cung cấp điện. Lý tưởng nhất, nên có một lớp cách điện giữa lớp định tuyến tín hiệu và lớp mặt đất trở lại, và khoảng cách lớp cặp (hoặc nhiều hơn một cặp) nên nhỏ nhất có thể. Dựa trên các khái niệm và nguyên tắc cơ bản này, một bảng mạch luôn có thể đáp ứng các yêu cầu thiết kế có thể được thiết kế. Bây giờ thời gian tăng của IC rất ngắn và sẽ ngắn hơn, công nghệ được thảo luận trong bài viết này là cần thiết để giải quyết vấn đề bảo vệ EMI.