¿Cómo resolver el problema de EMI en el diseño de PCB multicapa?

¿Sabe cómo resolver el problema de EMI cuando se diseña PCB multicapa?

¡Déjame decirte!

Hay muchas formas de resolver los problemas de EMI. Los métodos modernos de supresión de EMI incluyen: uso de revestimiento de supresión de EMI, selección de piezas de supresión de EMI adecuadas y diseño de simulación de EMI. Basado en el diseño de PCB más básico, este documento analiza la función de la pila de PCB para controlar la radiación EMI y las habilidades de diseño de PCB.

bus de potencia

El salto de voltaje de salida de IC se puede acelerar colocando la capacitancia adecuada cerca del pin de alimentación de IC. Sin embargo, este no es el final del problema. Debido a la respuesta de frecuencia limitada del capacitor, es imposible que el capacitor genere la potencia armónica necesaria para impulsar la salida IC limpiamente en la banda de frecuencia completa. Además, la tensión transitoria formada en el bus de potencia provocará una caída de tensión en ambos extremos de la inductancia de la ruta de desacoplamiento. Estos voltajes transitorios son las principales fuentes de interferencia EMI de modo común. ¿Cómo podemos solucionar estos problemas?

En el caso de IC en nuestra placa de circuito, la capa de potencia alrededor del IC puede considerarse como un buen condensador de alta frecuencia, que puede recolectar la energía filtrada por el condensador discreto que proporciona energía de alta frecuencia para una salida limpia. Además, la inductancia de una buena capa de potencia es pequeña, por lo que la señal transitoria sintetizada por el inductor también es pequeña, reduciendo así la EMI de modo común.

Por supuesto, la conexión entre la capa de la fuente de alimentación y el pin de la fuente de alimentación del IC debe ser lo más corta posible, porque el borde ascendente de la señal digital es cada vez más rápido. Es mejor conectarlo directamente a la almohadilla donde se encuentra el pin de alimentación IC, que debe discutirse por separado.

Para controlar la EMI en modo común, la capa de potencia debe ser un par de capas de potencia bien diseñadas para ayudar a desacoplar y tener una inductancia suficientemente baja. Algunas personas pueden preguntar, ¿qué tan bueno es? La respuesta depende de la capa de potencia, el material entre las capas y la frecuencia de funcionamiento (es decir, una función del tiempo de subida de IC). En general, el espaciado de las capas de energía es de 6 mil y la capa intermedia es de material FR4, por lo que la capacitancia equivalente por pulgada cuadrada de la capa de energía es de aproximadamente 75 pF. Obviamente, cuanto menor sea la separación de capas, mayor será la capacitancia.

No hay muchos dispositivos con un tiempo de subida de 100-300ps, pero de acuerdo con la tasa de desarrollo actual de IC, los dispositivos con un tiempo de subida en el rango de 100-300ps ocuparán una alta proporción. Para circuitos con tiempos de subida de 100 a 300 PS, el espaciado de capa de 3 mil ya no es aplicable para la mayoría de las aplicaciones. En ese momento, es necesario adoptar la tecnología de delaminación con el espaciado entre capas de menos de 1 mil y reemplazar el material dieléctrico FR4 con el material con alta constante dieléctrica. Ahora, la cerámica y los plásticos en macetas pueden cumplir con los requisitos de diseño de circuitos de tiempo de subida de 100 a 300ps.

Aunque se pueden utilizar nuevos materiales y métodos en el futuro, los circuitos de tiempo de subida comunes de 1 a 3 ns, el espaciado de capa de 3 a 6 mil y los materiales dieléctricos FR4 suelen ser suficientes para manejar armónicos de alta gama y hacer que las señales transitorias sean lo suficientemente bajas, es decir. , la EMI de modo común se puede reducir muy bajo. En este documento, se da el ejemplo de diseño de apilamiento en capas de PCB y se supone que el espaciado de capas es de 3 a 6 mil.

blindaje electromagnético

Desde el punto de vista del enrutamiento de la señal, una buena estrategia de estratificación debería ser colocar todas las trazas de la señal en una o más capas, que están al lado de la capa de potencia o el plano de tierra. Para el suministro de energía, una buena estrategia de capas debe ser que la capa de energía esté adyacente al plano de tierra, y la distancia entre la capa de energía y el plano de tierra debe ser lo más pequeña posible, que es lo que llamamos la estrategia de "capas".

Pila de PCB

¿Qué tipo de estrategia de apilamiento puede ayudar a proteger y suprimir EMI? El siguiente esquema de apilamiento en capas supone que la corriente de la fuente de alimentación fluye en una sola capa y que un voltaje único o múltiples voltajes se distribuyen en diferentes partes de la misma capa. El caso de múltiples capas de energía se discutirá más adelante.

Placa de 4 capas

Existen algunos problemas potenciales en el diseño de laminados de 4 capas. En primer lugar, incluso si la capa de señal está en la capa exterior y la potencia y el plano de tierra están en la capa interior, la distancia entre la capa de potencia y el plano de tierra sigue siendo demasiado grande.

Si el requisito de costo es el primero, se pueden considerar las siguientes dos alternativas al tablero tradicional de 4 capas. Ambos pueden mejorar el rendimiento de supresión de EMI, pero solo son adecuados para el caso en que la densidad de los componentes en la placa sea lo suficientemente baja y haya suficiente área alrededor de los componentes (para colocar el recubrimiento de cobre requerido para la fuente de alimentación).

El primero es el esquema preferido. Las capas externas de PCB son todas capas, y las dos capas del medio son capas de señal / potencia. La fuente de alimentación en la capa de señal se enruta con líneas anchas, lo que hace que la impedancia de la ruta de la corriente de la fuente de alimentación sea baja y la impedancia de la ruta de la microbanda de la señal sea baja. Desde la perspectiva del control EMI, esta es la mejor estructura de PCB de 4 capas disponible. En el segundo esquema, la capa exterior transporta la energía y la tierra, y las dos capas del medio transportan la señal. En comparación con la placa tradicional de 4 capas, la mejora de este esquema es menor y la impedancia entre capas no es tan buena como la de la placa tradicional de 4 capas.

Si se va a controlar la impedancia del cableado, el esquema de apilamiento anterior debe tener mucho cuidado de colocar el cableado debajo de la isla de cobre de la fuente de alimentación y la conexión a tierra. Además, la isla de cobre en la fuente de alimentación o el estrato debe estar interconectada tanto como sea posible para garantizar la conectividad entre CC y baja frecuencia.

Placa de 6 capas

Si la densidad de los componentes en el tablero de 4 capas es grande, la placa de 6 capas es mejor. Sin embargo, el efecto de blindaje de algunos esquemas de apilamiento en el diseño de la placa de 6 capas no es lo suficientemente bueno y la señal transitoria del bus de potencia no se reduce. A continuación se analizan dos ejemplos.

En el primer caso, la fuente de alimentación y la tierra se colocan en la segunda y la quinta capa respectivamente. Debido a la alta impedancia de la fuente de alimentación revestida de cobre, es muy desfavorable controlar la radiación EMI en modo común. Sin embargo, desde el punto de vista del control de la impedancia de la señal, este método es muy correcto.

En el segundo ejemplo, la fuente de alimentación y la tierra se colocan en la tercera y cuarta capas respectivamente. Este diseño resuelve el problema de la impedancia de la fuente de alimentación revestida de cobre. Debido al bajo rendimiento de blindaje electromagnético de la capa 1 y la capa 6, aumenta la EMI de modo diferencial. Si el número de líneas de señal en las dos capas externas es el mínimo y la longitud de las líneas es muy corta (menos de 1/20 de la longitud de onda armónica más alta de la señal), el diseño puede resolver el problema del modo diferencial EMI. Los resultados muestran que la supresión de la EMI en modo diferencial es especialmente buena cuando la capa exterior está llena de cobre y el área revestida de cobre está conectada a tierra (cada intervalo de longitud de onda de 1/20). Como se mencionó anteriormente, el cobre se colocará


Hora de publicación: Jul-29-2020