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

¿Sabe cómo resolver el problema de EMI cuando se diseña una placa de circuito impreso multicapa?

¡Déjame decirte!

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

autobús de energía

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 condensador, es imposible que el condensador genere la potencia armónica necesaria para impulsar la salida del IC limpiamente en la banda de frecuencia completa.Además, el voltaje transitorio formado en el bus de alimentación provocará una caída de voltaje 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 se puede considerar como un buen capacitor de alta frecuencia, que puede recolectar la energía filtrada por el capacitor 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, lo que reduce 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 IC debe ser lo más corta posible, porque el flanco 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 de modo común, la capa de potencia debe ser un par de capas de potencia bien diseñadas para ayudar a desacoplar y tener una inductancia lo 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 del 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 el espacio entre 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 capas de 3 mil ya no es aplicable para la mayoría de las aplicaciones.En ese momento, es necesario adoptar la tecnología de delaminación con un espacio entre capas inferior a 1 mil, y reemplazar el material dieléctrico FR4 con el material con alta constante dieléctrica.Ahora, la cerámica y los plásticos encapsulados pueden cumplir con los requisitos de diseño de los circuitos de tiempo de subida de 100 a 300 ps.

Aunque es posible que se utilicen nuevos materiales y métodos en el futuro, los circuitos de tiempo de subida comunes de 1 a 3 ns, el espaciado de capas 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 , EMI de modo común se puede reducir muy bajo.En este documento, se proporciona el ejemplo de diseño del apilamiento de capas de PCB y se supone que el espaciado de las 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 todos los rastros de la señal en una o más capas, que están al lado de la capa de potencia o 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 placa de circuito impreso

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

placa de 4 capas

Hay 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 el plano de potencia y 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 exteriores de PCB son todas capas, y las dos capas intermedias son capas de señal/potencia.La fuente de alimentación en la capa de la señal se enruta con líneas anchas, lo que hace que la impedancia de la corriente de la fuente de alimentación sea baja y la impedancia de la ruta de la microcinta de la señal sea baja.Desde la perspectiva del control de EMI, esta es la mejor estructura de PCB de 4 capas disponible.En el segundo esquema, la capa exterior lleva la energía y la tierra, y las dos capas del medio llevan 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, se debe tener mucho cuidado con el esquema de apilamiento anterior para 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 estrato debe interconectarse 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 protección 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 alimentación no se reduce.Dos ejemplos se discuten a continuación.

En el primer caso, la fuente de alimentación y la tierra se colocan en la segunda y quinta capa respectivamente.Debido a la alta impedancia de la fuente de alimentación revestida de cobre, es muy desfavorable controlar la radiación EMI de 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 capa respectivamente.Este diseño resuelve el problema de la impedancia revestida de cobre de la fuente de alimentación.Debido al rendimiento deficiente del 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 exteriores es 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 EMI de 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 1/20 de longitud de onda).Como se mencionó anteriormente, el cobre se colocará