วิธีแก้ปัญหา EMI ในการออกแบบ PCB หลายชั้น

คุณรู้วิธีแก้ปัญหา EMI เมื่อออกแบบ PCB หลายชั้นหรือไม่?

ให้ฉันบอกคุณ!

มีหลายวิธีในการแก้ปัญหา EMI วิธีการปราบปราม EMI สมัยใหม่ ได้แก่ : การใช้การเคลือบป้องกัน EMI การเลือกชิ้นส่วนปราบปราม EMI ที่เหมาะสมและการออกแบบจำลอง EMI บทความนี้จะกล่าวถึงการทำงานของ PCB stack ในการควบคุมรังสี EMI และทักษะการออกแบบ PCB ตามเค้าโครง PCB ขั้นพื้นฐาน

บัสไฟฟ้า

แรงดันไฟฟ้าขาออกของ IC สามารถเร่งได้โดยการวางความจุที่เหมาะสมไว้ใกล้กับขาไฟของ IC อย่างไรก็ตามนี่ไม่ใช่จุดจบของปัญหา เนื่องจากการตอบสนองความถี่ที่ จำกัด ของตัวเก็บประจุจึงเป็นไปไม่ได้ที่ตัวเก็บประจุจะสร้างพลังงานฮาร์มอนิกที่จำเป็นในการขับเคลื่อนเอาต์พุต IC อย่างหมดจดในย่านความถี่เต็ม นอกจากนี้แรงดันไฟฟ้าชั่วคราวที่เกิดขึ้นบนพาวเวอร์บัสจะทำให้แรงดันไฟฟ้าตกที่ปลายทั้งสองข้างของการเหนี่ยวนำของเส้นทางการแยกตัว แรงดันไฟฟ้าชั่วคราวเหล่านี้เป็นแหล่งสัญญาณรบกวน EMI ของโหมดทั่วไป เราจะแก้ปัญหาเหล่านี้ได้อย่างไร?

ในกรณีของ IC บนแผงวงจรของเราชั้นกำลังรอบ ๆ IC สามารถถือได้ว่าเป็นตัวเก็บประจุความถี่สูงที่ดีซึ่งสามารถรวบรวมพลังงานที่รั่วไหลออกมาจากตัวเก็บประจุแบบแยกที่ให้พลังงานความถี่สูงสำหรับเอาต์พุตที่สะอาด นอกจากนี้การเหนี่ยวนำของชั้นพลังงานที่ดีมีขนาดเล็กดังนั้นสัญญาณชั่วคราวที่สังเคราะห์โดยตัวเหนี่ยวนำจึงมีขนาดเล็กด้วยจึงลด EMI โหมดทั่วไป

แน่นอนว่าการเชื่อมต่อระหว่างชั้นแหล่งจ่ายไฟและขาจ่ายไฟ IC จะต้องสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เนื่องจากขอบที่เพิ่มขึ้นของสัญญาณดิจิทัลนั้นเร็วขึ้นและเร็วขึ้น จะเป็นการดีกว่าที่จะเชื่อมต่อโดยตรงกับแผ่นที่มีขาไฟ IC ซึ่งจะต้องมีการหารือแยกกัน

ในการควบคุม EMI โหมดทั่วไปชั้นพลังงานจะต้องเป็นชั้นพลังงานที่ออกแบบมาอย่างดีเพื่อช่วยในการแยกชิ้นส่วนและมีความเหนี่ยวนำต่ำเพียงพอ บางคนอาจถามว่าดียังไง? คำตอบขึ้นอยู่กับชั้นกำลังวัสดุระหว่างชั้นและความถี่ในการทำงาน (เช่นฟังก์ชันของเวลาเพิ่มขึ้นของ IC) โดยทั่วไประยะห่างของชั้นพลังงานคือ 6mil และ interlayer เป็นวัสดุ FR4 ดังนั้นความจุเทียบเท่าต่อตารางนิ้วของชั้นพลังงานคือประมาณ 75pF เห็นได้ชัดว่ายิ่งระยะห่างของเลเยอร์เล็กลงความจุก็จะยิ่งมากขึ้น

มีอุปกรณ์จำนวนไม่มากที่มีเวลาเพิ่มขึ้น 100-300ps แต่ตามอัตราการพัฒนาของ IC ในปัจจุบันอุปกรณ์ที่มีเวลาเพิ่มขึ้นในช่วง 100-300ps จะมีสัดส่วนที่สูง สำหรับวงจรที่มีเวลาเพิ่มขึ้น 100 ถึง 300 PS ระยะห่างของเลเยอร์ 3 ล้านจะไม่สามารถใช้ได้อีกต่อไปสำหรับการใช้งานส่วนใหญ่ ในเวลานั้นจำเป็นต้องใช้เทคโนโลยีการแยกชั้นที่มีระยะห่างระหว่างชั้นน้อยกว่า 1mil และแทนที่วัสดุอิเล็กทริก FR4 ด้วยวัสดุที่มีค่าคงที่เป็นฉนวนสูง ตอนนี้เซรามิกและพลาสติกในกระถางสามารถตอบสนองความต้องการในการออกแบบวงจรเวลาที่เพิ่มขึ้น 100 ถึง 300ps

แม้ว่าอาจมีการใช้วัสดุและวิธีการใหม่ ๆ ในอนาคตวงจรเวลาที่เพิ่มขึ้น 1 ถึง 3 ns ทั่วไประยะห่างของชั้น 3 ถึง 6 ล้านและวัสดุอิเล็กทริก FR4 มักจะเพียงพอที่จะจัดการกับฮาร์มอนิกระดับไฮเอนด์และทำให้สัญญาณชั่วคราวต่ำพอนั่นคือ EMI โหมดทั่วไปสามารถลดลงได้ต่ำมาก ในบทความนี้จะได้รับตัวอย่างการออกแบบของการเรียงซ้อนแบบเลเยอร์ PCB และระยะห่างของเลเยอร์จะเท่ากับ 3 ถึง 6 ล้าน

การป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้า

จากมุมมองของการกำหนดเส้นทางสัญญาณกลยุทธ์การแบ่งชั้นที่ดีควรวางร่องรอยสัญญาณทั้งหมดไว้ในเลเยอร์หนึ่งหรือหลายชั้นซึ่งอยู่ถัดจากชั้นพลังงานหรือระนาบพื้น สำหรับแหล่งจ่ายไฟกลยุทธ์การแบ่งชั้นที่ดีควรเป็นชั้นพลังงานที่อยู่ติดกับระนาบพื้นและระยะห่างระหว่างชั้นพลังงานและระนาบพื้นควรมีขนาดเล็กที่สุดซึ่งเป็นสิ่งที่เราเรียกว่ากลยุทธ์ "การแบ่งชั้น"

กอง PCB

กลยุทธ์การซ้อนแบบใดที่สามารถช่วยป้องกันและปราบปราม EMI ได้ โครงร่างการซ้อนชั้นต่อไปนี้จะถือว่ากระแสของแหล่งจ่ายไฟไหลบนชั้นเดียวและมีการกระจายแรงดันไฟฟ้าเดี่ยวหรือหลายแรงดันในส่วนต่างๆของชั้นเดียวกัน กรณีของชั้นพลังงานหลายชั้นจะกล่าวถึงในภายหลัง

จาน 4 ชั้น

มีปัญหาที่อาจเกิดขึ้นในการออกแบบลามิเนต 4 ชั้น ประการแรกแม้ว่าชั้นสัญญาณจะอยู่ในชั้นนอกและระนาบกำลังและพื้นดินอยู่ในชั้นใน แต่ระยะห่างระหว่างชั้นกำลังและระนาบพื้นก็ยังมากเกินไป

หากข้อกำหนดด้านต้นทุนเป็นอันดับแรกสามารถพิจารณาทางเลือกสองทางต่อไปนี้สำหรับบอร์ด 4 ชั้นแบบเดิมได้ ทั้งสองอย่างสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการปราบปราม EMI ได้ แต่เหมาะสำหรับกรณีที่ความหนาแน่นของส่วนประกอบบนบอร์ดต่ำเพียงพอและมีพื้นที่รอบ ๆ ส่วนประกอบเพียงพอ (เพื่อวางเคลือบทองแดงที่จำเป็นสำหรับแหล่งจ่ายไฟ)

ประการแรกคือรูปแบบที่ต้องการ ชั้นนอกของ PCB เป็นชั้นทั้งหมดและสองชั้นกลางเป็นชั้นสัญญาณ / พลังงาน แหล่งจ่ายไฟบนชั้นสัญญาณถูกกำหนดเส้นทางด้วยเส้นกว้างซึ่งทำให้ความต้านทานเส้นทางของกระแสไฟต่ำและความต้านทานของเส้นทางไมโครสตริปสัญญาณต่ำ จากมุมมองของการควบคุม EMI นี่คือโครงสร้าง PCB 4 ชั้นที่ดีที่สุดที่มีอยู่ ในโครงร่างที่สองชั้นนอกมีอำนาจและพื้นดินและชั้นกลางสองชั้นจะรับสัญญาณ เมื่อเทียบกับบอร์ด 4 ชั้นแบบเดิมการปรับปรุงโครงร่างนี้มีขนาดเล็กลงและอิมพีแดนซ์ของอินเตอร์เลเยอร์ไม่ดีเท่ากับบอร์ด 4 ชั้นแบบเดิม

หากต้องควบคุมอิมพีแดนซ์ของสายไฟควรใช้ความระมัดระวังในการวางสายไฟใต้เกาะทองแดงของแหล่งจ่ายไฟและสายดิน นอกจากนี้เกาะทองแดงบนแหล่งจ่ายไฟหรือชั้นควรเชื่อมต่อกันให้มากที่สุดเพื่อให้แน่ใจว่ามีการเชื่อมต่อระหว่าง DC และความถี่ต่ำ

จาน 6 ชั้น

หากความหนาแน่นของส่วนประกอบบนบอร์ด 4 ชั้นมีขนาดใหญ่แผ่น 6 ชั้นจะดีกว่า อย่างไรก็ตามเอฟเฟกต์การป้องกันของโครงร่างซ้อนในการออกแบบบอร์ด 6 ชั้นยังไม่ดีพอและสัญญาณชั่วคราวของพาวเวอร์บัสจะไม่ลดลง สองตัวอย่างจะกล่าวถึงด้านล่าง

ในกรณีแรกแหล่งจ่ายไฟและกราวด์จะถูกวางไว้ในชั้นที่สองและห้าตามลำดับ เนื่องจากความต้านทานสูงของแหล่งจ่ายไฟหุ้มทองแดงจึงไม่เอื้ออำนวยต่อการควบคุมการแผ่รังสี EMI ในโหมดทั่วไป อย่างไรก็ตามจากมุมมองของการควบคุมอิมพีแดนซ์ของสัญญาณวิธีนี้ถูกต้องมาก

ในตัวอย่างที่สองแหล่งจ่ายไฟและกราวด์จะอยู่ในชั้นที่สามและสี่ตามลำดับ การออกแบบนี้ช่วยแก้ปัญหาความต้านทานของแหล่งจ่ายไฟที่หุ้มทองแดง เนื่องจากประสิทธิภาพการป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้าของชั้น 1 และชั้น 6 ที่ไม่ดี EMI ของโหมดดิฟเฟอเรนเชียลจึงเพิ่มขึ้น หากจำนวนสายสัญญาณบนชั้นนอกทั้งสองมีค่าน้อยที่สุดและความยาวของเส้นสั้นมาก (น้อยกว่า 1/20 ของความยาวคลื่นฮาร์มอนิกสูงสุดของสัญญาณ) การออกแบบสามารถแก้ปัญหา EMI ของโหมดดิฟเฟอเรนเชียลได้ ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าการปราบปราม EMI ของโหมดดิฟเฟอเรนเชียลนั้นดีเป็นพิเศษเมื่อชั้นนอกเต็มไปด้วยทองแดงและพื้นที่หุ้มทองแดงถูกต่อสายดิน (ทุกๆ 1/20 ช่วงความยาวคลื่น) ดังที่ได้กล่าวมาแล้วจะต้องวางทองแดง


เวลาโพสต์: 29 ก.ค. - 2063