Çok katmanlı PCB tasarımı yaparken EMI sorununu nasıl çözeceğinizi biliyor musunuz?
Sana söyleyeyim!
EMI sorunlarını çözmenin birçok yolu vardır.Modern EMI bastırma yöntemleri şunları içerir: EMI bastırma kaplamasının kullanılması, uygun EMI bastırma parçalarının seçilmesi ve EMI simülasyon tasarımı.En temel PCB düzenine dayanan bu makale, PCB yığınının EMI radyasyonunu kontrol etmedeki işlevini ve PCB tasarım becerilerini tartışmaktadır.
güç otobüsü
IC'nin çıkış voltajı sıçraması, IC'nin güç piminin yanına uygun kapasitans yerleştirilerek hızlandırılabilir.Ancak, bu sorunun sonu değil.Kapasitörün sınırlı frekans yanıtı nedeniyle, kapasitörün IC çıkışını tam frekans bandında temiz bir şekilde sürmek için gereken harmonik gücü üretmesi imkansızdır.Ayrıca güç barasında oluşan geçici gerilim, dekuplaj yolunun endüktansının her iki ucunda da gerilim düşmesine neden olacaktır.Bu geçici gerilimler, ana ortak mod EMI girişim kaynaklarıdır.Bu sorunları nasıl çözebiliriz?
Devre kartımızdaki IC durumunda, IC'nin etrafındaki güç katmanı, temiz çıkış için yüksek frekanslı enerji sağlayan ayrık kapasitörden sızan enerjiyi toplayabilen iyi bir yüksek frekanslı kapasitör olarak kabul edilebilir.Ek olarak, iyi bir güç katmanının endüktansı küçüktür, bu nedenle indüktör tarafından sentezlenen geçici sinyal de küçüktür, bu nedenle ortak mod EMI'sini azaltır.
Tabii ki, güç kaynağı katmanı ile IC güç kaynağı pimi arasındaki bağlantı mümkün olduğu kadar kısa olmalıdır, çünkü dijital sinyalin yükselen kenarı gittikçe daha hızlıdır.Ayrı olarak ele alınması gereken IC güç piminin bulunduğu pede doğrudan bağlamak daha iyidir.
Ortak mod EMI'sini kontrol etmek için, güç katmanı, ayırmaya yardımcı olmak ve yeterince düşük bir endüktansa sahip olmak için iyi tasarlanmış bir çift güç katmanı olmalıdır.Bazı insanlar sorabilir, ne kadar iyi?Cevap, güç katmanına, katmanlar arasındaki malzemeye ve çalışma frekansına bağlıdır (yani, IC yükselme süresinin bir fonksiyonu).Genel olarak, güç katmanlarının aralığı 6mil'dir ve ara katman FR4 malzemesidir, dolayısıyla güç katmanının inç karesi başına eşdeğer kapasitans yaklaşık 75pF'dir.Açıkçası, katman aralığı ne kadar küçükse, kapasitans o kadar büyük olur.
Yükselme süresi 100-300ps olan çok fazla cihaz yok ama IC'nin mevcut gelişme hızına göre yükselme süresi 100-300ps aralığında olan cihazlar yüksek bir oran işgal edecek.100 ila 300 PS yükselme süresine sahip devreler için, çoğu uygulama için 3 mil katman aralığı artık uygulanamaz.O zaman, 1mil'den daha az ara katman aralığı ile delaminasyon teknolojisini benimsemek ve FR4 dielektrik malzemesini yüksek dielektrik sabiti olan malzeme ile değiştirmek gerekir.Artık seramikler ve saksı plastikleri, 100 ila 300ps yükselme süresi devrelerinin tasarım gereksinimlerini karşılayabilir.
Gelecekte yeni malzemeler ve yöntemler kullanılabilecek olsa da, ortak 1 ila 3 ns yükselme süresi devreleri, 3 ila 6 mil katman aralığı ve FR4 dielektrik malzemeleri genellikle üst düzey harmonikleri işlemek ve geçici sinyalleri yeterince düşük yapmak için yeterlidir; , ortak mod EMI çok düşük seviyeye düşürülebilir.Bu yazıda, PCB katmanlı istiflemenin tasarım örneği verilmiş ve katman aralığının 3 ila 6 mil olduğu varsayılmıştır.
elektromanyetik koruma
Sinyal yönlendirme açısından, iyi bir katmanlama stratejisi, tüm sinyal izlerini güç katmanının veya yer düzleminin yanında bulunan bir veya daha fazla katmana yerleştirmek olmalıdır.Güç kaynağı için iyi bir katmanlama stratejisi, güç katmanının yer düzlemine bitişik olması ve güç katmanı ile yer düzlemi arasındaki mesafenin mümkün olduğunca küçük olması olmalıdır, buna “katmanlama” stratejisi diyoruz.
PCB yığını
Ne tür bir yığınlama stratejisi, EMI'yi korumaya ve bastırmaya yardımcı olabilir?Aşağıdaki katmanlı yığınlama şeması, güç kaynağı akımının tek bir katman üzerinde aktığını ve tek veya birden çok gerilimin aynı katmanın farklı bölümlerine dağıldığını varsayar.Çoklu güç katmanları durumu daha sonra tartışılacaktır.
4 katlı levha
4 katlı laminatların tasarımında bazı olası problemler vardır.Her şeyden önce, sinyal katmanı dış katmanda ve güç ve yer düzlemi iç katmanda olsa bile, güç katmanı ile yer düzlemi arasındaki mesafe yine de çok fazladır.
Maliyet gereksinimi ilk ise, geleneksel 4 katlı levhaya aşağıdaki iki alternatif düşünülebilir.Her ikisi de EMI bastırma performansını artırabilir, ancak yalnızca kart üzerindeki bileşenlerin yoğunluğunun yeterince düşük olduğu ve bileşenlerin çevresinde (güç kaynağı için gerekli bakır kaplamayı yerleştirmek için) yeterli alan olduğu durumlar için uygundur.
Birincisi tercih edilen şemadır.PCB'nin dış katmanlarının tümü katmanlardır ve ortadaki iki katman sinyal/güç katmanlarıdır.Sinyal katmanındaki güç kaynağı, güç kaynağı akımının yol empedansını ve sinyal mikroşerit yolunun empedansını düşük yapan geniş hatlarla yönlendirilir.EMI kontrolü açısından bu, mevcut en iyi 4 katmanlı PCB yapısıdır.İkinci şemada, dış katman gücü ve toprağı taşır ve ortadaki iki katman sinyali taşır.Geleneksel 4 katmanlı kartla karşılaştırıldığında, bu şemanın gelişimi daha küçüktür ve katmanlar arası empedans, geleneksel 4 katmanlı kartınki kadar iyi değildir.
Kablo empedansı kontrol edilecekse, yukarıdaki istifleme şemasında kabloları güç kaynağı ve topraklamanın bakır adasının altına döşemek için çok dikkatli olunmalıdır.Ek olarak, DC ile düşük frekans arasındaki bağlantıyı sağlamak için güç kaynağı veya tabaka üzerindeki bakır adası mümkün olduğunca birbirine bağlanmalıdır.
6 katlı levha
4 katmanlı kart üzerindeki bileşenlerin yoğunluğu büyükse, 6 katmanlı plaka daha iyidir.Bununla birlikte, 6 katmanlı kartın tasarımındaki bazı istifleme şemalarının ekranlama etkisi yeterince iyi değildir ve güç barasının geçici sinyali azalmaz.İki örnek aşağıda tartışılmaktadır.
İlk durumda, güç kaynağı ve toprak sırasıyla ikinci ve beşinci katmanlara yerleştirilir.Bakır kaplı güç kaynağının yüksek empedansı nedeniyle, ortak mod EMI radyasyonunu kontrol etmek çok elverişsizdir.Ancak, sinyal empedans kontrolü açısından bu yöntem çok doğrudur.
İkinci örnekte, güç kaynağı ve toprak sırasıyla üçüncü ve dördüncü katmanlara yerleştirilmiştir.Bu tasarım, güç kaynağının bakır kaplı empedansı sorununu çözmektedir.Katman 1 ve katman 6'nın zayıf elektromanyetik koruma performansı nedeniyle diferansiyel mod EMI artar.İki dış katmandaki sinyal hatlarının sayısı en azsa ve hatların uzunluğu çok kısaysa (sinyalin en yüksek harmonik dalga boyunun 1/20'sinden az), tasarım diferansiyel mod EMI problemini çözebilir.Sonuçlar, diferansiyel mod EMI'sinin bastırılmasının, özellikle dış katman bakırla doldurulduğunda ve bakır kaplı alan topraklandığında (her 1/20 dalga boyu aralığında) iyi olduğunu göstermektedir.Yukarıda belirtildiği gibi, bakır döşenecektir
Gönderim Zamanı: 29 Temmuz 2020
