Техники избежания ЭМС при проектировании многослойных печатных плат 

Существует множество способов решения проблемы ЭМП. Современные методы подавления ЭМП включают: использование ЭМП-покрытий, выбор подходящих ЭМП-компонентов и моделирование ЭМП. В данной статье, начиная с базового монтажа печатных плат, рассматриваются роль и технические приемы многослойного сквозного сложения PCB в контроле ЭМП-излучения.

Питание шины

Размещение конденсаторов соответствующей емкости вблизи питаемых выводов ИС позволяет быстрее изменять выходное напряжение ИС. Однако из-за ограниченной частотной характеристики конденсаторы не могут генерировать чистые гармонические мощности, необходимые для работы ИС, на всей частотной полосе. Кроме того, переходные напряжения, возникающие на шине питания, вызывают падение напряжения на индуктивности в цепи развязки, что делает эти переходные напряжения основным источником распространяющихся ЭМП-помех.

Что касается ИС на печатной плате, слой питания вокруг ИС можно рассматривать как отличный высокочастотный конденсатор. Он способен собирать энергию, рассеиваемую отдельными конденсаторами, которые обеспечивают чистый выход и подают высокочастотную энергию. Кроме того, индуктивность хорошего слоя питания должна быть низкой, чтобы уменьшить переходные сигналы, создаваемые индуктивностью, и тем самым снизить дифференциальные ЭМП.

Проводники от слоя питания к контактам питания ИС должны быть максимально короткими, поскольку фронт нарастания цифровых сигналов становится все быстрее, и лучше всего подключать их непосредственно к контактам питания ИС, расположенным на плате.

Для контроля дифференциальных ЭМП питательный слой должен способствовать расслоению и обладать достаточно низкой индуктивностью. Этот питательный слой должен быть хорошо спаренным с соответствующим питательным слоем. Какой уровень считается хорошим? Ответ зависит от многослойности питания, межслойного материала и рабочей частоты (то есть функции времени нарастания ИС). Обычно расстояние между слоями питания составляет 6 мил, а межслойный материал — FR4, тогда эквивалентная емкость питательного слоя на квадратный дюйм составляет около 75 пФ. Очевидно, что чем меньше расстояние между слоями, тем больше емкость.

При текущей скорости развития ИС устройства с временем нарастания от 100 до 300 пс будут занимать значительную долю. Для схем с временем нарастания 100–300 пс зазор между слоями в 3 милы уже не подходит для большинства применений. В этом случае необходимо использовать многослойные технологии с зазором менее 1 мила, а также производство печатных плат и замену диэлектрического материала FR4 на материалы с высокой диэлектрической проницаемостью. В настоящее время керамика и термопласты с добавлением керамики могут удовлетворить требования к проектированию схем с временем нарастания 100–300 пс.

Для современных схем с временем нарастания 1-3 нс, межслойным расстоянием 3-6 мил и диэлектрическим материалом FR4, как правило, можно обрабатывать высокочастотные гармоники и подавлять переходные сигналы до достаточного уровня, то есть синфазное ЭМП можно значительно снизить. В приведенном в статье примере проектирования многослойной печатной платы предполагается межслойное расстояние 3-6 мил.

Электромагнитное экранирование

С точки зрения трассировки сигналов, хорошая стратегия разделения слоев должна предполагать размещение всех сигнальных трасс на одном или нескольких слоях, которые расположены непосредственно рядом с питанием или заземлением. Для питания хорошая стратегия разделения слоев требует, чтобы слой питания и заземления были соседними, а расстояние между ними было минимальным.

Слоистая печатная плата

Какие стратегии стекирования помогают блокировать и подавлять ЭМС? Следующие многослойные схемы предполагают, что ток питания течёт по одной слое, а один или несколько напряжений распределены в разных частях этого же слоя.

4-слойная плата

В конструкции четырехслойной платы существует несколько потенциальных проблем. Во-первых, у традиционных четырехслойных плат толщиной 62 мил, даже если сигнальные слои расположены на внешних слоях, а слои питания и заземления — на внутренних, расстояние между слоями питания и заземления остается слишком большим.

Если первостепенное требование — это себестоимость, можно рассмотреть два традиционных альтернативных варианта 4-слойных плат. Оба варианта способны улучшить характеристики подавления ЭМП, но применимы только в случаях, когда плотность компонентов на плате достаточно низкая и вокруг них имеется достаточная площадь (для размещения требуемого слоя заземления питания).

Первый вариант является предпочтительным решением: внешние слои печатной платы представляют собой заземленные слои, а средние два слоя — сигнальные/питающие. На сигнальных слоях питание осуществляется с помощью широких проводников, что обеспечивает низкое импедансное сопротивление пути тока питания, а также низкое импедансное сопротивление микрополосковых сигнальных путей. С точки зрения управления ЭМП это является оптимальной из существующих структур 4-слойных печатных плат.

Во втором варианте внешние слои используются для питания и заземления, а средние два слоя — для сигналов. По сравнению с традиционными четырехслойными платами, улучшения в этой схеме незначительны, а межслойное импедансное сопротивление остается таким же низким, как и у обычных четырехслойных конструкций.

Если необходимо контролировать импеданс трассировки, вышеуказанные схемы стекирования требуют очень осторожного размещения трасс под островками медной фольги питания и заземления. Кроме того, островки медной фольги на слоях питания или заземления должны быть максимально взаимосвязаны, чтобы обеспечить соединимость постоянного тока и низких частот.

6-слойная плата

Если плотность компонентов на 4-слойной плате высока, лучше использовать 6-слойную плату. Однако в некоторых схемах слоистости 6-слойных плат недостаточно эффективная экранировка электромагнитного поля и слабое подавление переходных сигналов на шинах питания. Ниже рассматриваются два примера:

Первый вариант размещает питание и землю на 2-м и 5-м слоях соответственно. Поскольку покрытие медью на питании имеет высокое импеданс, это крайне неблагоприятно для контроля синфазного ЭМИ-излучения. Однако с точки зрения управления импедансом сигналов этот метод является совершенно правильным.

Во втором примере источник питания и земля размещены на третьем и четвертом слоях соответственно. Такое конструктивное решение устраняет проблему импеданса медной покрышки питания. Из-за плохой электромагнитной экранировки первого и шестого слоев, дифференциальные ЭМП увеличиваются. Если количество сигнальных линий на внешних слоях минимально, а длина трасс очень короткая (менее 1/20 длины волны высшей гармоники сигнала), то данная конструкция позволяет решить проблему дифференциальных ЭМП. При покрытии свободных от компонентов и трасс областей внешних слоев медью и заземлении этих областей (с интервалом 1/20 длины волны) подавление дифференциальных ЭМП достигает наивысшего уровня. Как упоминалось ранее, заземленные области медного покрытия должны быть многоточечно соединены с внутренним заземляющим слоем.