Использование наземных самолетов и систем Vias для минимизации EMI в ПХД

Электромагнитные помехи (ЭМИ) являются постоянной проблемой в современной конструкции печатной платы (ПХД). По мере увеличения тактовых частот и плотности компонентов даже незначительные оплошности компоновки могут вызывать проблемы с излучаемыми выбросами или восприимчивостью, которые приводят к сбоям в системе, повреждению данных и дорогостоящим сбоям в соблюдении. Эффективное смягчение ЭМИ часто зависит от двух фундаментальных методов: тщательное внедрение наземных плоскостей и стратегическое использование свай. Эти элементы обеспечивают путь возврата с низким сопротивлением, уменьшают области петли и действуют как защитные структуры, которые содержат электромагнитные поля. Понимание того, как оптимизировать наземные плоскости и связки, имеет важное значение для инженеров, стремящихся достичь целостности сигнала и электромагнитной совместимости (ЭМС).

Наземные самолеты: основа управления EMI

Наземная плоскость представляет собой непрерывную медную область на слое ПХД, которая служит общим эталонным напряжением для всех цепей. Ее основная функция заключается в обеспечении обратного пути тока с чрезвычайно низким импедансом, особенно на высоких частотах, где эффект кожи ограничивает ток поверхностью проводников. Твердая наземная плоскость предлагает несколько ключевых преимуществ для снижения ЭМИ:

  • Низкоиндуктивный обратный путь: Сигнальные токи возвращаются через плоскость непосредственно под следом, минимизируя индуктивность петли и излучаемые выбросы.
  • Эффект плоскости изображения: Наземная плоскость отражает электромагнитные волны, ограничив поля между следом и плоскостью. Это уменьшает перекрестные помехи и сохраняет выбросы, содержащиеся в стеке платы.
  • Щит: Наземная плоскость на внешнем слое может защитить чувствительные компоненты от внешних источников шума и предотвратить выход внутреннего шума.
  • Справочная плоскость распределения мощности: При использовании в сочетании с плоскостью мощности образует распределенную емкость, которая помогает отсоединить высокочастотный шум.

Типы наземных самолетов

Не все наземные плоскости идентичны. Выбор между наливом твердой меди и вылупленным или сетчатым рисунком зависит от производственных ограничений и требований к применению. Твердые плоскости предлагают наименьшее сопротивление и лучшее экранирование, но в многослойных платах с высокой плотностью меди управление температурой может стать проблемой. Зацепленные наземные плоскости иногда используются в гибких схемах или там, где плата должна выдерживать тепловое напряжение, но они вводят более высокую индуктивность и могут не подавлять EMI так же эффективно. Для большинства высокоскоростных цифровых и радиочастотных конструкций рекомендуется непрерывная твердая наземная плоскость .

Лучшие практики для проектирования наземного самолета

  • Избегать расщепления плоскостей грунта: Расщепление плоскости грунта на аналоговые и цифровые секции является распространенным заблуждением. Современные конструкции смешанного сигнала лучше всего работают с одной бесперебойной плоскостью грунта. Сплиты создают слот-антенны, которые излучают на резонансных частотах слота, ухудшая производительность EMI. Вместо этого отдельные аналоговые и цифровые компоненты , сохраняя при этом твердую ссылку на грунт по всей доске.
  • Плоскости грунта располагаются близко к сигнальным слоям: В многослойном стек-ап, удерживая плоскость грунта непосредственно прилегающей к сигнальному слою, уменьшает площадь петли и минимизирует импеданс. Например, четырёхслойная плата с сигналами на верхнем и нижнем слоях должна иметь грунт на слое 2 и мощность на слое 3, или наоборот.
  • Обеспечить адекватную сшивку: Когда наземные плоскости существуют на нескольких слоях, они должны быть связаны с несколькими сквозняками, расположенными через регулярные промежутки времени, особенно по периметру доски и вблизи высокоскоростных следов.
  • Использовать наземные плоскости под часовыми генераторами и осцилляторами:] Эти компоненты являются печально известными источниками EMI. Твердая наземная плоскость под ними, наряду с следами охраны и через заборы, помогает содержать поля.

Vias: Коннекторы, которые подавляют выбросы

Виас - это небольшие пластинчатые отверстия, которые соединяют различные слои ПХД. Они необходимы для установления низкоиндуктивных соединений между наземными плоскостями, но они также вводят паразитарную индуктивность и емкость, которые могут влиять на качество сигнала и ЭМИ. Понимание характеристик различных типов и того, как их оптимально разместить, является ключом к успешной конструкции.

Виды и их влияние на EMI

  • Сквозные отверстия: Они переходят от верхнего слоя к нижнему слою. Они имеют более высокую индуктивность из-за их длины, но их легче всего производить. Для наземной швовки несколько сквозных отверстия, расположенных параллельно, уменьшают общую индуктивность и улучшают подавление EMI.
  • Слепые и закопанные сквозняки:] Слепые сквозняки соединяют внешний слой с внутренним слоем, а закопанные сквозняки соединяют только внутренние слои. Они снижают паразитарную индуктивность по сравнению с сквозными сквозняками, потому что заглушки короче. Они обычно используются в плотных высокочастотных конструкциях, где важна каждая пикосекунда.
  • Микровии: Наименьший по типу, обычно образующийся при лазерном бурении на межсоединительных платах высокой плотности (HDI). Их низкая индуктивность делает их отличными для обеспечения наземных соединений непосредственно под ИС и для технологий сквозного соединения, которые отделяют мощность без длинных следов.

Паразитические эффекты и как их уменьшить

Каждая с помощью имеет небольшое количество последовательной индуктивности (обычно 0,5-1 нН для стандартной 0,3 мм с помощью) и емкость к окружающим плоскостям. На высоких частотах эта индуктивность может увеличить сопротивление грунта, победив цель низкого давления наземной плоскости. Для смягчения этих эффектов:

  • Использование нескольких сквозняков параллельно: Размещение нескольких сквозняков бок о бок для соединения двух наземных плоскостей снижает сетевую индуктивность. Общая индуктивность n сквозняков параллельно составляет приблизительно L/n (с некоторой связью). Для критических областей (например, вблизи переключающих ИС, тактовых следов, соединительных штифтов) используйте по меньшей мере два или три наземных сквозняка.
  • Продолжай с помощью заглушек коротко: Заглушка — это неиспользуемая часть заглушки, которая выходит за пределы соединяемых слоев. Длинные заглушки действуют как резонансные антенны на определенных частотах. Заднее бурение или использование слепых заглушек устраняет заглушки и улучшает высокочастотную производительность.
  • Оптимизация через интервал: При сшивании плоскостей земли по краю платы пространство проходит с интервалами не более 1/20 длины волны наибольшей частоты беспокойства. Для сигнала 1 ГГц это означает примерно 5 мм интервал. Для общих частот выбросов (от 30 МГц до 1 ГГц) часто используется интервал 1/8 дюйма (3 мм) или более плотный.

Скриншоты из игры Shielding

Сквозной забор представляет собой ряд близко расположенных сквозняков, окружающих чувствительную область или шумный след. Он действует как непрерывная медная стена, содержащая электромагнитные поля. Этот метод особенно эффективен для:

  • Уменьшение перекрестных помех между соседними следами: Размещение сквозного забора между двумя высокоскоростными линиями может улучшить изоляцию на 10-20 дБ.
  • Щит часовых сигналов: Путь трассировки с помощью забора круглосуточно предотвращает излучение на другие части доски.
  • В конструкциях со смешанными сигналами сквозной забор может отделять аналоговую и цифровую секции, сохраняя при этом плоскость общего грунта под забором.

Лучшие практики проектирования наземных самолетов и систем в смягчении EMI

В нижеследующих практических методах принципы, рассмотренные выше, синтезируются в согласованную методологию проектирования. Они должны быть адаптированы на основе конкретной технологии платы, диапазона частот и нормативных требований (например, FCC, CISPR).

Слой стек и размещение самолета

  • Используйте по меньшей мере четырехслойную стек-ап для конструкций с высокоскоростными сигналами (частоты часов выше 50 МГц, кромки ниже 1 нс.) Выделите один слой в качестве твердой плоскости земли, а другой в качестве плоскости мощности. Наземная плоскость должна быть прилегающей к слою, содержащему наиболее критические сигналы.
  • Для двухслойных досок используйте насыпь грунта на нижнем слое как можно ближе к верхнему сигнальному следу. Сшивайте насыпь грунта на верхний слой грунта с несколькими прокладками по сигнальному пути. Даже частичная наземная плоскость лучше, чем никакая.
  • Избегайте размещения силовых и наземных плоскостей рядом друг с другом в стек-ап, если диэлектрик очень тонкий, так как это может создать высокую емкость, которая уменьшает шум мощности, но также может связывать шум между плоскостями через диэлектрик. Используйте подходящую толщину препрега для балансировки разъединения и изоляции.

Возврат текущего руководства

Сигнальные токи всегда возвращаются по пути наименьшего импеданса, который на высоких частотах находится непосредственно под сигнальным следом на прилегающей плоскости земли. Если плоскость земли имеет щель или разрыв, то обратный ток должен обходить, увеличивая площадь петли и излучение. Поэтому:

  • Маршрутные сигналы по непрерывной поверхности. Если сигнал должен менять слои, предоставьте пару проходов, близких к переходу слоя: один для сигнала и один для обратного тока (часто через землю).
  • При пересечении разлома в плоскости земли используйте конденсаторы сшивания или направляйте сигнал вокруг разлома. Еще лучше избегать разломов вообще. Если разлом неизбежен (например, для высоковольтного зазора изоляции), поместите сигнальный след над зазором только в том случае, если он намного ниже резонансной частоты разрезов.

Сквозь пространство вокруг компонентов

Шумогенерирующие компоненты, такие как регуляторы переключения, тактовые осцилляторы и FPGA, требуют особого внимания:

  • Окружите компонент кольцом земли через на верхнем слое, соединяясь с внутренней плоскостью земли. Это создает локальную землю с низким сопротивлением и содержит выбросы ближнего поля.
  • Установить соединительные конденсаторы как можно ближе к силовым штифтам, с короткими следами к мощности и грунту через подушки.Участок через каждый конденсатор должен соединяться непосредственно с наземной плоскостью без дополнительной длины трассы.
  • Используйте несколько прокладок для каждой наземной площадки компонента (например, тепловые прокладки упаковок QFN). Это минимизирует индуктивность между внутренней наземной связью ИС и наземной плоскостью ПХБ.

Заземление периметра и соединение шасси

Для корпусов и экранированных корпусов плоскость грунта ПХБ должна быть соединена с грунтом шасси в нескольких точках. Используйте кольцо прокладок вокруг края доски (часто называемое «охранным кольцом») для создания соединения с шасси низкого давления. Это кольцо также помогает предотвратить сцепление внутренних полей с внешними кабелями и корпусами.

Реальные мировые соображения и торговые отношения

Высокоскоростной цифровой vs. RF Designs

В высокоскоростных цифровых схемах (например, PCIe, DDR, USB 3.0) акцент делается на минимизации обратных токовых петель и управлении импедансом. Наземные плоскости должны быть твердыми под каждой дифференциальной парой, и с помощью сшивания имеет решающее значение, где уровни меняются. В радиочастотных конструкциях наземная плоскость также служит в качестве эталона линии передачи. РЧ-дизайнеры часто используют микрополосы или полосовые структуры, которые требуют очень согласованной наземной плоскости с минимальным клиренсом для предотвращения разрывов импеданса.

Термический менеджмент

Медные плоскости проводят тепло, но плотные наземные плоскости могут препятствовать деформации платы во время пайки при переливе, если распределение меди несбалансировано. Конструкторам может потребоваться добавить небольшие промежутки или слоты для теплового облегчения, но эти слоты могут стать проблемами EMI, если они пересекают пути сигнала. Компромисс заключается в том, чтобы гарантировать, что любые промежутки в наземной плоскости малы относительно длины волны самой высокой частоты, и разместить швы вокруг зазоров для поддержания соединения низкого давления между двумя медными областями.

Стоимость и производство

Использование слепых, закопанных или микровиас увеличивает стоимость изготовления и сложность. Для недорогих потребительских товаров лучшим балансом может быть четырехслойная доска с прорезями через отверстия. Для высоконадежных или высокоскоростных конструкций инвестиции в передовые технологии часто окупаются в уменьшенном EMI, меньшем количестве отказов испытаний EMC и меньшем времени выхода на рынок. Многие тесты предварительного соответствия EMC можно избежать, инвестируя в надлежащую наземную плоскость и с помощью стратегии заранее.

Заключение

Наземные плоскости и сквозняки — это не просто пассивные элементы в компоновке ПХД; они являются активными инструментами для управления электромагнитной энергией. Хорошо спроектированная наземная плоскость обеспечивает низкоиндуктивность эталона и экранов чувствительных сигналов, в то время как стратегически размещенные сквозняки гарантируют, что земля продолжается без перерыва через слои и компоненты. Следуя лучшим практикам, изложенным выше — такие как поддержание непрерывных плоскостей, сшивание сквозняков через регулярные промежутки времени, управление обратными токами и использование через заборы для изоляции — дизайнеры могут значительно уменьшить EMI и повысить общую надежность системы.

Поскольку электронные системы продолжают работать на более высоких частотах и с более плотной упаковкой, основы наземной плоскости и через дизайн становятся еще более важными. Инструменты моделирования, такие как Ansys HFSS, CST Studio Suite и даже более простые полевые решатели, интегрированные в инструменты компоновки печатных плат, могут помочь проверить эффективность этих методов перед производством. Для дальнейшего чтения, проконсультируйтесь с ресурсами из IEEE EMC Society , примечания приложений из Texas Instruments по рекомендациям наземной плоскости и практические руководства из Библиотека дизайна печатных плат Altium . Освоение этих методов принесет дивиденды в уменьшенном времени отладки, более низких затратах на сертификацию и более надежных продуктах.