Beherrschung der EMI-Kontrolle im PCB-Design: Wie man das Stackup für das EMC-Design auswählt

Eines der wichtigsten Konzepte, die man beherrschen muss, wenn man PCBs entwirft, die in Bezug auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) überzeugen, ist die Wahl des Schichtenaufbaus der PCB.

Abbildung 1 - Layer Stack Manager Werkzeug in Altium Designer

Dies wird zu einem der bedeutendsten Aspekte, da es eng mit der Eindämmung der elektromagnetischen Felder in unserem PCB-Design zusammenhängt.

In diesem dritten Artikel der Serie Beherrschung der EMI-Kontrolle im PCB-Design werden wir diese Konzepte weiter erforschen und uns auch andere wichtige EMV-Konzepte ansehen.

Für ein Signal, um in einem Schaltkreis zu propagieren, benötigt es zwei Leiter, um eine vollständige Stromschleife zu bilden. Ein Leiter führt das Signal, und der andere bietet den Rückweg, um sicherzustellen, dass Strom fließen kann und das Signal effektiv übertragen wird. Einen der Leiter nennen wir den Signalleiter, und den anderen nennen wir den Signalrückführungs- und Referenzleiter. Der Referenzrückführungsleiter wird so genannt, weil seine Aufgabe nicht nur darin besteht, die Referenz (oder Null Volt) für das Signal zu liefern, sondern auch, weil er den Weg des geringsten Impedanz für den Signalstrom zurück zur Quelle, die ihn erzeugt hat, bereitstellen muss. Um den Weg der geringsten Impedanz zu erreichen, wäre die beste Konfiguration, eine Ebene anstelle einer Spur zu wählen, und diese Ebene sollte keine Spaltungen, Schnitte oder andere Segmentierungen aufweisen, die Impedanzdiskontinuitäten für die Signale erzeugen können.

Von diesem grundlegenden Konzept ausgehend, können wir sehen, dass wir für jede Schicht, in der wir ein Signal haben, den zweiten Leiter, die Rückführungs- und Referenzebene, benötigen, die den Rück- und Referenzpfad bereitstellt. Indem wir dieser einfachen Regel folgen, können wir dann entscheiden, wie wir unsere Stackups entwerfen, einfach indem wir jede Signallage mit der angrenzenden Rückführungs- und Referenzebene (RRP) abgleichen.

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Im Folgenden sind einige Beispiele für Stackups aufgeführt, die die elektromagnetische Interferenz auf ein Minimum reduzieren.

Beispiel für einen 2-Lagen-Stackup

Bei einem 2-Lagen-Stackup können wir eine Konfiguration haben, bei der eine Lage den Signalen und Stromleitungen gewidmet ist, während die zweite Lage eine solide Rückführungsreferenzebene ist.

Abbildung 2 - Beispiel eines 2-Lagen-Stackups mit dem Layer Stack Visualizer-Tool in Altium Designer

Die Ebene sollte keine Spaltungen oder andere große Lücken aufweisen. Dies ist auch wichtig, um zu vermeiden, dass Signale über Lücken geführt werden, was Impedanzdiskontinuitäten erzeugen und die Stromschleifenpfade vergrößern kann, was letztendlich die abgestrahlten Emissionen erhöht. Wenn wir Leiterbahnen haben, die von einer Lage zur anderen wechseln müssen, wollen wir sicherstellen, dass der Übergang so kurz wie möglich ist und nicht unter anderen Signalleitungen erfolgt.

Beispiel für einen 4-Lagen-Stackup

Der gleiche Ansatz kann für einen 4-Lagen-Stackup verwendet werden. Dieser Stackup eignet sich, wenn die Dichte von Komponenten und Leiterbahnen zunimmt und eine zweite Lage für das Routing von Signalleitungen benötigt wird. Obwohl ein 3-Lagen-Stackup eine ähnliche Konfiguration erreichen könnte, ist es in der Regel nicht die beste Option für Herstellungszwecke, da Hersteller normalerweise Lagen-Stackups paarweise anbieten.

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Für einen 4-Lagen-Stackup gibt es zwei effiziente Konfigurationen:

1. Die erste Konfiguration hat die Rückführungsreferenzebenen als eingebettete Ebenen im Stackup. Das bedeutet, dass Schicht 1 und Schicht 4 die Signalebenen sein werden, während die Schichten 2 und 3 die Rückführung und Referenz für die Signale auf den Schichten 1 und 4 bereitstellen.

2. Die zweite Konfiguration hat die Rückführungsreferenzebenen auf den Schichten 1 und 4, die als eine Art Schild für die Schaltung wirken, während die Signalebenen auf den Schichten 2 und 3 eingebettet im Stackup sind. In dieser Konfiguration möchten wir den Abstand zwischen den Schichten 2 und 3 erhöhen, damit die Felder beider Signale sich nicht gegenseitig stören. Stattdessen koppelt jede Signalebene mit den Rückführungsreferenzebenen.

In beiden Konfigurationen sollten auch Stitching-Vias zwischen den Rückführungsreferenzebenen implementiert werden. Die Hauptzwecke davon sind:

• Ein Art Faraday-Schild zu erstellen, um Emissionen und externe Störungen zu reduzieren;

• Die Ebenen so gleichpotential wie möglich zu halten und gemeinsame Modusspannungen zu reduzieren;

• Die Rückführung und Referenz für Signale bereitzustellen, die vertikal von einer Schicht zur anderen wechseln.

In diesem Fall wird die Leistung auch auf den Signalebenen geroutet.

Abbildung 3 - Beispiel eines 4-Lagen-Stackups mit dem Layer Stack Visualizer-Tool in Altium Designer

Der Fall, dass eine Schicht vollständig der Stromversorgung in einem 4-Lagen-Stackup gewidmet ist, wird absichtlich ausgelassen, da dies aus EMC-Designgründen nicht empfohlen wird, aufgrund des gemeinsamen Modus-Spannungsrauschens, das es erzeugen kann, wenn es nicht korrekt ausgeführt wird. Dieses Thema erfordert mehr technische Details, die wir für ein anderes Mal aufheben werden.

Beispiel für einen 6-Lagen-Stackup

Der 6-Lagen-Stackup bietet einen höheren Grad an Freiheit, wie wir Signal- und Stromschichten zuweisen.

Abbildung 4 - Beispiel eines 6-Lagen-Stackups mit dem Layer Stack Visualizer-Tool in Altium Designer

Zwei sehr effektive Stackups können hervorragende Leistung in Bezug auf EMC bieten:

1. Stackup 1: Signale werden auf den Schichten 1 und 6 geroutet, mit Rückführungsreferenzebenen auf den Schichten 2 und 5 sowie zusätzlichen Signallagen auf den Schichten 3 und 4. Diese Konfiguration ermöglicht es, dass die Schichten 2 und 5 als Rückführungs- und Referenzebenen für alle vier Signallagen dienen, anstatt nur für zwei. Dies wird durch den Skin-Effekt ermöglicht, der unterschiedliche Ströme auf jeder Seite der Ebenen ohne Vermischung zulässt. Der Skin-Effekt ist im Wesentlichen die Tendenz eines Wechselstroms (AC), sich innerhalb eines Leiters so zu verteilen, dass die Stromdichte nahe der Oberfläche des Leiters am größten ist und zur Mitte hin abnimmt. Dieses Phänomen tritt auf, weil das sich ändernde Magnetfeld, das durch den AC erzeugt wird, Wirbelströme induziert, die dem Stromfluss im Zentrum des Leiters entgegenwirken und den Strom dazu zwingen, mehr am Rand zu fließen. In dieser Art von Stackup können die Stromnetze zusammen mit den Signallagen geroutet werden.

2. Stackup 2: Signale werden auf den Schichten 1 und 6 geroutet, wobei die Schichten 2 und 5 als Rückbezugsschichten dienen. In dieser Konfiguration werden die Schichten 3 und 4 als Stromversorgungsebenen verwendet. Dieser Stackup ist besonders effektiv, insbesondere wenn mehr Leistung benötigt wird oder ein Netzwerk zur Stromversorgung mit niedriger Impedanz erforderlich ist. Es wird empfohlen, für die Rückbezugsschichten und die Stromversorgungsschichten solide, homogene Ebenen zu verwenden. Das Verwenden unterschiedlicher Polygone auf einer einzigen Schicht ist nicht ratsam, da dies gemeinsamen Moduslärm erzeugen und zu abgestrahlten Emissionen führen kann, wenn Kabel angeschlossen sind. Widmen Sie jede Ebene einer Spannung, um diese Probleme zu vermeiden und das Netzwerk zur Stromversorgung (PDN) der Platine zu verbessern.

Wie beim 4-Lagen-Stackup sollte sichergestellt werden, dass zwischen den internen Signal- und Stromversorgungsschichten ein ausreichender Abstand besteht, um eine Kopplung zwischen ihnen zu vermeiden, während die Kopplung mit den Rückbezugsschichten maximiert wird. Außerdem sollten Stitching-Vias zwischen den Rückbezugsebenen implementiert werden, wenn möglich.

Beispiele für einfache Multilayer-Stackups mit Altium Designer

Glücklicherweise wird die Auswahl des PCB-Stackups mit Altium Designer^® einfacher.

Mit dem integrierten Layer Stack Manager-Tool können Sie benutzerdefinierte Stackups für Ihre PCBs erstellen oder voreingestellte Stackups verwenden, was die Arbeit des PCB-Designers erheblich erleichtert. Das Layer Stack Manager-Tool ermöglicht es Ihnen auch, fortgeschrittenere Arten von Stackups zu erstellen, bei denen Sie auch die charakteristische Impedanz für Ihre Signale berechnen können, ohne dass Drittanbieter-Rechner benötigt werden.

Dies ist eine der vielen Funktionen von Altium Designer^®, die eine nahtlose und genaue Erstellung von PCB-Projekten ermöglicht und den Designprozess nicht nur einfacher, sondern auch angenehmer macht.

Im nächsten Artikel werden wir untersuchen, wie man PCBs für niedrige EMI entwirft und optimiert. Stellen Sie sicher, dass Sie unseren Seiten und sozialen Medien folgen, damit Sie es nicht verpassen.

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