Контроль электромагнитных помех (EMI) имеет ключевое значение в проектировании высокоскоростных печатных плат, и одной из часто упускаемых из виду областей является влияние корпусов интегральных схем (ИС). Включение развязывающих конденсаторов в корпус ИС позволяет эффективно снижать EMI и улучшать целостность сигнала. Это руководство описывает роль корпусов ИС в подавлении EMI, исследует причины возникновения EMI, ключевые аспекты проектирования корпусов ИС и предлагает практические правила для оптимизации производительности.
Причины возникновения EMI
Электромагнитные помехи возникают из-за переходных сигналов в цифровых ИС, особенно в процессе переключения между высокими и низкими уровнями логики. Высокочастотные гармоники прямоугольных сигналов, генерируемые во время этих переходов, вносят основной вклад в EMI.
Формула расчета полосы излучения EMI подчеркивает связь между временем нарастания сигнала и частотой EMI:
F=0.35TrF = \frac{0.35}{T_r}
Где:
- F — частота излучения EMI в ГГц.
- T_r — время нарастания или спада сигнала в наносекундах (нс).
Пример:
- При времени нарастания (T_r) 1 нс EMI достигает 350 МГц.
- Более быстрое время нарастания 500 пс увеличивает частоту EMI до 700 МГц.
Кроме того, недостаточный контроль емкости и индуктивности в сигнальных и силовых цепях усиливает EMI. Управление этими факторами на уровне корпусов ИС может значительно улучшить общую производительность системы.
Роль корпусов ИС в подавлении EMI
Корпус ИС соединяет кремниевую микросхему с внешними цепями через внутренние печатные платы и выводы. Ключевые факторы проектирования включают:
- Метод соединения:
- Проволочные соединения часто используются для соединения кремниевой микросхемы с внутренней платой. Хотя этот метод экономичен, он увеличивает индуктивность из-за больших контуров тока.
- Прямое соединение уменьшает индуктивность, соединяя микросхему напрямую с контактными площадками, но требует специальных материалов с низким коэффициентом теплового расширения (CTE), что увеличивает стоимость.
- Контроль емкости и индуктивности:
- Корпуса с малым шагом контактов работают лучше, чем выводные корпуса.
- Корпуса типа BGA обеспечивают минимальную индуктивность выводов, что делает их идеальными для высокоскоростных схем.
- Распределение выводов:
- Сопрягайте выводы питания и земли парами для снижения индуктивности.
- Обеспечьте достаточное количество возвратных путей для сигналов (например, один вывод земли на каждые 4–6 выводов сигнала).
11 правил проектирования для контроля EMI в корпусах ИС
1. Выбирайте корпуса с низкой индуктивностью
Используйте корпуса типа BGA или с малым шагом контактов для минимизации индуктивности.
2. Оптимизируйте распределение выводов
- Сопрягайте выводы питания и земли.
- Обеспечьте возвратные пути для каждого сигнала.
3. Придавайте приоритет контролю емкости
Разрабатывайте корпуса ИС с достаточной емкостью между питанием, землей и сигналами.
4. Используйте развязывающие конденсаторы
Размещайте конденсаторы внутри корпуса ИС для фильтрации высокочастотных шумов.
5. Выбирайте материалы с низким CTE
Для прямых соединений используйте подложки, соответствующие термическому расширению кремниевых микросхем.
6. Избегайте длинных проводных соединений
Используйте прямые соединения или минимизируйте длину проводов для уменьшения контуров тока.
7. Включайте экранирование
Проектируйте корпуса ИС с экранами Фарадея или другими методами экранирования для подавления EMI.
8. Используйте дифференциальные сигналы
Обеспечьте симметричное распределение выводов для дифференциальных сигналов для минимизации EMI.
9. Минимизируйте силу драйвера на выходе
Уменьшите крутизну фронтов сигналов для ограничения времени нарастания и снижения EMI.
10. Реализуйте меры по улучшению питания
Используйте встроенные развязывающие или внутренние байпасные конденсаторы для подавления шума питания.
11. Проверьте совместимость с проектом печатной платы
Убедитесь, что расположение выводов ИС согласуется с компоновкой печатной платы для эффективного распределения питания и земли.
Эффективное подавление EMI начинается с проектирования корпуса ИС. Выбирая ИС с оптимизированной структурой выводов, корпусами с низкой индуктивностью и встроенными функциями подавления EMI, инженеры могут значительно упростить управление EMI на уровне системы.
Уделяя внимание интеграции высокоскоростных ИС с печатными платами, можно улучшить целостность сигнала, снизить EMI и повысить надежность электроники.
