{"id":4223,"date":"2025-11-04T08:07:24","date_gmt":"2025-11-04T08:07:24","guid":{"rendered":"https:\/\/flj-pcb.com\/?p=4223"},"modified":"2025-11-04T08:07:27","modified_gmt":"2025-11-04T08:07:27","slug":"pcb-stack-up-design-to-reduce-emi","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/flj-pcb.com\/de_at\/pcb-stack-up-design-to-reduce-emi\/","title":{"rendered":"PCB Stack-Up Design zur Reduzierung von EMI"},"content":{"rendered":"

Einf\u00fchrung<\/h2>\n\n\n\n

Das Informationszeitalter ist angebrochen, und die Verwendung von Leiterplatten nimmt st\u00e4ndig zu. PCB-Designs werden immer komplexer. Da die elektronischen Bauteile auf den Leiterplatten immer dichter beieinander liegen, werden elektrische Interferenzen zu einem h\u00e4ufigen Problem. Bei mehrlagigen Leiterplatten m\u00fcssen Signallagen und Stromversorgungs- oder Masselagen voneinander getrennt werden. Das macht das Stapeldesign und die Lagenanordnung sehr wichtig. Ein guter Stapelaufbau kann EMI und \u00dcbersprechen erheblich reduzieren.<\/p>\n\n\n\n

Warum Multilayer-Platten verwenden<\/h2>\n\n\n\n

Im Vergleich zu einlagigen Leiterplatten verf\u00fcgen Multilayer-Leiterplatten \u00fcber zus\u00e4tzliche Signallagen, Routing-Lagen und separate Stromversorgungs- und Erdungsebenen. Der Hauptvorteil ist, dass sie eine stabile Spannung f\u00fcr digitale Signale liefern. Sie verteilen die Energie gleichm\u00e4\u00dfig auf alle Teile. Dies tr\u00e4gt dazu bei, das Rauschen zwischen den Signalen zu verringern.<\/p>\n\n\n\n

Leistungsebene und Grundplatte<\/h2>\n\n\n\n

Durch die Verwendung gro\u00dfer Kupferfl\u00e4chen f\u00fcr die Stromversorgung und einer soliden Massefl\u00e4che wird der Widerstand dieser Fl\u00e4chen gesenkt. Durch den geringeren Widerstand bleibt die Spannung der Stromversorgungsebene konstant. Dadurch kann jede Signalleitung ihre charakteristische Impedanz beibehalten. Eine stabile Impedanz tr\u00e4gt zur Reduzierung von Reflexionen und \u00dcbersprechen bei. Beim High-End-Leiterplattendesign entscheiden sich die Designer h\u00e4ufig f\u00fcr Stapel mit mehr als sechs Lagen. Mehrlagige Leiterplatten sind einlagigen oder niedriglagigen Leiterplatten in Bezug auf die elektrische Leistung und die Reduzierung der elektromagnetischen Strahlung \u00fcberlegen. Die Kosten steigen mit der Anzahl der Lagen. Der Leiterplattenpreis h\u00e4ngt von der Anzahl der Lagen und der Dichte der Leiterbahnen pro Fl\u00e4cheneinheit ab. Wenn Sie Lagen einsparen, um Geld zu sparen, verlieren Sie Platz f\u00fcr das Routing. Dadurch erh\u00f6ht sich die Leiterbahndichte. M\u00f6glicherweise m\u00fcssen Sie schmalere Leiterbahnen und kleinere L\u00fccken verwenden, um das Design zu erf\u00fcllen. Diese \u00c4nderungen k\u00f6nnen die Kosten erh\u00f6hen oder die Herstellung der Leiterplatte erschweren. Das Schneiden von Lagen kann die Kosten senken, aber die elektrische Leistung kann darunter leiden. Diese Entscheidung kann nach hinten losgehen.<\/p>\n\n\n\n

Microstrip, R\u00fcckweg und Grundplatte als Teil der \u00dcbertragungsleitung<\/h2>\n\n\n\n

Betrachtet man ein PCB-Mikrostreifen-Layout als Modell, so kann die Massefl\u00e4che Teil der \u00dcbertragungsleitung sein. Der Massekupferguss unter einer Signalleitung dient als R\u00fcckweg f\u00fcr das Signal. Die Leistungsebene ist in der AC-Ansicht durch Entkopplungskondensatoren mit der Erde verbunden. Diese beiden Ebenen fungieren auf die gleiche Weise f\u00fcr die Signalr\u00fcckf\u00fchrung. Der Unterschied zwischen niederfrequenten und hochfrequenten Stromschleifen besteht darin, wie der R\u00fcckstrom seinen Weg findet. Bei niedriger Frequenz kehrt der Strom \u00fcber den Weg mit dem geringsten Widerstand zur\u00fcck. Bei hohen Frequenzen kehrt der Strom \u00fcber den Weg mit der geringsten Induktivit\u00e4t zur\u00fcck. Der R\u00fcckstrom konzentriert sich in der Regel direkt unter der Signalspur.<\/p>\n\n\n\n

Hochfrequenz-R\u00fcckstrom und Selbstabschirmung<\/h2>\n\n\n\n

Wenn eine Leiterbahn bei hohen Frequenzen direkt \u00fcber der Grundplatte liegt, flie\u00dft der Strom selbst bei vielen R\u00fcckleitungen unter der Signalleiterbahn auf der n\u00e4chstgelegenen Leiterbahnschicht, die zur Quelle zur\u00fcckf\u00fchrt, zur\u00fcck. Dieser Pfad hat die niedrigste Impedanz. Die Verwendung gro\u00dfer Entkopplungskondensatoren zur Verbindung von Strom und Erde unterdr\u00fcckt elektrische Felder durch Kapazit\u00e4t. Eine niedrige Induktivit\u00e4t des R\u00fcckwegs unterdr\u00fcckt magnetische Felder. Durch diese beiden Effekte wird die Nettoreaktanz niedrig gehalten. Wir nennen das Selbstabschirmung.<\/p>\n\n\n\n

Schleifenfl\u00e4che, Entfernung und Stromdichte<\/h2>\n\n\n\n

Aus den Gleichungen f\u00fcr den R\u00fcckstrom geht hervor, dass die R\u00fcckstromdichte in umgekehrtem Verh\u00e4ltnis zum Abstand von der Signalleitung steht. Ein geringerer Abstand ergibt eine kleinere Schleifenfl\u00e4che und eine geringere Induktivit\u00e4t. Wenn die Signalleitung und der R\u00fcckweg nahe beieinander liegen, sind die Str\u00f6me in ihnen \u00e4hnlich gro\u00df und entgegengesetzt gerichtet. Ihre Magnetfelder heben sich im Nahbereich gegenseitig auf. Das macht die externe EMI sehr gering. Beim Stack-up-Design ist es am besten, eine Massefl\u00e4che in der N\u00e4he jeder Signalebene zu platzieren.<\/p>\n\n\n\n

Nebensprechen durch gegenseitige Induktivit\u00e4t<\/h2>\n\n\n\n

Beim Massefl\u00e4chen\u00fcbersprechen verursachen Hochfrequenzschaltungen das \u00dcbersprechen haupts\u00e4chlich durch induktive Kopplung. Nach der R\u00fcckstromformel bilden zwei nahe beieinander liegende Signalleitungen sich \u00fcberlappende Stromschleifen. Diese \u00fcberlappenden Schleifen f\u00fchren zu Magnetfeldst\u00f6rungen. Der Kopplungsfaktor K in der Formel h\u00e4ngt von der Signalanstiegszeit und von der L\u00e4nge der st\u00f6renden Leiterbahn ab. Im Stack-up wird durch die Ann\u00e4herung von Signalschicht und Massefl\u00e4che die St\u00f6rung durch die Massefl\u00e4che verringert.<\/p>\n\n\n\n

Kupfert\u00f6pfe, Risse und Isolationsw\u00e4nde<\/h2>\n\n\n\n

Beim Routing m\u00fcssen die Entwickler beim Gie\u00dfen von Kupfer f\u00fcr Stromversorgung und Masse darauf achten, dass im Gussbereich keine Isolationswand entsteht. Dieses Problem entsteht oft durch zu viele Durchkontaktierungen oder einen schlechten Isolationsplan f\u00fcr die Durchkontaktierung. Das Ergebnis kann ein langsamer Flankenanstieg, ein gr\u00f6\u00dferer Schleifenbereich, eine h\u00f6here Induktivit\u00e4t und mehr Nebensprechen und EMI sein.<\/p>\n\n\n\n

Durchgangsdichte und Durchgangsz\u00e4une k\u00f6nnen die Grundplatte in Inseln aufteilen. Diese Inseln zwingen den R\u00fcckstrom, einen l\u00e4ngeren Weg zu nehmen. Das erh\u00f6ht die Schleifenfl\u00e4che und die Induktivit\u00e4t. Um dies zu vermeiden, sollten Sie die Platzierung von Vias und die Aufteilung von Ebenen so gestalten, dass der R\u00fcckstrom reibungslos flie\u00dfen kann. Wenn Sie Ebenen f\u00fcr unterschiedliche Spannungen teilen m\u00fcssen, platzieren Sie Stitching-Vias und halten Sie die Entkopplung in der N\u00e4he der Bauteile.<\/p>\n\n\n\n

Paarung von Kupfert\u00f6pfen f\u00fcr Prozessgleichgewicht<\/h2>\n\n\n\n

Wenn wir Kupfer in die Leiterplatte einbringen, sollten wir versuchen, die Lagen paarweise zu platzieren, um einen ausgewogenen Prozess zu gew\u00e4hrleisten. Dies ist ein Problem bei der Leiterplattenherstellung. Unausgewogenes Kupfer kann die Leiterplatte verziehen. F\u00fcr jede Signallage ist es am besten, eine passende Kupferlage als Nachbarn zu haben. Der Abstand zwischen einer Hochstromebene und einer benachbarten Kupferschicht wirkt sich auf die Stabilit\u00e4t und die EMI aus. Beim Design von Hochgeschwindigkeitsplatinen ist es \u00fcblich, zus\u00e4tzliche Masselagen zwischen den Signallagen anzubringen. Diese zus\u00e4tzlichen Masselagen dienen als Abschirmung und tragen dazu bei, die EMI niedrig zu halten.<\/p>\n\n\n\n

Entkopplung und R\u00fcckweg in der N\u00e4he der Quelle<\/h2>\n\n\n\n

Halten Sie Entkopplungskondensatoren in der N\u00e4he der Stromanschl\u00fcsse von Ger\u00e4ten. Entkopplungskondensatoren verbinden die Stromversorgungs- und Erdungsebenen bei hohen Frequenzen miteinander. Eine gute Entkopplung sorgt f\u00fcr einen kurzen R\u00fcckweg in der N\u00e4he des Ger\u00e4ts. Das verringert die Schleifenfl\u00e4che und senkt die Induktivit\u00e4t. Kurze Schleifen verringern EMI und Nebensprechen.<\/p>\n\n\n\n

Impedanzkontrolle und Spureneigenschaften<\/h2>\n\n\n\n

Die Kontrolle der Leiterbahnimpedanz bedeutet, dass die Geometrie der Leiterbahn und die dielektrischen Eigenschaften konstant gehalten werden. Eine konstante Impedanz sorgt f\u00fcr saubere Signale und reduziert Reflexionen. Um die Impedanz zu kontrollieren, legen Sie die Leiterbahn \u00fcber eine feste Bezugsebene und halten Sie den Abstand und die dielektrische Konstante konstant. Eine Erdungsreferenz direkt unter der Leiterbahn sorgt f\u00fcr ein gutes Mikrostreifen- oder Streifenleitungsverhalten. Dies gilt sowohl f\u00fcr Single-Ended- als auch f\u00fcr Differentialpaare.<\/p>\n\n\n\n

Differentialpaare und Gleichtaktrauschen<\/h2>\n\n\n\n

Differenzielle Paare ben\u00f6tigen einen engen Abstand und eine solide Bezugsebene, um die Differenzimpedanz stabil zu halten. Differentialsignalisierung reduziert Gleichtaktst\u00f6rungen, wenn das Paar gut gef\u00fchrt wird. Halten Sie das Paar zusammen, vermeiden Sie Stichleitungen, und halten Sie die R\u00fcckleitungsebene dicht. Das reduziert sowohl die abgestrahlte EMI als auch das \u00dcbersprechen auf benachbarte Netze.<\/p>\n\n\n\n

Routingregeln und Kompromisse bei der Anzahl der Schichten<\/h2>\n\n\n\n

Wenn die Lagenzahl sinkt, sinkt auch der Platz f\u00fcr die Leiterbahnen. Dies zwingt die Designer dazu, die Leiterbahnbreite und den Abstand zu verringern. Diese h\u00f6here Routing-Dichte kann das \u00dcbersprechen und die Impedanzschwankungen erh\u00f6hen. Bei vielen Designs ist es die richtige Entscheidung, eine h\u00f6here Lagenzahl zu akzeptieren, um das Routing zu vereinfachen und die elektrische Leistung zu erhalten. Die Kosten f\u00fcr mehr Lagen sind real, aber schlechte Signalintegrit\u00e4t kann mehr Zeit f\u00fcr die Fehlersuche und Produktausf\u00e4lle kosten.<\/p>\n\n\n\n

Hochgeschwindigkeitsplatten und zus\u00e4tzliche Bodenschichten<\/h2>\n\n\n\n

Hochgeschwindigkeitsplatinen profitieren von zus\u00e4tzlichen Masseschichten zur Isolierung der Signalebenen. Dadurch wird die Kopplung zwischen Signalen auf verschiedenen Lagen reduziert. Die zus\u00e4tzlichen Masselagen wirken wie Abschirmungen. Sie bieten einen nahe gelegenen R\u00fcckweg mit niedriger Induktivit\u00e4t. Dadurch wird die elektromagnetische Beeinflussung verringert und das Timing vorhersehbarer.<\/p>\n\n\n\n

Praktische Tipps f\u00fcr Stapeln und Routenplanung<\/h2>\n\n\n\n