PCB Layout Tipps und Tricks: Verwenden Sie eine Ground Plane wann immer möglich

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Anonim

PCB Layout Tipps und Tricks: Verwenden Sie eine Ground Plane wann immer möglich


Dieser Artikel beschreibt die Bedeutung von richtigen Erdungstechniken beim PCB-Design.

Zugehörige Informationen

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  • PCB Layout Style Fehler, die dein Design ruinieren können

Ich leugne nicht, dass es möglich ist, eine Leiterplatte ohne eine Massefläche zu konstruieren, und in vielen Fällen können Sie auf diese Weise eine voll funktionsfähige Platine erstellen (oder zumindest wird sie voll funktionsfähig sein, wenn sie in einer günstigen Umgebung arbeitet). Aber Bodenflugzeuge sind ein einfacher Weg, um die Leistung zu verbessern und Probleme zu vermeiden, und meiner Meinung nach gibt es wenige Situationen, in denen es eine gute Idee ist, Erdverbindungen mit gewöhnlichen Spuren herzustellen.

Kupfer ist ein Widerstand

Schematische Diagramme haben Drähte, aber im wirklichen Leben gibt es keine Drähte (außer jemand hat angefangen, Leiterplatten mit Supraleitern herzustellen …). Physikalische Verbindungen, einschließlich PCB-Spuren, sind niederohmige Widerstände. Die Tatsache, dass wir diesen Verbindungswiderstand oft ignorieren können, bedeutet nicht, dass er keinen Einfluss auf die Funktionalität einer Schaltung hat. Auf Seite 8 dieses Dokuments, das von Analog Devices veröffentlicht wird, demonstriert der Autor, dass eine 5 cm PCB-Ablaufverfolgung mehr als 1 LSb Fehler in den digitalisierten Werten, die von einem 16-Bit-ADC generiert werden, einführen kann.

Auf der Trace Resistor Calculator-Seite von AAC finden Sie weitere Informationen zu der oben gezeigten Gleichung.

In vielen Fällen können wir nicht viel tun, um die Auswirkungen von Widerständen in einer Signalspur zu mildern: winzige ICs und der Wunsch nach Schaltungsverkleinerung führen oft zu überfüllten Layouts, die keine breiten Spuren oder optimale Komponentenplatzierung zulassen. Wir können jedoch die Gesamtsituation verbessern, indem wir eine Grundebene verwenden, die den Widerstand des Rückwegs verringert.

Dieser verringerte Rückwegwiderstand ist ein grundlegender Vorteil der Integration einer Masseebene in Ihre Leiterplatte. Es reduziert das Rauschen, das durch Schwankungen im Rückstrom verursacht wird, und es stellt eine gleichmäßigere Erdungsspannung her (weil weniger Widerstand bedeutet, dass weniger Spannung zwischen physikalisch getrennten Teilen des Erdungsnetzes abfällt). Indem Sie eine ganze Schicht der Erde zuweisen und alles über Vias und Durchgangslöcher mit der Ebene verbinden, machen Sie Ihre physische Schaltung mehr wie die idealisierte Schaltung in der schematischen Darstellung.

Einfacher und Kleiner

Eine Masseebene verbessert die elektrischen Eigenschaften Ihrer Schaltung und vereinfacht gleichzeitig Ihre Layoutaufgabe und reduziert in einigen Fällen die Größe Ihrer Leiterplatte. Ich werde nicht auf diese Aspekte eingehen, weil ich denke, dass sie mehr oder weniger selbsterklärend sind. Das Flugzeug ermöglicht es Ihnen, überall dort Zugang zum Bodennetz zu erhalten, wo Sie ein Via hineinquetschen können - und das Zusammendrücken in einem Via ist viel einfacher als das Schlängeln einer Bodenverbindung durch ein Wirrwarr von Spuren, Kupfergüssen und Feinpitch-ICs.

Dieses verbesserte Routing ermöglicht es Ihnen, die Komponenten näher zusammen zu schieben und somit die Boardgröße zu verringern. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Platine größer wird, wenn die Grundebene dazu führt, dass Sie eine von zwei Komponentenschichten verlieren Ausgabe gegen Ende des Artikels).

Vermeiden Sie Ground Loops

Nach meiner Erfahrung kann sich der Begriff "Ground Loop" auf jede Situation beziehen, in der ein System von einer Bodenpotentialdifferenz betroffen ist. Ein typisches Beispiel ist, wenn zwei Module über ein langes Kabel verbunden sind und der Rückstrom im Kabel dazu führt, dass die Erdspannung eines Moduls deutlich höher ist als die Erdspannung des anderen Moduls. In dieser Diskussion beziehe ich mich jedoch speziell auf eine Schleife von Masseverbindungen; beispielsweise:

Wenn Sie zahlreiche Masseverbindungen mit einzelnen Leiterbahnen herstellen müssen, wäre es nicht schwierig, eine Schleife wie die oben gezeigte zu erstellen. Wenn Sie meinen Artikel über Gegeninduktivität gelesen haben, wissen Sie, dass diese Art von leitender Schleife ein guter Empfänger für magnetische Störungen ist.

Das Vorhandensein einer Erdungsebene macht es nicht unmöglich, eine Erdungsschleife zu erstellen, da das CAD-Programm Sie nicht daran hindert, Spuren zwischen den Erdungspunkten zu zeichnen. Aber wenn Sie Ihre Erdungsverbindungen konsequent über Durchkontaktierungen oder Durchgangslöcher herstellen, sollte das Problem weitgehend verschwinden: Wenn Sie Durchkontaktierungen in die Ebene fallen lassen, stellen Sie eine direkte Verbindung von der Komponente zu einem Massepunkt her, der durch niederohmige Impedanz mit der anderen Masse verbunden ist Punkte in der Schaltung.

Ein integrierter Schild

Eine feste Massefläche bietet einen gewissen Schutz gegen elektromagnetische Störungen (sowohl gestrahlt als auch empfangen). Ich würde mich nicht auf ein Grundgerät verlassen, um all Ihre EMI-Probleme zu lösen, besonders wenn Sie Komponenten auf beiden Seiten des Boards haben; ein sorgfältig entworfenes leitfähiges Gehäuse wäre effektiver. Nichtsdestotrotz hilft jedes kleine bisschen, und wenn Sie über EMI besorgt sind, dann haben Sie noch einen Grund, eine Grundfläche in Ihr Layout einzubauen.

Der PCB-Plane-Kondensator

Dies ist kein großer Vorteil und gilt nur für Masseebenen, die an ein Energieflugzeug angrenzen. Ich denke, es ist trotzdem erwähnenswert. Eine Masseplatte, die durch ein dünnes Dielektrikum von einer Stromversorgungsebene getrennt ist, klingt viel wie ein Parallelplattenkondensator, und genau das ist es. Diese Struktur fügt der gesamten Leiterplatte ein wenig verteilte Stromversorgungskapazität hinzu, obwohl sie Ihre Entkopplungskondensatoren sicherlich nicht ersetzen wird.

Praktische Hindernisse

Ich kann mir kein Szenario vorstellen, in dem eine vierschichtige Leiterplatte keine Masseebene hätte. Ich nehme an, es ist möglich, dass ein sehr dichtes Layout beide internen Schichten für normales Signal-Routing benötigt, aber das scheint unwahrscheinlich: Es besteht kein Zweifel, dass das Flugzeug den Routing-Bereich einnimmt, aber durch die Vereinfachung von Masseverbindungen reduziert es auch den Routing-Bereich Board wird benötigt.

Ein viel realistischeres Szenario ist, dass eine Grundebene weggelassen wird, weil Plan- oder Budgetprobleme zugunsten einer zweischichtigen Platine sprechen. Jetzt verbraucht die Masseebene eine von nur zwei PCB-Schichten. Ist es wirklich besser, eine Grundebene einzubeziehen, wenn das bedeutet, dass fast alle Spuren und Komponenten auf eine Ebene "" src = "// www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/techarticle_IBPS3_2_2.JPG" /> gestopft werden müssen

Dies ist die Grundschicht für ein zweischichtiges Board, das ich vor einiger Zeit entworfen habe . Manchmal braucht man wirklich die zweite Schicht als Fluchtweg für ein paar schwierige Verbindungen, und das ist kein großes Problem. Die Ebenenschicht muss nicht 100% geschliffen sein.

Zusammenfassung

Das Hinzufügen einer Masseebene zu Ihrer Leiterplatte ist eine einfache, kostengünstige und hocheffektive Möglichkeit, elektronische Bauteile zu entwerfen, die eine bessere Signalintegrität, eine höhere Genauigkeit und eine höhere Störfestigkeit aufweisen. Wenn Sie nicht die Angewohnheit haben, eine Bodenfläche einzubauen, sollten Sie diese Vorteile berücksichtigen, wenn Sie Ihr nächstes Brett verlegen.