Dettagli sul layout PCB per microcontrollore

Aggiornamento : la domanda di follow-up mostra la mia opinione sul layout PCB risultante.

Sto progettando la mia prima scheda con un uC (ho una discreta esperienza nell'uso e nella programmazione di sistemi embedded, ma questa è la prima volta che eseguo il layout PCB), un STM32F103, questo sarà un scheda a segnali misti che utilizza sia i DAC interni dell'STM sia alcuni DAC esterni tramite SPI, e sono un po 'confuso riguardo alla messa a terra.

Le risposte a queste domande:

dichiarare chiaramente che dovrei avere un piano di massa locale per l'uC, collegato alla terra globale esattamente in un punto, e una rete di alimentazione locale, collegata alla potenza globale vicino allo stesso punto. Quindi questo è quello che sto facendo. Il mio stack a 4 livelli è quindi:

piano GND locale + segnali, uC, sono cappucci di disaccoppiamento 100nF e il cristallo
GND globale, ininterrotto tranne che per vias. Secondo fonti come Henry Ott , il piano di massa non è suddiviso, con le sezioni digitale e analogica separate fisicamente.
potenza, un piano 3.3V sotto l'IC, tracce spesse per i DAC esterni 3.3V, tracce più spesse per la distribuzione dei volt nella sezione analogica. $\pm15$
segnale + 1uF tappi di disaccoppiamento

Più lontano sulla scheda, i componenti e i segnali analogici sono sugli strati superiore e inferiore.

Quindi le domande:

dovrei rompere il terreno globale sotto l'uC, o è buono avere l'intero piano terra sotto quello locale?
Piano di potenza: ho intenzione di avere un piano di potenza solo sotto l'UC e usare i via per portare la potenza ai tappi di disaccoppiamento e quindi all'UC sullo strato superiore, dato che non posso davvero usarne uno altrove. I DAC esterni dovrebbero essere distribuiti a stella, quindi ho tracce separate per loro, e il resto della scheda è volt. Questo suona bene? $\pm15$
Sto usando sia l'ADC che il DAC dell'UC, e sto generando una tensione di riferimento nella sezione analogica della scheda, che porto sul pin Vref + dell'UC con una traccia sul piano di potenza. Dove dovrei collegare il Vref-pin: terra locale, terra globale o fare una traccia separata sul piano di potenza collegandolo alla terra globale nella sezione analogica, dove la terra dovrebbe essere silenziosa? Forse vicino a dove viene generata la tensione di riferimento? Si noti che su STM32 il Vref- è distinto dal pin VSSA della terra analogica (che suppongo vada sul piano GND locale?).

Eventuali altri commenti sul design qui sono ovviamente benvenuti!

— Timo
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Molte domande di ricerca danno come risultato molte buone risposte con buoni commenti. Tuttavia, molto di ciò che è buona pratica può essere appreso studiando ciò che altri hanno fatto. Prendi un sacco di PCB di segnale misto di buona qualità (simile a 4 strati) e usa uno strumento hor air per dissaldare componenti di grandi dimensioni. Scopri come sono gestiti i power via. Volete imparare le migliori pratiche da designer professionisti poiché alcune delle cose non entrano mai nei libri, è solo nelle regole empiriche della casa, trasmesse dalla tradizione di prossimità orale e (sopra la spalla). Non prestare troppa attenzione ai design dei consumatori a basso costo.

— KalleMP,

Risposte:

Non è necessario necessariamente un piano di massa locale per il micro. Il terreno locale può essere una stella con il punto centrale sotto il micro, che è dove questa stella è collegata di nuovo al terreno principale, per esempio.

Se hai almeno 4 strati, può avere senso dedicare uno degli strati nelle immediate vicinanze del micro a un terreno locale. Se questo rende il routing troppo difficile o si tratta di una scheda a due strati, basta usare la configurazione a stella. Il punto principale è mantenere la corrente ad alta frequenza assorbita dal micro dal piano di massa principale. Se non lo fai, hai un'antenna patch alimentata al centro invece di un piano di massa.

Il loop dal pin di micro alimentazione, al cappuccio di bypass, al pin di micro terra non deve attraversare il piano di massa principale. Questo è dove correranno le correnti di potenza ad alta frequenza. Collegare il pin di terra alla terra principale in un punto, ma non collegare il lato terra del cappuccio di bypass alla terra principale separatamente. Il lato terra del cappuccio di bypass deve avere la propria connessione al pin di terra del micro.

I segnali digitali che vanno tra la micro e le altre parti della scheda avranno ancora una piccola area ad anello perché il micro sarà collegato alla terra principale vicino al suo pin di terra.

— Olin Lathrop
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Olin, se potessi pubblicare alcuni riferimenti a sostegno della tua teoria dell'antenna patch, questo sarebbe apprezzato.

— Armandas,

@Timo: il Vref-pin assorbe pochissima corrente e viene usato come riferimento 0 per l'A / D. Questo dovrebbe essere collegato direttamente al piano terra principale con una propria via privata.

— Olin Lathrop

@Arm: non sto dicendo che il piano di massa non dovrebbe essere solido. È importante il modo in cui la terra del processore è collegata ad essa. Guarda da vicino e potresti vedere una rete locale di terra con una singola connessione alla terra principale. Inoltre, molte volte puoi cavartela con meno delle migliori pratiche. I progetti open source non devono preoccuparsi del costo dei guasti sul campo o del caso 1 su 10000 in cui non funziona abbastanza bene, o anche molte volte sui limiti di emissione (non che sia legale, ma molto meno probabile che il FCC noterà).

— Olin Lathrop

Il problema con il pin Vref + è che si desidera mantenere il rumore lontano da esso. Non sei preoccupato per l'inquinamento del resto del sistema. Se lo stai usando, probabilmente proviene comunque da un regolatore separato. È possibile collegare l'altro lato del suo cappuccio di bypass alla terra principale o collegarlo al pin di terra analogico se questo chip ne ha uno, quindi collegare quella rete alla terra principale vicino al pin di terra analogico.

— Olin Lathrop,

@Bip: Ancora una volta, il terreno locale non è necessariamente un piano.

— Olin Lathrop,

No non dovresti. E sbarazzarsi del cosiddetto "terreno locale". Cosa pensi che stia accadendo con tutti i segnali digitali quando si implementa questo terreno locale? Dovresti trovare la risposta nell'articolo di Henry Ott che hai collegato, Figura 1.

Certo, hai una connessione tra la terra locale e il piano di terra, ma tutto ciò che fai è aumentare l'area del loop, essenzialmente trasformando le tue trance in piccole antenne.
Suona bene.
Il manuale di riferimento afferma che V _REF- deve essere collegato a V _SSA che a sua volta deve essere collegato a V _SS . Ti suggerisco di collegare semplicemente V _REF- direttamente a terra e provare a mantenere le correnti digitali lontano usando il posizionamento intelligente.

Per quanto riguarda i suggerimenti, se i tappi 1uF sono gli unici componenti che si prevede di posizionare sul fondo, si consiglia di posizionarli in cima. Quando si hanno componenti su entrambi i lati, il produttore deve far passare due volte la scheda nel forno o saldare i componenti a mano. Entrambi aumenteranno i costi di produzione.

— Armandas
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Potresti voler includere un link all'articolo Ott a cui ti riferisci.

— akohlsmith

@akohlsmith Mi riferivo allo stesso articolo di OP, ma ora ho aggiunto un link.

— Armandas,

Ci sono molti componenti sul fondo nella sezione analogica, quindi non sono solo i grandi cappucci di disaccoppiamento.

— Timo,

Mi dispiace, avrei davvero voluto accettare metà della tua risposta e metà di quella di Olin se ciò fosse possibile, ma ho deciso di andare con quella di Olin poiché l'aereo di terra locale è quello che ho finito per fare (come visto nell'altra domanda)

— Timo

Puoi trovare utile questa risposta .

Ci sono poche volte in cui uso piani veramente separati (esistono ancora applicazioni del genere), ma non per un circuito come il tuo.

Il posizionamento accurato dei componenti e un po 'di pensiero sulla potenza / terra dovrebbero aiutarti a ottenere un buon layout.

— Peter Smith
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