Design PCB a 2 strati, tecnologia a foro passante e piano di massa

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Sto progettando il layout di un PCB per applicazioni audio (senza elettronica digitale, solo analogico).

Tutti i componenti hanno un foro passante, il PCB è piuttosto grande (circa 16 cm x 10 cm) e ha 2 strati. Il foro passante placcato è supportato dalla tecnologia che sto usando. Il circuito ha una doppia alimentazione.

Quale (e perché) di quanto segue è la migliore soluzione per i segnali di routing, le tracce di alimentazione e la terra?

Strato superiore: piano terra; BOTTOM layer: segnali e linee di alimentazione;
Strato SUPERIORE: segnali e linee di alimentazione: strato INFERIORE: piano di massa;
Strato TOP: piano terra e linee di alimentazione; BOTTOM layer: segnali;
Strato TOP: segnali; BOTTOM layer: piano terra e linee di alimentazione;

— Umberto D.
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Questa domanda richiede un tipo di generalizzazione che probabilmente dipenderà dal design o totalmente irrilevante. La versione con le abilità più basse richiede un piano di terra ininterrotto , quindi il n. 1 suona bene. Bypass secondo necessità e mantieni le tracce sensibili lontano dai segnali rumorosi.

— Daniel,

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In generale, avere terreno attorno alle linee del segnale fa male raramente. Se questo sia fatto sul piano inferiore o superiore non importa, quindi andrei con # 3/4

— po.pe

@Daniel Le frequenze nominali coinvolte nel circuito sono inferiori a 5k, poiché il circuito è un effetto analogico per l'elaborazione del segnale della chitarra.

— Umberto D.

@Daniel ... E le tensioni di alimentazione sono generate attraverso un alimentatore lineare, senza alimentatore di commutazione.

— Umberto D.

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Penso che tutte queste altre risposte stiano complicando eccessivamente il problema. I disegni a foro passante sono legittimi in molti casi, così come le schede a 2 strati.

Consiglierei di usare un piano di massa e un segnale / piano di potenza a meno che tu non abbia un motivo per non farlo. Questo metodo di progettazione è provato e vero e non vedo alcun motivo per cui non dovresti usarlo. Penso che non importi davvero da che parte metti i segnali.

Dovrai fare dei ponticelli sul piano terra, ma questo non causerà alcun problema se eviti di effettuare tagli di grandi dimensioni. Ho fatto un'immagine veloce e terribile in vernice per illustrare:

Come ha detto Neil, i tuoi percorsi di ritorno al suolo sono importanti, non dovresti semplicemente considerarli finiti quando entrano nel piano di terra.

— Ha disegnato
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L'unico metodo che consiglierei è quello che non hai menzionato.

In generale, qualsiasi divisione arbitraria di spazi in potenza, terra, segnali, ti darà un po 'di dolore, perché non è né necessario dividerli in quel modo, né sufficiente per ottenere un buon risultato.

Se la scheda fosse "difficile", quindi segnali analogici / digitali misti, segnali ad alta velocità, correnti elevate, SMPS, allora si trarrebbero dei vantaggi a partire da un piano di massa completo. Ma questo non è sufficiente, devi sapere dove vi sono le correnti di ritorno, perché puoi ancora spararti nel piede, anche con un piano terra.

Consiglierei il layout di Manhattan, con un terreno grigliato.

Il grande vantaggio di Manhattan è che puoi sempre trovare un percorso per la tua traccia. Non devi mai scendere a compromessi e prendere un segnale un percorso tortuoso lontano dal suo percorso di ritorno, o tagliare un piano di terra per intrufolarti in una pista, distruggendone l'integrità.

Il routing di Manhattan prevede la dedicazione di un livello per le connessioni nord-sud e l'altro per le connessioni est-ovest. Ora puoi sempre andare da A a B con uno in genere e non devi mai chiederti come attraversare una pista.

Ora hai un modo sistemico per indirizzare la tua tavola, inizia con un terreno grigliato. Su un livello, metti una traccia ogni 20 mm circa, in colonne. Sull'altro livello, fai lo stesso nelle righe. Via li insieme ad ogni incrocio. Ora hai un terreno che è quasi quasi buono come un aereo e molto più utilizzabile, perché entrambi i livelli sono ancora disponibili per instradare tutta la tua potenza e segnali. Muovi un po 'le tracce di terra per accogliere i tuoi circuiti integrati in ogni modo, ma non spostarli troppo distanti.

Postscript - piano terra contro terreno grigliato.

Ho ricevuto alcuni commenti interessanti da Umberto, Scott e Olin, che suggeriscono che non ho ancora capito bene. Chiarirò forse cosa c'è sopra, mentre documenterò il mio ragionamento di seguito.

Ora sono in pensione, e dopo una vita come mentore di ingegneri junior, uno dei maggiori problemi che devono affrontare è quello di progettare male su una tavola di piano terra. Sembrano pensare che il piano di terra "si occuperà di tutta quella roba di isolamento" e smettono di pensare. Di conseguenza, corrono alte correnti oltre gli input sensibili e altrimenti non riescono a individuare gli effetti delle correnti di ritorno.

Per aiutarli a eseguire il debug di queste schede, rimuovo il piano di massa e le costringo a considerare tutte le correnti di ritorno come flussi discreti in tracce separate. Una volta trovato il colpevole e riparato il layout, è possibile ripristinare il terreno.

Su una tavola a 4 strati, c'è abbastanza spazio per dedicarne uno a un terreno solido. Su una scheda a 2 strati, c'è un premio nello spazio di routing. Ecco perché Manhattan, che ti offre un modo sistematico per indirizzare qualsiasi traccia da A a B, è così utile. Se dedichi uno dei tuoi 2 livelli a terra, qualsiasi layout non banale si tradurrà in una o due (o più, ehi, è solo un'altra) tracce che tagliano il terreno a pezzi, rovinandone l'integrità.

Senza un piano terreno, un terreno grigliato è la cosa migliore successiva. È flessibile, puoi aumentare il numero di piste di terra dove è necessario. È totalmente compatibile con il routing di Manhattan. Una volta terminato il layout, inondare di rame macinato. Ti ritroverai con qualcosa che è meglio instradato di un piano di terra tritato, perché sei stato in grado di pensare a tutte quelle correnti di ritorno che altrimenti avresti sperato sarebbero andate bene.

Una buona progettazione del tabellone è quasi un'arte quanto una scienza. Non puoi insegnare agli artisti a creare, non puoi insegnare agli ingegneri a "sentire" dove fluiranno le correnti, fino a quando non lo "capiscono". Progettare senza un piano di massa è un modo per accelerare il processo di "acquisizione".

— Neil_UK
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Non sono sicuro di vedere perché questo è buono come un aereo. Dipende davvero da cosa sta succedendo corrente sulla tua griglia e sembra che una cura insufficiente possa causare un loop di massa.

— Scott Seidman,

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Posso consigliare il routing di Manhattan. Per la progettazione a bassa velocità (<10 Mhz), questo è un metodo rapido per ottenere una scheda.

— Jeroen3,

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@ScottSeidman ha letto la mia risposta molto attentamente, dico "quasi altrettanto buono ...". Hai ragione, non abbastanza cura può portare a ogni sorta di cose cattive, indipendentemente dal "processo" che stai seguendo.

— Neil_UK,

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@ScottSeidman Ho la tua stessa preoccupazione.

— Umberto D.

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Concordo sul fatto che un design a griglia "buono" può essere efficace, ma ritengo che un design a griglia cattivo possa essere negativo e che potrebbe essere difficile per qualcuno non in sintonia con il design del suolo sapere quando il progetto inizia a peggiorare. Ad esempio, sbagliare con un driver di uscita audio ad alta corrente può essere piuttosto disastroso. Abbastanza, tuttavia, lo stesso può accadere con piani di terra spezzati.

— Scott Seidman,

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Tutti i componenti hanno un foro passante

Solo per questo motivo prenderei in considerazione l'uso di un piano di massa sul fondo in modo che i componenti possano essere montati senza preoccuparsi se i loro corpi potrebbero entrare in contatto con il rame di terra.

Dato che è per una scatola di effetti per chitarra con potenzialmente molta vibrazione e movimento a causa di pulsanti e controlli controllati a pedale, vorrei anche considerare come i segnali vengono instradati anche sotto i compent per evitare il problema menzionato nel mio primo paragrafo.

Ma perché limitarti a due livelli: togli completamente le tracce del segnale dal livello superiore e usa una scheda a 4 livelli. Il costo non sarebbe molto di più e la tranquillità è una buona cosa.

— Andy aka
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Le schede a 4 strati sono più costose rispetto a quelle a 2 strati. Supponendo che venga utilizzato un PCB a 2 strati, penso che il piano di massa e le tracce di alimentazione della tensione nella parte superiore potrebbero essere migliori. Poiché vengono utilizzate tracce e via più grandi, non vedo molto di cui preoccuparmi per il contatto. Inoltre, la saldatura scorre facilmente attraverso il ... Cosa ne pensi?

— Umberto D.

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Quando si considerano "problemi ambientali" e il numero di potenziali guasti dovuti a una progettazione inadeguata e alla probabile perdita della fiducia dei clienti e dei costi di rilavorazione / riparazione, è necessario convincersi che il costo "extra" del PCB è il motivo migliore per usa solo due livelli.

— Andy aka

Probabilmente ho frainteso la tua preoccupazione. Sei preoccupato per i contatti indesiderati del corpo metallico dei componenti. Corretta?

— Umberto D.

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Sì, lo sono e data la natura dell'abuso che questo tipo di prodotto riceve ai piedi dei chitarristi, ha senso prendere precauzioni.

— Andy aka

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Nessuno dei layout proposti è buono. Uno schema migliore di qualsiasi altro accennato è l'uso di parti SMD. Questo ha una serie di vantaggi:

È disponibile una gamma molto più ampia di parti.
Le stesse parti saranno più economiche.
Ci vorranno molto meno fastidio e tempo per saldare le parti sulla scheda.
Ti lascia più flessibilità per il routing.

Per una scheda a due strati, metti le parti in alto. Usa il livello superiore per quante più interconnessioni puoi. Riserva lo strato inferiore come piano di massa e utilizzalo solo per brevi "jumper" di altri segnali.

Mantenere questi ponticelli separati l'uno dall'altro in modo che le correnti di terra possano fluire intorno a ciascuna individualmente. Si desidera ridurre al minimo la dimensione massima di qualsiasi foro nel piano terra, non il numero di fori. In altre parole, molte piccole interruzioni disperse sono meglio di una singola grande interruzione.

Effettuare tutte le connessioni di terra con vie separate proprio accanto a ciascun pin che deve essere collegato a terra. Ciò rende solida ogni connessione di terra e minimizza anche le connessioni di terra ostacolando l'instradamento delle altre tracce.

Ovviamente devi ancora prestare attenzione all'instradamento delle tracce del segnale. L'audio consiste nel mantenere alto il rapporto segnale-rumore. Ad esempio, non instradare tracce di output amplificate vicino a tracce di input sensibili.

Per ulteriori informazioni, vedere questa risposta.

— Olin Lathrop
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Ah, ma se tu fossi un audiofilo, allora sapresti che le parti del foro suonano meglio! / s Ma seriamente nella comunità della costruzione di pedali per chitarra c'è qualcosa di estetico nel foro passante

— rumori rumorosi

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@OlinLathrop Ho effettuato il downgrade della votazione per il motivo per cui la tua risposta non ha nulla a che fare con il routing Through Hole, che è ciò che OP ha richiesto. Se avessero voluto fare SMT, sono sicuro che lo avrebbero fatto. Questa risposta è più che altro "ecco la mia opinione, e questo è come usarla". Quindi questa era la mia ragione. Per me, la prima frase della tua risposta non era necessaria.

— Curioso,

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Olin, perché hai chiesto ai downvoter di dirti perché hanno effettuato il downvoting se non hai intenzione di rispondere alle risposte? Secondo i 4 voti, sembra che @Curious non fosse l'unico con questi pensieri

— MCG

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@Olin, sono d'accordo, i voti vandalici si verificano troppo spesso! Ti ho visto alcune volte suppongo che le persone facciano cose a causa di problemi personali o motivi religiosi ... Questo non è sempre il caso. Con cose del genere, non importa perché vogliono usare il foro ... Forse lo preferiscono, forse è un compito che è stato impostato, chissà, non importa. Solo perché chiedono aiuto con qualcosa che ritieni non abbastanza buono non dovrebbe significare che non offri aiuto e invece rispondi con qualcosa basato sulle tue opinioni.

— MCG

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Forse è un principiante. Ho iniziato a usare il foro passante proprio all'inizio mentre stavo imparando. Avevo solo attrezzature di base e non avevo gli strumenti per realizzare materiale per montaggio su superficie. Così ho progettato un foro passante fino a quando potevo permettermi l'attrezzatura corretta. Dovresti semplicemente accettare che non tutte le ragioni sono religiose o personali e smettere di assumere. Se non sei d'accordo con il metodo, non rispondere! Se fossi l'OP e volessi realizzare un design a foro passante, questa è una risposta inutile. Alcune persone progettano diversamente da te. Affrontalo, non devi portare tutti al tuo modo di pensare

— MCG

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Se ti stai chiedendo dei piani di terra, devi dimenticare il foro passante! Avere livelli di massa e potenza dedicati significa mantenere percorsi a bassa impedenza per tutte le correnti. I componenti a foro passante hanno un'impedenza molto maggiore solo a causa delle loro dimensioni ingombranti e dei loro fili.

Se vuoi attaccare al foro passante, ti consiglio una scheda che assomiglia molto allo schema. Usa le aree del terreno sia al centro della parte superiore che di quella inferiore. Utilizzare i bordi lunghi per i percorsi V + e V-. Crea "dita di rame" da terra a V + / V- o viceversa per tenere conto dei componenti radiali. Se il circuito dell'amplificatore necessita di tre o quattro tensioni, utilizzare lo strato superiore per una coppia di tensione e lo strato posteriore per l'altra.

Ricorda inoltre, dal punto di vista CA, V +, V- e GND sono uguali. È importante avere V + e V- a bassa impedenza come GND.

Il riempimento del fondo è continuo dove le dita V + / V- interrompono quella superiore e viceversa. Utilizzare i via del componente THT per il collegamento dei due riempimenti GND. In questo modo dai ai buchi passanti una ragione di esistenza. Utilizzare via aggiuntivi dove richiesto.

Questo è esattamente l'opposto del design della scheda di cui un circuito digitale necessita. Ora immagina il mal di testa della creazione di una scheda a segnali misti.

— Janka
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Non capisco perché un piano di massa non sia utile quando vengono utilizzati componenti del foro passante. Comprendo la maggiore impedenza della connessione tra il componente stesso e lo strato di rame causato dai cavi del componente (rispetto a SMD). Tuttavia, penso che un piano gorund contribuisca ad abbassare il rumore del circuito, poiché il livello di terra di un componente nella zona in alto a destra del PCB sarebbe quasi uguale a quello di un componente posizionato nell'area in basso a sinistra del PCB, ... Cosa ne pensi?

— Umberto D.

Si tratta di avere un piano di massa dedicato rispetto a un riempimento di terra sia sullo strato superiore che su quello inferiore. Chiaramente, quest'ultimo ha una resistenza interna inferiore per le correnti più frequenti tra le parti adiacenti del circuito (perché sono due strati di rame.)

— Janka