Quali sono i vantaggi di avere due colate di terra?

Ho visto molti PCB a 2 strati che hanno una caduta di terra su entrambi gli strati superiore e inferiore, mi chiedevo perché farlo? e non sarebbe meglio usare lo strato superiore per potenza e segnali e lo strato inferiore per terra per semplificare il routing e sfruttare anche la capacità tra i piani?

pcb pcb-design ground

— mux
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Questa non è tanto una risposta, ma proporrei che il motivo per cui la maggior parte delle persone lo fa è semplicemente perché pensano che sia buono, che altrimenti sarebbe uno spazio sprecato, ecc. Puoi liberare le connessioni a terra supponendo che ci sia almeno uno tramite il collegamento al piano di massa inferiore o se lo strato superiore può colpire il pad per un perno del foro passante che si trova a terra. .. o come ha detto Olin ... la religione prende piede. :)

— Toby Lawrence,

sì, non riuscivo nemmeno a pensare a una buona ragione per questo, se fosse un piano di potenza bene, forse la capacità, ma a che serve un paio di strati di terreno? soprattutto che è molto probabile che il primo sia tagliato male, con tutti i componenti in cima, quindi ho pensato di chiedere :)

— mux,

Una buona ragione per gli aerei su entrambi i lati è di mantenere la quantità di rame su ciascun lato del PCB circa uguale. Se una parte ha molto più rame dell'altra, il PCB sarà più incline alla deformazione. Questo è uno dei motivi per cui i PCB multistrato sono spesso simmetrici sul loro stackup di layer. Tuttavia, il rischio esatto di deformazioni non mi è chiaro, ma ho fatto commentare le aziende PCB quando non l'ho fatto abbastanza bene.

Oltre a ciò che ha detto David, al negozio di tour board piace avere una quantità massima di rame su ogni strato, perché riduce al minimo il tasso di utilizzo di ecc. Se i tuoi volumi non sono estremamente alti, tuttavia, non ha davvero senso che tu, come designer, ti preoccupi di questo.

— The Photon,

Risposte:

La buona disposizione e la messa a terra sembrano essere comprese male là fuori così la religione trova un punto d'appoggio. Hai ragione, ci sono davvero poche ragioni per usare sia la parte superiore che quella inferiore di una tavola a due strati per terra.

Quello che faccio di solito per le schede a due strati è di posizionare il maggior numero possibile di interconnessioni sullo strato superiore. Questo è dove i pin delle parti sono già comunque, così è lo strato logico da usare per collegarli. Purtroppo di solito non è possibile instradare tutto su un singolo livello. Prestare attenzione e riflettere attentamente sul posizionamento delle parti aiuterà in questo, ma nel caso generale non è possibile instradare tutto su un piano. Quindi uso il piano inferiore per i "ponticelli" brevi solo quando necessario per far funzionare il routing. Il piano inferiore è altrimenti rettificato.

Il trucco è mantenere questi ponticelli sullo strato inferiore corti e non appoggiarsi l'un l'altro. La metrica di quanto resta buono un piano di massa è la dimensione lineare massima di un foro, non il numero di fori. Un mucchio di brevi tracce di 200 milioni sparse non impedirà al piano di terra di fare il suo lavoro. Tuttavia, lo stesso numero di 200 milioni di tracce raggruppate insieme per creare un'isola di un pollice nell'altra è un'interruzione molto più grande. Fondamentalmente, vuoi che il terreno scorra intorno a tutte le piccole interruzioni.

Imposta il costo del router automatico per lo strato inferiore e non penalizzarlo molto per via. Ciò inserirà automaticamente la maggior parte delle interconnessioni sul livello superiore. Sfortunatamente, gli algoritmi di auto-router che ho visto non sembrano essere ottimizzati per non aver raggruppato i jumper. In Eagle, ad esempio, c'è il parametro hugging . Anche se lo disattivi, ottieni comunque ponticelli ammassati. Lascia che il router automatico faccia il grugnito, quindi pulisci le cose in seguito. A volte è possibile individuare un caso in cui un piccolo riordino può eliminare del tutto un ponticello. Gran parte del tuo tempo, tuttavia, sarà speso spostando i ponticelli per non creare grandi isole.

Per quanto riguarda gli aerei di potenza, questa è per lo più una sciocca religione. Instrada la potenza come qualsiasi altro segnale, anche se in questo caso devi considerare la caduta di tensione dovuta alla resistenza di traccia, poiché le tracce di potenza presumibilmente gestiscono una corrente significativa. Fortunatamente anche tracce di rame da 1 oncia su un PCB sono abbastanza basse. È possibile effettuare tracce di potenza di 20 mil o qualsiasi altra cosa invece di 8 mil per tracce di segnale. In ogni caso, il punto è che la resistenza CC è importante, ma di solito non è un grosso problema a meno che tu non abbia un design ad alta corrente.

L'impedenza AC non è poi così rilevante, cosa che la gente religiosa non sembra ottenere. Questo perché l'alimentazione viene bypassata localmente sul piano di massa in ciascun punto di utilizzo. Se hai un buon piano di massa, non hai bisogno di piani di potenza separati per la maggior parte dei progetti ordinari, ma solo una buona esclusione su ogni cavo di potenza di ogni parte. Il cappuccio di bypass si collega direttamente tra i pin di alimentazione e di terra, quindi è presente una via proprio sul pin di terra per connettersi al piano di terra sullo strato inferiore.

La corrente del circuito di alimentazione ad alta frequenza di una parte dovrebbe uscire dal pin di alimentazione, attraverso il cappuccio di bypass e rientrare nel pin di terra senza mai correre attraverso il piano di terra. Ciò significa che non si utilizza una via separata per il lato terra del cappuccio di bypass. Collegalo direttamente al pin di terra sul lato superiore, quindi collega quella rete al piano di terra con una via in un unico punto. Questa tecnica aiuterà molto con le emissioni RF e la pulizia in generale.

— Olin Lathrop
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Questa è un'ottima risposta, grazie signore, quindi, se ho capito bene, specialmente dall'ultimo paragrafo, non dovrei usare un getto sullo strato superiore, giusto? è inutile ? inoltre, dovrei usare i ponticelli corti sul livello inferiore, anche se ciò significa che alcuni segnali non prenderanno il percorso più diretto?

— mux,

@mux: Sì per la maggior parte dei casi. Le eccezioni sono segnali speciali ad alta velocità, segnali che devono essere controllati da impedenza, segnali che devono essere ritardati, ecc. Tuttavia, generalmente non li trovi su una scheda a 2 strati. Questi di solito implicano altre spese tali che passare a 4 o più livelli è un costo aggiuntivo minore.

— Olin Lathrop,

@OlinLathrop Davvero non capisco. Sì, i cappucci di disaccoppiamento offrono già un percorso di impedenza molto basso. Diciamo che trascuriamo tutte le induttanze di tutte le tracce. Quindi siamo partiti solo con improvvise richieste attuali dall'IC (diciamo) IC. OK, il tappo di disaccoppiamento lo darà. Ma come e quando ricaricherà quel limite di disaccoppiamento, per la prossima improvvisa domanda attuale? Avrà tempo di ricaricarsi? Sono davvero confuso.

— Abdullah Kahraman,

@Nick: non importa molto dove esattamente il terreno si trovi lungo il percorso dal perno di terra al lato terra del tappo di disaccoppiamento, poiché quel percorso dovrebbe essere comunque corto. Il punto importante è che il loop esiste senza che sia coinvolto il piano di massa. Ciò mantiene le correnti del circuito ad alta frequenza lontano dal piano di massa, che altrimenti sarebbe un'antenna patch alimentata al centro. Vado più in dettaglio su electronics.stackexchange.com/a/15143/4512 .

— Olin Lathrop,

@abdullahkahraman: Ecco dove possono entrare più maiuscole, una piccola in grado di gestire le frequenze più alte dei picchi e una più grande in grado di gestire le frequenze più basse. Essere vicini a quello più grande può anche ricaricare quello piccolo più velocemente di quanto potrebbe essere dall'alimentazione di tensione.

— Nemo157,

Avere un piano di potenza nella parte superiore e terra nella parte inferiore difficilmente darebbe alcuna capacità.

$C = k \cdot \epsilon_0 \cdot A / d$

$\epsilon_0$ $A$ $d$ $\times$

$C = 4.5 \cdot 8.85 pF/m \cdot 0.016 m^2 / 0.0016 m = 400 pF$

Il disaccoppiamento dei condensatori ti darà molto di più. Inoltre, opportunamente disaccoppiato, non importa se usi terra o energia per le colate di rame; per HF dovrebbero essere gli stessi. Di solito viene scelta la terra perché quella rete avrà il maggior numero di connessioni e sarà più facile collegare i diversi versamenti di rame isolati nella parte superiore al versamento di rame dall'altro lato.

— stevenvh
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Sì, ma quel 400 pF può essere piuttosto significativo alle frequenze più alte che devono essere disaccoppiate - ad es., Impedenza di 4 ohm a 100 MHz - e questa capacità ha la minima quantità di resistenza in serie e induttanza ad essa associate. Molto importante nei progetti ad alta velocità, ma se stai facendo quel tipo di lavoro, probabilmente stai usando più di due strati e meno spazio tra i piani.

— Dave Tweed

@Dave - concordato, ma il 400 pF è per un PCB costituito solo da colate di rame. Il routing, tuttavia, ridurrà significativamente l'area e anche i collegamenti tra le isole avranno la loro induttanza. Per HF sceglierei un 4 strati e utilizzerei gli strati interni per i piani di terra e di potenza. La distanza sarà inferiore = maggiore capacità e non ci saranno molti tagli però.

— Stevenvh,

quindi la capacità è insignificante, almeno per un PCB a 2 strati, quindi oltre ad avere molti collegamenti a terra, non c'è davvero alcun buon motivo per usare un getto di terra sullo strato superiore? corretta ?

— mux,

@mux - Non proprio: vuoi tagliare il meno possibile attraverso il piano terra dello strato inferiore, il che significa che tutto il percorso sullo strato superiore lascerà lì troppo poco il piano terra. OTOH, piazzando un getto di rame lì non farà male, e se è anche a terra puoi collegare isole isolate attraverso vias. Se il getto di rame superiore è Vcc, collegare le isole potrebbe essere più difficile e potrebbe avere meno senso. Ma Dave non è completamente d'accordo, temo :-).

— Stevenvh,

@DaveTweed Ricorda che il numero di 400 pF menzionato da Stevenvh è per l'intero PCB 160x100mm. Spero che i percorsi di ritorno ad alta frequenza per ogni dato segnale non "attraversino" l'intero PCB e quindi non si possa davvero beneficiare dell'intero 400 pF.