Czy należy oddzielić warstwy gruntu AGND i DGND?
Prosta odpowiedź jest taka, że zależy to od sytuacji, a szczegółowa odpowiedź jest taka, że zwykle nie są one rozdzielane.Ponieważ w większości przypadków oddzielenie warstwy uziemiającej spowoduje jedynie zwiększenie indukcyjności prądu powrotnego, co przynosi więcej szkody niż pożytku.Wzór V = L(di/dt) pokazuje, że wraz ze wzrostem indukcyjności wzrasta szum napięcia.A wraz ze wzrostem prądu przełączania (ponieważ zwiększa się częstotliwość próbkowania przetwornika), szum napięcia również wzrośnie.Dlatego warstwy uziemiające należy ze sobą połączyć.
Przykładem jest to, że w niektórych zastosowaniach, aby spełnić tradycyjne wymagania projektowe, w niektórych obszarach należy umieścić brudną szynę zasilania lub obwody cyfrowe, ale także ze względu na ograniczenia rozmiaru, co powoduje, że płyta nie może uzyskać dobrego podziału układu, w tym przypadku oddzielna warstwa uziemiająca jest kluczem do osiągnięcia dobrej wydajności.Aby jednak cały projekt był skuteczny, te warstwy uziemiające muszą być połączone ze sobą gdzieś na płytce za pomocą mostka lub punktu połączenia.Dlatego punkty połączeń powinny być równomiernie rozłożone na oddzielnych warstwach uziemiających.Ostatecznie na płytce drukowanej często znajdzie się punkt połączenia, który stanie się najlepszym miejscem dla przepływu prądu zwrotnego bez powodowania pogorszenia wydajności.Ten punkt połączenia zwykle znajduje się w pobliżu lub pod konwerterem.
Projektując warstwy zasilacza należy wykorzystać wszystkie ścieżki miedzi dostępne dla tych warstw.Jeśli to możliwe, nie pozwalaj, aby te warstwy miały takie same wyrównania, ponieważ dodatkowe wyrównania i przelotki mogą szybko uszkodzić warstwę zasilacza, dzieląc ją na mniejsze części.Powstała rzadka warstwa mocy może ścisnąć ścieżki prądowe tam, gdzie są najbardziej potrzebne, a mianowicie do pinów zasilających konwertera.Ściskanie prądu pomiędzy przelotkami a zrównaniami zwiększa rezystancję, powodując niewielki spadek napięcia na stykach zasilania konwertera.
Wreszcie, kluczowe znaczenie ma rozmieszczenie warstwy zasilania.Nigdy nie układaj zaszumionej warstwy cyfrowego zasilacza na analogowej warstwie zasilacza, gdyż w przeciwnym razie obydwie warstwy mogą nadal się łączyć, nawet jeśli znajdują się na różnych warstwach.Aby zminimalizować ryzyko pogorszenia wydajności systemu, w miarę możliwości w projekcie należy oddzielić tego typu warstwy, a nie układać je razem.
Czy można zignorować projekt układu zasilania (PDS) płytki drukowanej?
Celem projektu PDS jest zminimalizowanie tętnienia napięcia generowanego w odpowiedzi na zapotrzebowanie prądu zasilania.Wszystkie obwody wymagają prądu, niektóre o dużym zapotrzebowaniu i inne, które wymagają dostarczania prądu z większą szybkością.Zastosowanie w pełni oddzielonej warstwy zasilania lub uziemienia o niskiej impedancji i dobrej laminacji PCB minimalizuje tętnienia napięcia wynikające z zapotrzebowania obwodu na prąd.Na przykład, jeśli konstrukcja jest zaprojektowana na prąd przełączający 1 A, a impedancja PDS wynosi 10 mΩ, maksymalne tętnienie napięcia wynosi 10 mV.
Po pierwsze, strukturę stosu PCB należy zaprojektować tak, aby obsługiwała większe warstwy pojemności.Na przykład stos sześciowarstwowy może zawierać górną warstwę sygnału, pierwszą warstwę uziemienia, pierwszą warstwę mocy, drugą warstwę mocy, drugą warstwę uziemienia i dolną warstwę sygnału.Pierwsza warstwa uziemiająca i pierwsza warstwa zasilacza znajdują się blisko siebie w strukturze ułożonej stosowo, a te dwie warstwy są oddalone od siebie o 2 do 3 milimetrów, tworząc wewnętrzną pojemność warstwy.Wielką zaletą tego kondensatora jest to, że jest on darmowy i należy go jedynie określić w uwagach produkcyjnych PCB.Jeśli warstwa zasilania musi zostać rozdzielona, a na tej samej warstwie znajduje się wiele szyn zasilających VDD, należy zastosować możliwie największą warstwę zasilania.Nie zostawiaj pustych otworów, ale zwróć także uwagę na wrażliwe obwody.To zmaksymalizuje pojemność tej warstwy VDD.Jeżeli konstrukcja dopuszcza obecność dodatkowych warstw, pomiędzy pierwszą i drugą warstwą zasilacza należy umieścić dwie dodatkowe warstwy uziemiające.W przypadku tego samego odstępu między rdzeniami wynoszącego 2 do 3 milimetrów, pojemność właściwa laminowanej struktury zostanie w tym czasie podwojona.
Aby uzyskać idealną laminację PCB, należy zastosować kondensatory odsprzęgające w początkowym punkcie wejścia warstwy zasilania i wokół testowanego urządzenia, co zapewni niską impedancję PDS w całym zakresie częstotliwości.Użycie kilku kondensatorów o pojemności od 0,001 µF do 100 µF pomoże pokryć ten zakres.Nie jest konieczne instalowanie wszędzie kondensatorów;dokowanie kondensatorów bezpośrednio do testowanego urządzenia złamie wszelkie zasady produkcyjne.Jeśli potrzebne są tak surowe środki, w obwodzie występują inne problemy.
Znaczenie odsłoniętych podkładek (E-Pad)
Jest to aspekt łatwy do przeoczenia, ale ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia najlepszej wydajności i odprowadzania ciepła przez projekt PCB.
Odsłonięta podkładka (Pin 0) odnosi się do podkładki znajdującej się pod większością nowoczesnych, szybkich układów scalonych i jest to ważne połączenie, poprzez które całe wewnętrzne uziemienie chipa jest podłączone do centralnego punktu pod urządzeniem.Obecność odsłoniętej podkładki pozwala wielu konwerterom i wzmacniaczom wyeliminować potrzebę stosowania bolca uziemiającego.Kluczem jest utworzenie stabilnego i niezawodnego połączenia elektrycznego i termicznego podczas lutowania tego pola do płytki PCB, w przeciwnym razie system może zostać poważnie uszkodzony.
Optymalne połączenia elektryczne i termiczne odsłoniętych podkładek można uzyskać, wykonując trzy kroki.Po pierwsze, tam gdzie to możliwe, odsłonięte pady należy replikować na każdej warstwie PCB, co zapewni grubsze połączenie termiczne dla całej masy, a tym samym szybkie odprowadzenie ciepła, szczególnie ważne w przypadku urządzeń dużej mocy.Po stronie elektrycznej zapewni to dobre połączenie ekwipotencjalne dla wszystkich warstw uziemiających.Przy replikowaniu odsłoniętych padów na warstwę spodnią można je wykorzystać jako punkt masy odsprzęgającej oraz miejsce do montażu radiatorów.
Następnie podziel odsłonięte podkładki na wiele identycznych sekcji.Najlepszy jest kształt szachownicy, który można uzyskać za pomocą poprzecznych siatek ekranowych lub masek lutowniczych.Podczas montażu rozpływowego nie jest możliwe określenie, w jaki sposób pasta lutownicza przepływa, aby powstało połączenie pomiędzy urządzeniem a płytką PCB, więc połączenie może być obecne, ale nierównomiernie rozłożone lub, co gorsza, połączenie jest małe i zlokalizowane w narożniku.Podział odsłoniętej podkładki na mniejsze sekcje pozwala na to, aby każdy obszar miał punkt połączenia, zapewniając w ten sposób niezawodne, równe połączenie pomiędzy urządzeniem a płytką PCB.
Na koniec należy upewnić się, że każda sekcja ma połączenie z ziemią za pomocą otworu.Obszary są zwykle wystarczająco duże, aby pomieścić wiele przelotek.Przed montażem należy wypełnić każdą przelotkę pastą lutowniczą lub żywicą epoksydową.Ten krok jest ważny, aby upewnić się, że odsłonięta pasta lutownicza nie spłynie z powrotem do wnęk przelotek, co w przeciwnym razie zmniejszyłoby szanse na prawidłowe połączenie.
Problem sprzężenia krzyżowego pomiędzy warstwami PCB
W projektowaniu PCB okablowanie układu niektórych szybkich konwerterów nieuchronnie będzie miało jedną warstwę obwodu połączoną krzyżowo z drugą.W niektórych przypadkach wrażliwa warstwa analogowa (zasilanie, masa lub sygnał) może znajdować się bezpośrednio nad warstwą cyfrową o wysokim poziomie szumów.Większość projektantów uważa, że nie ma to znaczenia, ponieważ warstwy te znajdują się na różnych warstwach.Czy tak jest?Spójrzmy na prosty test.
Wybierz jedną z sąsiednich warstw i wprowadź sygnał na tym poziomie, a następnie podłącz warstwy sprzężone krzyżowo do analizatora widma.Jak widać, sygnałów sprzężonych z sąsiednią warstwą jest bardzo dużo.Nawet przy odstępie 40 milicali istnieje wrażenie, że sąsiednie warstwy nadal tworzą pojemność, tak że przy niektórych częstotliwościach sygnał nadal będzie przenoszony z jednej warstwy na drugą.
Zakładając, że część cyfrowa o wysokim poziomie szumów w warstwie ma sygnał 1 V z przełącznika o dużej prędkości, warstwa niesterowana zobaczy sygnał 1 mV dołączony do warstwy sterowanej, gdy izolacja między warstwami wynosi 60 dB.W przypadku 12-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) z pełną skalą odchylenia 2Vp-p oznacza to sprzężenie 2LSB (najmniej znaczący bit).Dla danego systemu może nie stanowić to problemu, jednak należy zwrócić uwagę, że zwiększenie rozdzielczości z 12 do 14 bitów powoduje czterokrotny wzrost czułości i tym samym błąd wzrasta do 8LSB.
Ignorowanie sprzężenia międzypłaszczyznowego/międzywarstwowego nie może spowodować niepowodzenia projektu systemu ani osłabienia projektu, ale należy zachować czujność, ponieważ między dwiema warstwami może występować większe sprzężenie, niż można by się spodziewać.
Należy to odnotować, gdy w widmie docelowym zostanie znalezione sprzężenie fałszywego szumu.Czasami okablowanie układu może prowadzić do niezamierzonych sygnałów lub sprzężenia krzyżowego warstw z różnymi warstwami.Należy o tym pamiętać podczas debugowania wrażliwych systemów: problem może leżeć w warstwie poniżej.
Artykuł został pobrany z sieci, w przypadku jakichkolwiek naruszeń prosimy o kontakt w celu usunięcia, dziękujemy!
Czas publikacji: 27 kwietnia 2022 r