Sollten die Erdungsschichten AGND und DGND getrennt werden?
Die einfache Antwort ist, dass es von der Situation abhängt, und die detaillierte Antwort ist, dass sie normalerweise nicht getrennt sind.Denn in den meisten Fällen führt die Trennung der Erdungsschicht nur zu einer Erhöhung der Induktivität des Rückstroms, was mehr schadet als nützt.Die Formel V = L(di/dt) zeigt, dass mit zunehmender Induktivität das Spannungsrauschen zunimmt.Und wenn der Schaltstrom zunimmt (weil die Abtastrate des Wandlers zunimmt), nimmt auch das Spannungsrauschen zu.Daher sollten die Erdungsschichten miteinander verbunden werden.
Ein Beispiel ist, dass in einigen Anwendungen, um traditionelle Designanforderungen zu erfüllen, in bestimmten Bereichen verschmutzte Busstromversorgung oder digitale Schaltkreise platziert werden müssen, aber auch aufgrund von Größenbeschränkungen kann die Platine in diesem Fall keine gute Layout-Partition erreichen In diesem Fall ist eine separate Erdungsschicht der Schlüssel zum Erreichen einer guten Leistung.Damit das Gesamtdesign jedoch effektiv ist, müssen diese Erdungsschichten irgendwo auf der Platine durch eine Brücke oder einen Verbindungspunkt miteinander verbunden werden.Daher sollten die Verbindungspunkte gleichmäßig über die getrennten Erdungsschichten verteilt werden.Letztendlich gibt es auf der Leiterplatte häufig einen Verbindungspunkt, der die beste Stelle für die Rückführung des Stroms darstellt, ohne dass es zu Leistungseinbußen kommt.Dieser Anschlusspunkt befindet sich üblicherweise in der Nähe oder unterhalb des Konverters.
Nutzen Sie beim Entwurf der Stromversorgungsschichten alle für diese Schichten verfügbaren Kupferleiterbahnen.Lassen Sie nach Möglichkeit nicht zu, dass diese Schichten dieselbe Ausrichtung haben, da zusätzliche Ausrichtungen und Durchkontaktierungen die Stromversorgungsschicht schnell beschädigen können, indem sie in kleinere Teile aufgeteilt werden.Die daraus resultierende dünne Leistungsschicht kann die Strompfade dorthin verdrängen, wo sie am meisten benötigt werden, nämlich zu den Leistungsanschlüssen des Wandlers.Durch das Zusammendrücken des Stroms zwischen den Durchkontaktierungen und den Ausrichtungen erhöht sich der Widerstand, was zu einem leichten Spannungsabfall an den Stromanschlüssen des Konverters führt.
Schließlich ist die Platzierung der Stromversorgungsschicht von entscheidender Bedeutung.Stapeln Sie niemals eine rauschbehaftete digitale Stromversorgungsschicht auf einer analogen Stromversorgungsschicht, da die beiden sonst noch gekoppelt sein könnten, obwohl sie sich auf unterschiedlichen Schichten befinden.Um das Risiko einer Verschlechterung der Systemleistung zu minimieren, sollte das Design diese Arten von Schichten nach Möglichkeit trennen und nicht übereinander stapeln.
Kann das Power Delivery System (PDS)-Design einer Leiterplatte ignoriert werden?
Das Designziel eines PDS besteht darin, die Spannungswelligkeit zu minimieren, die als Reaktion auf den Strombedarf der Stromversorgung erzeugt wird.Alle Stromkreise benötigen Strom, einige mit hohem Bedarf und andere, die eine schnellere Stromzufuhr erfordern.Durch die Verwendung einer vollständig entkoppelten Strom- oder Erdungsschicht mit niedriger Impedanz und einer guten PCB-Laminierung wird die Spannungswelligkeit aufgrund des Strombedarfs der Schaltung minimiert.Wenn das Design beispielsweise für einen Schaltstrom von 1 A ausgelegt ist und die Impedanz des PDS 10 mΩ beträgt, beträgt die maximale Spannungswelligkeit 10 mV.
Erstens sollte eine PCB-Stapelstruktur so konzipiert sein, dass sie größere Kapazitätsschichten unterstützt.Beispielsweise könnte ein sechsschichtiger Stapel eine obere Signalschicht, eine erste Masseschicht, eine erste Leistungsschicht, eine zweite Leistungsschicht, eine zweite Masseschicht und eine untere Signalschicht enthalten.Die erste Erdungsschicht und die erste Stromversorgungsschicht liegen in der gestapelten Struktur nahe beieinander, und diese beiden Schichten sind 2 bis 3 mil voneinander entfernt, um eine intrinsische Schichtkapazität zu bilden.Der große Vorteil dieses Kondensators besteht darin, dass er kostenlos ist und nur in den PCB-Herstellungshinweisen angegeben werden muss.Wenn die Stromversorgungsschicht aufgeteilt werden muss und mehrere VDD-Stromschienen auf derselben Schicht vorhanden sind, sollte die größtmögliche Stromversorgungsschicht verwendet werden.Lassen Sie keine leeren Löcher, sondern achten Sie auch auf empfindliche Schaltkreise.Dadurch wird die Kapazität dieser VDD-Schicht maximiert.Wenn das Design das Vorhandensein zusätzlicher Schichten zulässt, sollten zwei zusätzliche Erdungsschichten zwischen der ersten und zweiten Stromversorgungsschicht platziert werden.Bei gleichem Kernabstand von 2 bis 3 mil verdoppelt sich zu diesem Zeitpunkt die Eigenkapazität der laminierten Struktur.
Für eine ideale Leiterplattenlaminierung sollten Entkopplungskondensatoren am Anfangseintrittspunkt der Stromversorgungsschicht und um den Prüfling herum verwendet werden, um sicherzustellen, dass die PDS-Impedanz über den gesamten Frequenzbereich niedrig ist.Durch die Verwendung mehrerer Kondensatoren mit 0,001 µF bis 100 µF lässt sich dieser Bereich abdecken.Es ist nicht notwendig, überall Kondensatoren zu haben;Das direkte Andocken von Kondensatoren an den Prüfling verstößt gegen alle Herstellungsvorschriften.Wenn solch strenge Maßnahmen erforderlich sind, hat der Stromkreis andere Probleme.
Die Bedeutung freiliegender Pads (E-Pad)
Dies ist ein leicht zu übersehender Aspekt, der jedoch entscheidend ist, um die beste Leistung und Wärmeableitung des PCB-Designs zu erzielen.
Freiliegendes Pad (Pin 0) bezieht sich auf ein Pad unter den meisten modernen Hochgeschwindigkeits-ICs und ist eine wichtige Verbindung, über die die gesamte interne Erdung des Chips mit einem zentralen Punkt unter dem Gerät verbunden ist.Durch das Vorhandensein eines freiliegenden Pads können viele Konverter und Verstärker auf einen Erdungsstift verzichten.Der Schlüssel besteht darin, beim Löten dieses Pads auf die Leiterplatte eine stabile und zuverlässige elektrische Verbindung und thermische Verbindung herzustellen, da sonst das System schwer beschädigt werden könnte.
Optimale elektrische und thermische Verbindungen für freiliegende Pads können durch Befolgen von drei Schritten erreicht werden.Erstens sollten die freiliegenden Pads nach Möglichkeit auf jeder PCB-Schicht repliziert werden, um eine dickere thermische Verbindung für die gesamte Masse und damit eine schnelle Wärmeableitung zu gewährleisten, was besonders wichtig für Hochleistungsgeräte ist.Auf der elektrischen Seite wird dadurch eine gute Potenzialausgleichsverbindung für alle Erdungsschichten geschaffen.Wenn die freiliegenden Pads auf der unteren Schicht nachgebildet werden, kann dieser als Entkopplungserdungspunkt und als Ort für die Montage von Kühlkörpern verwendet werden.
Als nächstes teilen Sie die freigelegten Pads in mehrere identische Abschnitte auf.Am besten eignet sich eine Schachbrettform, die durch Siebkreuzgitter oder Lötstoppmasken erreicht werden kann.Bei der Reflow-Montage ist es nicht möglich zu bestimmen, wie die Lotpaste fließt, um die Verbindung zwischen dem Gerät und der Leiterplatte herzustellen. Daher ist die Verbindung möglicherweise vorhanden, aber ungleichmäßig verteilt, oder schlimmer noch, die Verbindung ist klein und befindet sich an der Ecke.Durch die Unterteilung des freiliegenden Pads in kleinere Abschnitte kann jeder Bereich über einen Verbindungspunkt verfügen und so eine zuverlässige, gleichmäßige Verbindung zwischen dem Gerät und der Leiterplatte gewährleistet werden.
Schließlich sollte darauf geachtet werden, dass jeder Abschnitt über eine Erdungsverbindung über das Loch verfügt.Die Bereiche sind normalerweise groß genug, um mehrere Durchkontaktierungen aufzunehmen.Füllen Sie vor dem Zusammenbau unbedingt alle Durchkontaktierungen mit Lötpaste oder Epoxidharz.Dieser Schritt ist wichtig, um sicherzustellen, dass die freigelegte Pad-Lötpaste nicht in die Hohlräume der Durchkontaktierungen zurückfließt, was andernfalls die Chancen einer ordnungsgemäßen Verbindung verringern würde.
Das Problem der Kreuzkopplung zwischen den Schichten in der Leiterplatte
Beim PCB-Design ist bei der Layoutverdrahtung einiger Hochgeschwindigkeitswandler zwangsläufig eine Schaltungsschicht mit einer anderen kreuzgekoppelt.In manchen Fällen kann die empfindliche analoge Schicht (Strom, Masse oder Signal) direkt über der rauschreichen digitalen Schicht liegen.Die meisten Designer halten dies für irrelevant, da diese Ebenen auf verschiedenen Ebenen liegen.Ist das der Fall?Schauen wir uns einen einfachen Test an.
Wählen Sie eine der benachbarten Schichten aus und injizieren Sie ein Signal auf dieser Ebene. Verbinden Sie dann die kreuzgekoppelten Schichten mit einem Spektrumanalysator.Wie Sie sehen, sind sehr viele Signale mit der angrenzenden Schicht gekoppelt.Selbst bei einem Abstand von 40 mil bilden die benachbarten Schichten immer noch eine Kapazität, sodass das Signal bei einigen Frequenzen immer noch von einer Schicht zur anderen gekoppelt wird.
Angenommen, ein digitaler Teil mit hohem Rauschen auf einer Schicht erhält ein 1-V-Signal von einem Hochgeschwindigkeitsschalter. Die nicht angesteuerte Schicht sieht ein von der angesteuerten Schicht eingekoppeltes 1-mV-Signal, wenn die Isolation zwischen den Schichten 60 dB beträgt.Für einen 12-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC) mit einem Vollausschlag von 2 Vp-p bedeutet dies eine Kopplung von 2 LSB (niederwertigstes Bit).Für ein bestimmtes System stellt dies möglicherweise kein Problem dar, es ist jedoch zu beachten, dass bei einer Erhöhung der Auflösung von 12 auf 14 Bit die Empfindlichkeit um den Faktor vier steigt und somit der Fehler auf 8LSB ansteigt.
Das Ignorieren der ebenen-/schichtübergreifenden Kopplung führt möglicherweise nicht zum Scheitern des Systementwurfs oder zur Schwächung des Entwurfs, aber man muss wachsam bleiben, da es möglicherweise mehr Kopplung zwischen den beiden Schichten gibt, als man erwarten würde.
Dies ist zu beachten, wenn im Zielspektrum eine Rauschkopplung auftritt.Manchmal kann die Verdrahtung des Layouts zu unbeabsichtigten Signalen oder Schichtüberkreuzungen zwischen verschiedenen Schichten führen.Beachten Sie dies beim Debuggen sensibler Systeme: Das Problem kann in der darunter liegenden Ebene liegen.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 27. April 2022