Роль и рекомендации по проектированию заземляющих слоев печатной платы.
В сложном мире печатных плат (PCB) земляной слой играет жизненно важную роль в обеспечении надежной и эффективной работы электронных устройств. Являясь ведущим производителем печатных плат, компания JHDPCB понимает значение заземляющего слоя и его влияние на общую производительность схем. В этой статье мы углубимся в основные аспекты заземляющего слоя печатной платы, раскрывая его назначение и преимущества.
Понимание заземления имеет решающее значение для дизайнеров и инженеров при создании высокопроизводительных печатных плат. В нашем подробном руководстве будет рассмотрена важность правильной конструкции заземляющего слоя, его влияние на целостность сигнала и методы оптимизации его функциональности. Доверьтесь опыту JHDPCB в производстве печатных плат, поскольку мы предоставляем ценную информацию о мире заземляющих плат, помогая вам проектировать и внедрять печатные платы, соответствующие самым высоким стандартам качества и производительности.
Что такое заземляющая плоскость печатной платы?
Заземляющая плата печатной платы относится к важнейшему элементу в конструкции печатной платы. По сути, это специальный металлический слой, часто состоящий из медной фольги, который стратегически расположен внутри платы. Подключаясь непосредственно к земле схемы, которая обычно связана с отрицательной клеммой источника питания, земляная пластина служит нескольким важным целям.
Прежде всего, земляной слой действует как обратный путь для большинства компонентов и электрических токов в цепи. Он обеспечивает путь прохождения тока с низким импедансом, обеспечивая эффективную и надежную работу электронных устройств. Это помогает минимизировать колебания напряжения и обеспечивает плавное распространение сигналов по всей печатной плате.
Помимо своей роли проводящего пути, земляной слой также служит экраном, эффективно подавляя различные типы нежелательных электрических шумов и помех. Окружение схемы сплошной проводящей поверхностью помогает подавить и отвести нежелательное электромагнитное излучение, которое может возникнуть как от внутренних, так и от внешних источников. Этот эффект экранирования значительно снижает вероятность перекрестных помех сигнала и сводит к минимуму возможность электромагнитных помех (EMI) между различными компонентами печатной платы.
Расположение и распределение заземляющего слоя в конструкции печатной платы может варьироваться в зависимости от сложности платы и конфигурации слоев. В двухслойной печатной плате земляной слой обычно располагается на нижнем слое. Однако в многослойных платах весь слой предназначен для заземления, чтобы избежать контуров заземления, помех трассировки сигнала и других связанных с этим проблем.
Для достижения оптимальных результатов крайне важно тщательно определить подходящую технологию заземления для конкретной конструкции печатной платы. Выбор неподходящей конфигурации заземляющего слоя может привести к множеству проблем. Например, неправильное заземление может привести к перепутью сигналов, когда сигналы непреднамеренно мешают друг другу, что приводит к повреждению данных или нестабильному поведению.
Подводя итог, можно сказать, что земляной слой печатной платы играет жизненно важную роль в общей функциональности и производительности электронных схем. Действуя как надежный обратный путь, экран от помех и подавитель помех, он обеспечивает надлежащую целостность сигнала и снижает риски, связанные с нежелательными электрическими шумами. Хотя земляной слой занимает относительно небольшую часть физической площади платы, его влияние на успешную работу печатной платы огромно.
Каковы различные узлы на заземляющей плоскости печатной платы?
На заземляющем слое печатной платы имеется несколько узлов или областей, которые служат определенной цели; общие узлы на заземлении печатной платы описаны ниже. Существует несколько типов узлов, называемых заземлениями, включая плавающее заземление, виртуальное заземление, заземление переменного тока, заземление и заземление шасси.
- Плавучие площадки: Этот узел является опорной точкой в системе, физически не связанной с массой и изолированной.
- Виртуальные площадки: Этот узел расположен в цепи отрицательной обратной связи инвертирующего вывода операционного усилителя. Когда на неинвертирующем входе напряжение равно нулю, обратная связь приводит к тому, что инвертирующий вывод соответствует этому значению в стабильной цепи. Это значение поддерживается только за счет обратной связи, поскольку никакая другая схема не может обеспечить стабильную обратную связь.
- Заземления переменного тока: Этот узел имеет низкое значение постоянного сопротивления. Это постоянное напряжение стабильно при наличии небольших помех. Из-за значения постоянного тока этот узел нельзя использовать в качестве точного заземления, но он стабилен и может использоваться в качестве опорной точки.
- Основания шасси: В больших электрических системах заземление буквально означает соединение с землей. Например, в каждом доме есть медные колышки, вбитые в землю для рассеивания избыточного тока.
- Заземления источника питания: Хотя электронные схемы на плате не могут быть подключены к физическому заземлению, заземление корпуса служит той же цели. Это заземление предназначено для подключения защитного кабеля, который соединяет источник питания переменного тока с корпусом или шасси продукта.
Это земля источника питания: этот узел подключен к клемме заземления источника питания и служит опорной точкой для всей цепи. Это гарантирует, что все компоненты имеют одинаковый потенциал земли и обеспечивают стабильное опорное напряжение для цепи. - Узлы заземления компонентов: Эти узлы подключены к контактам заземления отдельных компонентов на печатной плате. Они служат локальными опорными точками для конкретных компонентов, позволяя им устанавливать собственную опорную точку заземления и сводя к минимуму помехи, которые они могут вызвать в других частях схемы.
- Аналоговый заземляющий узел: В схемах, использующих аналоговые сигналы, аналоговый заземляющий узел используется для изоляции аналоговых компонентов и связанных с ними сигналов от цифрового шума. Это помогает поддерживать целостность сигнала и уменьшать нежелательную шумовую связь между аналоговыми и цифровыми участками печатной платы.
- Цифровой наземный узел: Подобно аналоговому заземляющему узлу, цифровой заземляющий узел используется для обеспечения отдельного заземления для цифровых компонентов и сигналов. Это помогает предотвратить влияние цифрового шума, создаваемого высокоскоростной логикой переключения, на чувствительные аналоговые компоненты.
- Радиочастотный наземный узел: В радиочастотных схемах специальный узел заземления используется для создания низкоомного пути для радиочастотных сигналов и минимизации радиочастотных помех. Этот узел тщательно спроектирован для уменьшения паразитных эффектов и сохранения целостности сигнала на высоких частотах.
- Узел заземления шасси: В некоторых случаях печатную плату можно подключить к шасси или корпусу для заземления и механической устойчивости. Узел заземления шасси устанавливает соединение между печатной платой и заземляющей структурой системы, обеспечивая правильное заземление и безопасный путь разряда при любых электрических неисправностях.
Поскольку заземление и заземление шасси выполняют одну и ту же функцию, эти термины часто используются как синонимы вместе с термином «защитное заземление». Нажмите, чтобы узнать больше о терминологии печатных плат. Эти узлы вместе со своими соединениями помогают создать хорошо структурированную и эффективную систему заземления на печатной плате. Тщательно спроектировав и разделив эти узлы, можно свести к минимуму риск возникновения контуров заземления, помех сигнала и шумовой связи, что приводит к повышению производительности и надежности схемы.
Универсального метода заземления печатных плат не существует. Чтобы определить лучший метод заземления системы, необходимо понять, как протекает ток внутри системы. Однако существует множество методов на выбор, и есть предложения по наилучшему методу заземления, который применим к большинству систем. Чтобы определить лучший метод для вашей платы, вам необходимо ознакомиться с конструкцией платы и, возможно, попробовать различные методы заземления печатной платы.
Какова роль заземления на печатной плате?
Как уже упоминалось, земляная пластина печатной платы представляет собой особенно большую часть, которая обычно изготавливается из металла и подключается к земле печатной платы. Эта область не имеет фиксированной структуры. Вместо этого это полностью зависит от требований схемы. Поэтому металлическая деталь иногда может составлять небольшую часть всей печатной платы, а иногда может стать огромной вставкой, если конструкция печатной платы содержит много вставок.
- Восстановление напряжения: Печатная плата содержит множество компонентов, которые для работы подключаются к сетям электропитания. Обратный ток от этих компонентов обычно протекает через сеть заземления. Заземляющий слой обеспечивает путь обратного тока с низким импедансом, гарантируя эффективное восстановление напряжения и сводя к минимуму падения или колебания напряжения. Многослойная печатная плата с числом слоев более четырех требует большего внимания, поэтому производителю следует использовать качественную плату для заземления. Целью является обеспечение надежного соединения заземляющих сетей и компонентов схемы.
- Восстановление сигнала: Земляной слой помогает поддерживать целостность сигнала, обеспечивая опорную точку для сигналов на печатной плате. Он действует как стабильный и постоянный источник опорного напряжения, уменьшая шум и помехи, которые могут повлиять на качество сигнала. Обеспечивая надежную опорную точку заземления, плоскость заземления помогает обеспечить точную и надежную передачу сигнала.
- Снижение шума и помех: По мере увеличения скорости сигнала все больше и больше цифровых схем меняют состояние. Это вызывает появление шумовых импульсов в заземляющем слое, которые могут повлиять на другие части схемы. Заземляющая пластина с большой проводящей площадью помогает уменьшить этот шум, поскольку она имеет более низкий импеданс, чем заземляющая сеть, проходящая через трассу.
- Экранирование электромагнитных помех: Заземляющий слой действует как экран, обеспечивая защиту печатной платы от электромагнитных помех (EMI). Он помогает сдерживать и предотвращать распространение нежелательных электромагнитных сигналов, которые могут помешать правильному функционированию схемы. Большая металлическая площадь заземляющего слоя поглощает и рассеивает электромагнитные помехи, снижая риск перекрестных помех и улучшая общую электромагнитную совместимость (ЭМС) печатной платы.
- Рассеивание тепла: Заземляющий слой помогает рассеивать тепло на печатной плате. Он действует как большая проводящая область, которая может поглощать и распространять тепло, выделяемое активными компонентами или компонентами высокой мощности. Обеспечивая тепловой путь, слой заземления помогает рассеивать тепло и предотвращать появление локальных горячих точек, обеспечивая надежность и долговечность цепи.
- Пониженный импеданс: Заземляющий слой обеспечивает путь тока с низким импедансом, уменьшая сопротивление и индуктивность в цепи. Это помогает повысить эффективность и производительность схемы за счет минимизации падения напряжения и поддержания стабильного распределения мощности.
- Простота маршрутизации: Заземляющий слой упрощает прокладку дорожек и соединений на печатной плате. Он обеспечивает общую точку отсчета и служит удобным обратным путем для сигналов и токов. Уменьшая сложность разводки, земляной слой упрощает и повышает эффективность разводки печатной платы, повышая общую технологичность и надежность схемы.
- Целостность источника питания:Печатные платы часто содержат электронные компоненты, во время работы которых требуется высокая мощность. Таким образом, заземляющие слои печатной платы ослабляют скачки мощности, возникающие в результате этой операции.
Помимо вышеперечисленных функций, заземление имеет и другие функции. Эти роли заключаются в следующем.
- Распределяет постоянный ток на активные устройства.
- Плоскость заземления устраняет перекрестные помехи между сигналами.
- Он различает аналоговую и цифровую части печатной платы.
- Он обладает огромной способностью передавать энергию.
- Он может рассеивать тепло в электронных устройствах.
Подводя итог, можно сказать, что земляной слой печатной платы выполняет такие функции, как восстановление напряжения, целостность сигнала, экранирование от электромагнитных помех, рассеивание тепла, уменьшение импеданса и простая маршрутизация. Его наличие имеет решающее значение для правильного заземления, минимизации шума и помех, улучшения управления температурным режимом и повышения общей производительности и надежности платы. Экранирование от электромагнитных помех, рассеивание тепла, пониженное сопротивление и простота прокладки. Его наличие необходимо для обеспечения надлежащего заземления, минимизации шума и помех, улучшения терморегулирования, а также повышения общей производительности и надежности печатной платы.
Используйте инструменты проектирования для эффективного проектирования заземляющей плоскости печатной платы.
Ключ к созданию хорошего плана проектирования вашей печатной платы — позволить инструментам выполнять свою работу. Прежде чем приступить к работе со слоями, убедитесь, что вы установили все правила и ограничения дизайна. Большинство систем CAD печатных плат позволяют устанавливать разные параметры соединения для разных соединяемых сетей и слоев. Кроме того, правила и ограничения системы проектирования печатных плат обеспечивают большую гибкость при настройке расстояний. Это также полезно при создании массовых планов, поскольку всю работу выполняет инструмент, поэтому вам нужно только указать, где разместить план.
Еще несколько лет назад все печатные платы имели более или менее одинаковый формат. Каждая печатная плата имела шестислойную компоновку с базовой плоскостью заземления и плоскостью VCC. Традиционные методы САПР ориентированы на плоскость VCC, а не на плоскость мощности. Благодаря современным стратегиям САПР можно настроить печатную плату для создания желаемой плоскости заземления. Однако прежде чем это можно будет сделать, необходимо предпринять следующие шаги.
- Проанализируйте, правильна ли сетка на плате: Прежде чем продолжить, необходимо убедиться, что схематическая сетка созданной плоскости заземления или плоскости питания действительна. Если разводка не соответствует правилам разводки печатной платы для заземляющих слоев, результатом будет только большой ноль.
- Всегда используйте внутренние плоскости при создании нулевых плоскостей:Если вы хотите получить наилучшие результаты, обязательным условием является использование внутренних плоскостей при проектировании плоскостей заземления. Выбор между негативным и позитивным внутренним планом остается за вами.
- Используйте полигональное заполнение: Если вы предпочитаете создавать положительные плоскости заземления, эта система или инструмент идеально подойдет вам. Еще одна вещь, которая помогает при работе со слоями, — это сначала убедиться, что слои платы полностью настроены. Таким образом, вам не придется беспокоиться об изменении расположения или формы слоев в процессе проектирования, поскольку расположение слоев уже задано. Чтобы в полной мере воспользоваться описанными функциями, вам необходимо работать с инструментом проектирования печатных плат, который может создавать плоскости заземления. На следующем рисунке показана типичная многослойная плата, используемая для четырехслойной платы. Заземляющий слой находится на внутреннем слое, рядом с силовым слоем. Верхний и нижний уровни являются сигнальными, предоставляя достаточно места для компонентов и маршрутизации.
Помня об этих деталях, вы можете выбрать тот инструмент, который лучше всего подходит для вашей модели. Однако для получения значительного результата тщательно следуйте правилам заземления печатной платы.
Рекомендации по проектированию заземляющей плоскости печатной платы.
Компоновки можно создавать с помощью инструментов проектирования печатных плат. Однако, когда речь идет о нескольких плоскостях заземления печатной платы, важно соблюдать правила компоновки. Когда дело доходит до многослойных силовых плоскостей заземления печатной платы, существует несколько правил компоновки, которые помогут вам создать максимально надежную систему заземления:
Электропроводка
На однослойных печатных платах проводку следует прокладывать как можно шире, если заполнить площадь невозможно. Однако предпочтительно по возможности создавать форму заземляющего слоя, чтобы воспользоваться описанными выше электрическими преимуществами во всех других конструкциях.
Многослойная конструкция
В высокоскоростных многослойных конструкциях структура слоев печатной платы должна быть рассчитана для правильной настройки заземляющего слоя, диэлектрических материалов и ширины слоев, необходимых для трассировки управления импедансом. Сама нулевая плоскость может быть создана как позитивное или негативное изображение в системе CAD, в зависимости от того, что лучше всего подходит для системы CAD и производителя. В некоторых конструкциях может потребоваться разделение заземляющих слоев, но этого следует избегать, где это возможно, из соображений целостности сигнала.
Соединения
Пути между контактными площадками SMT и отверстиями заземления должны быть шире, чтобы уменьшить индуктивность. В то же время необходимо соблюдать осторожность с небольшими дискретными компонентами, поскольку слишком широкая разводка может привести к тепловому дисбалансу и потенциальным производственным проблемам. Для сквозных отверстий следует использовать терморазрывы, чтобы обеспечить хорошее паяное соединение. Кроме того, небольшие отверстия заземления обычно можно заменить сплошными клеммами.
Чтобы создать готовую к производству печатную плату, группам по макетированию необходимо следовать ряду правил проектирования, но, к счастью, инструменты САПР могут удовлетворить эти требования.
Убедитесь, что все подключено
Убедитесь, что в разводке печатной платы нет ничего лишнего. Хорошей идеей будет заполнить любое пустое пространство медью, чтобы создать отверстия, соединяющиеся с заземляющим слоем. Это обеспечит структурный путь для всех сигналов, которые фактически достигнут земли.
Получите полный обзор наземной плоскости.
Если у вас есть выделенный слой заземления, как в случае со многими четырехслойными печатными платами, убедитесь, что корневой путь отсутствует. Отделение и прокладка заземляющего слоя приведет к образованию контура заземления печатной платы. Полностью удалите слой заземления.
Иметь общую точку опоры.
Каждая печатная плата должна иметь одну точку, в которой пересекаются все заземления. Часто это металлический каркас или шасси изделия. Это также может быть определенный слой платы. Эту точку часто называют “звездой заземления”, поскольку различные проводники начинаются от этой точки по схеме, несколько напоминающей звезду. В смешанных сигнальных системах могут использоваться отдельные аналоговые и цифровые источники питания, имеющие отдельные аналоговые и цифровые земли, которые пересекаются в точке “звезды”.
Минимизация использования последовательных перемычек.
Лучше всего свести к минимуму количество переходных отверстий вдоль заземляющих дорожек и направить заземления компонентов как можно непосредственно на заземляющую плоскость. Добавление большего количества переходных отверстий на плату создает дополнительный импеданс. Это соображение особенно важно для быстрых переходных токов, которые могут привести к тому, что импедансный путь станет перепадом напряжения.
Проектирование заземления перед прокладкой.
Заземление должно быть спроектировано до прокладки. Земля — это основа процесса трассировки, поэтому очень важно правильно ее спроектировать. Если заземление плохо спроектировано, риску подвергается все устройство, тогда как это не тот случай, если отдельный сигнал не работает должным образом.
Понимание того, как текут токи.
Понимание того, где на плате протекает ток, может помочь обеспечить правильное заземление. Очень важно учитывать пункт назначения сигнала, а также обратный путь, по которому он пойдет. Пути передачи и возврата сигнала имеют одинаковый ток, что может повлиять на отскок земли и стабильность источника питания.
Будьте готовы к динамическим различиям между площадками.
В многоплатной системе важно учитывать динамическое отклонение при отправке заземляющих соединений между платами. Это особенно важно для приложений, требующих прокладки кабелей на большие расстояния. Оптические изоляторы, низковольтные дифференциальные сигналы и синфазные дроссели.
Необходимо учитывать смешанные сигналы.
Если аналоговые и цифровые сигналы должны обрабатываться одновременно, при проектировании необходимо уделить особое внимание. Аналоговые части платы, включая аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и ЦАП, должны быть изолированы; Земля АЦП может быть подключена к общей точке заземления, через которую цифровые сигналы могут передаваться на другие секции платы.
Важный элемент силовой или заземляющей плоскости.
Как упоминалось ранее, источник питания или земляной слой могут представлять собой переносной кусок металла или целый слой, в зависимости от схемы. Обычно для создания плоскости заземления используется компьютерное проектирование или CAD. В большинстве систем САПР плоскость можно нарисовать так, чтобы она выглядела как сплошной кусок металла, и для плоскости можно указать любую сетку, будь то двухслойная заземляющая плоскость печатной платы, четырехслойная заземляющая плоскость печатной платы, плоскость питания или другая.
Будет ли это плоскость питания или земля, обычно зависит от системы CAD. С помощью этого метода можно создать как положительные, так и отрицательные заземляющие плоскости. Раньше в CAD-системах использовались негативные плоскости изображения, потому что они требовали меньше вычислительной мощности, но в настоящее время большинство проектировщиков печатных плат предпочитают рисовать позитивные плоскости, поскольку инструменты достаточно мощные. Разработчик печатной платы рисует область для источника питания или заземления на нужном слое желаемой формы. На внутреннем слое печатной платы это обычно весь слой, тогда как на внешних слоях печатной платы это часто более мелкие области, питающие определенные компоненты или группы компонентов. В некоторых случаях дизайнер может разделить печатную плату на внутренний слой. Это может быть очень полезно, если необходимо уменьшить количество слоев, используемых при изготовлении печатной платы. Однако для энергетических сетей этот уровень обычно разделяется, а земляной слой остается целым, чтобы улучшить целостность сигнала и устранить шум и помехи.
Когда земляной слой печатной платы проектируется экспертами с использованием метода CAD, факторы силуэта печатной платы определяются непосредственно с помощью устройства CAD. В этом случае есть два типа специальных атак. Первая — это автоматическая атака, известная как «наводнение», а вторая — «тепловая помощь». Термические рельефы представляют собой небольшие пустоты в плоскости по периметру отверстия, используемого для сквозного штифта. Без термозащиты сквозной штырь был бы напрямую соединен с плоскостью, которая действовала бы как огромный теплоотвод, что затрудняло бы сварку. С другой стороны, благодаря термическому рельефу компонент гораздо легче сваривать и отпаивать. Все остальные отверстия, например переходные отверстия, обычно соединяются непосредственно с плоскостью.
Каковы различные типы технологий заземления печатных плат?
Правильное заземление имеет важное значение для того, чтобы цепь функционировала должным образом. Важность заземления невозможно переоценить, особенно если схема содержит множество аналоговых и переключающих компонентов. При проектировании печатной платы разработчик должен убедиться, что все сигналы заземления не содержат помех. Для заземления печатной платы можно использовать несколько методов. Некоторые из методов, широко используемых сегодня, перечислены ниже.
Наземная плоскость
Распространенным методом является использование заземляющего слоя на печатной плате, который представляет собой большой кусок меди на печатной плате. Производители печатных плат обычно покрывают все поверхности, на которых нет компонентов или следов, медной заземляющей пластиной. Например, если ваша печатная плата состоит из двух слоев, то в соответствии со стандартными правилами печатной платы земляная плоскость с обеих сторон должна располагаться на нижнем слое платы, а компоненты и дорожки сигналов — на верхнем слое.
Лучше избегать кольца из проводящего материала, образованного заземляющим слоем, поскольку оно делает заземляющий слой более чувствительным к электромагнитным помехам (EMI). Это проводящее кольцо действует как индуктор, а внешнее магнитное поле может вызвать электрический ток, известный как контур заземления. Токопроводящее кольцо может возникнуть, если поместить заземляющую пластину на весь нижний слой, а затем удалить части, содержащие электронные компоненты. Чтобы избежать этой проблемы, делайте дорожки как можно более короткими и располагайте плоскость заземления так, чтобы она полностью проходила под дорожками, как показано на рисунке дорожек. Возможно, потребуется скорректировать расположение дорожек и компонентов, чтобы избежать образования проводящих колец.
Заземляющий слой также может быть расположен на обеих сторонах печатной платы, при этом заземляющий слой на стороне компонента подключен к напряжению питания, а заземляющий слой на другой стороне остается подключенным к земле. Плоскость заземления подключается к контактам заземления компонентов и разъемов для поддержания напряжения заземления на одном уровне по всей печатной плате.
На двухслойных печатных платах можно использовать более одной медной заземляющей пластины, но все они должны быть подключены к источнику питания независимо. Это позволяет избежать контуров заземления и обеспечивает разделение слоев.
Переходы к плоскости заземления
Когда на обеих сторонах печатной платы есть заземляющие плоскости, они соединяются переходными отверстиями в разных точках платы. Эти переходные отверстия представляют собой отверстия, которые проходят через печатную плату и соединяют две стороны друг с другом. Они обеспечивают доступ к заземляющему экрану из любого места, совместимого со сквозным отверстием.
Использование переходных отверстий может помочь избежать контуров заземления. Они подключают компоненты непосредственно к точкам заземления, которые с низким сопротивлением соединяются со всеми остальными точками заземления в цепи. Они также уменьшают длину возвратных петель.
Медные детали, такие как заземляющие пластины, могут резонировать на четверти длины волны частоты тока, протекающего через них. Размещение ответвительных переходных отверстий вокруг заземляющего слоя через определенные промежутки времени может помочь контролировать это явление. Хорошее эмпирическое правило — размещать заземляющие отверстия на расстоянии одной восьмой длины волны или меньше. Это связано с тем, что обрыв на трассе начинает вызывать проблемы только на одной восьмой длины волны.
Если на плате нет переходных отверстий, можно просверлить несколько отверстий небольшим сверлом. Затем медный провод пропускают через отверстия и припаивают для создания соединения с обеих сторон.
Заземление разъемов
Все разъемы на печатной плате должны быть заземлены. В разъемах все сигнальные проводники должны идти параллельно. По этой причине необходимо разделить разъемы с помощью заземляющих контактов. На каждой плате, вероятно, потребуется более одного контакта заземления для разъема. Наличие только одного вывода может вызвать проблемы несогласования импедансов, приводящие к колебаниям.
Отскоки тока могут повлиять на производительность системы и со временем увеличить контактное сопротивление контакта разъема. Контактное сопротивление каждого контакта разъема низкое, но со временем может увеличиваться. По этой причине идеально использовать несколько заземляющих контактов. Около 30-40% контактов разъема печатной платы должны быть заземляющими.
Разъемы бывают с разным шагом и могут иметь разное количество рядов контактов. Контакты разъема также могут быть расположены параллельно поверхности печатной платы или под прямым углом к ней.
Развязка
Печатные платы содержат одну или несколько интегральных схем, для работы которых требуется питание. Эти микросхемы имеют контакты питания, которые подключают их к внешнему источнику питания. Они также имеют контакты заземления для подключения к заземлению печатной платы. Между выводами питания и заземления находится развязывающий конденсатор, который используется для гашения колебаний напряжения, подаваемого на микросхему. Противоположный конец развязывающего конденсатора подключен к заземлению.
Одна из основных причин использования развязывающих конденсаторов связана с их функциональностью. Развязывающий конденсатор может действовать как устройство накопления заряда. Если интегральной схеме (ИС) требуется дополнительный ток, развязывающий конденсатор может подавать его через путь с низкой индуктивностью. По этой причине рекомендуется размещать компоненты развязывающего конденсатора рядом с контактами питания микросхемы.
Еще одной важной причиной использования развязывающих конденсаторов является минимизация шума, создаваемого парами заземления и источником питания, а также снижение электромагнитных помех. Есть две основные проблемы, которые могут привести к появлению этого шума:
Развязывающий конденсатор, который не обеспечивает достаточный ток, что приводит к переходному падению напряжения на выводе питания микросхемы.
Преднамеренное разделение тока между заземляющими слоями и источником питания посредством сигнала быстрого переключения.
Однако, чтобы получить максимальную отдачу от развязывающих конденсаторов, необходимо тщательно продумать их расположение: они должны быть распределены по печатной плате, причем некоторые из них должны быть расположены близко к земле IC или рядом с землей IC. Кроме того, используемые развязывающие конденсаторы должны иметь самые высокие значения емкости и быть одинакового значения. Для достижения максимальной производительности и функциональности следует сочетать высокое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) с обычными конденсаторами.
Когда можно избежать использования заземляющего слоя печатной платы?
Как упоминалось ранее, можно спроектировать печатную плату без заземляющего слоя. Если вы разрабатываете тестовую концепцию или прототип и проект просто должен хорошо работать, вы можете обойтись без заземляющего слоя на печатной плате, если проект работает с макетными платами и конфигурацией макетной платы. Если вы хотите разработать продукт для коммерческого использования, вы можете столкнуться с проблемами чрезмерного шума или излучения без заземления на печатной плате.
В некоторых случаях гораздо проще решить проблему, используя шину заземления вместо шины питания. Это важное различие и одна из причин, по которой я стараюсь не делать заявлений «всегда/никогда» в этой области: дизайн может работать так, как задумано, но это не значит, что он тихий или востребованный на рынке.
При этом в некоторых случаях можно обойтись без заземляющего слоя на печатной плате, и конструкция будет работать хорошо и иметь низкий уровень выбросов:
- Печатная плата проходит испытания на EMC.
Конструкция проходит испытания на ЭМС, если она оснащена модулями, проводами/кабелями и макетными платами. Если шум конструкции достаточно низок, чтобы пройти испытания на ЭМС в таких условиях, будет очень сложно ухудшить ее после интеграции в двухслойную печатную плату. - Только DC.
В конструкциях постоянного тока обычно можно обойтись без заземляющего слоя на печатной плате, при условии, что в системе не используются мощные или импульсные стабилизаторы. Эти конструкции могут быть чувствительны к электромагнитным помехам, но их можно отфильтровать, чтобы они не были заметны. Кроме того, при разработке не приходится решать проблемы целостности сигнала и питания, связанные с цифровыми картами. - Низкая плотность, плотная связь.
Если плотность платы достаточно мала, вполне вероятно, что провод заземления можно проложить рядом с источниками сигналов/питания, и плоскость заземления на плате не потребуется. Если расчетная плотность достаточно низкая и скорость сигнала достаточно низкая, можно пройти испытания на EMC. - Все сигналы дифференциальные.
Дифференциальные сигналы не нуждаются в заземлении из-за импеданса и низкого шума в дифференциальном режиме, но заземление полезно. Модуль преобразователя цифрового интерфейса или модуль изолятора являются примерами конструкций.
Как исправить неправильную плоскость заземления печатной платы?
Бывают случаи, когда медные отливки используются секциями, а не отдельными плоскостями, что может затруднить достижение проектных целей (четко определенный импеданс; обратные пути; экранирование и затухание электромагнитных помех; развязка и стабильное питание). Проблемы с прокладкой и поддержанием четко определенной плоскости заземления могут привести к высокой индуктивности контура, что приведет к электромагнитным помехам. В следующей таблице показано решение проблем с заземлением печатной платы.
| Особенность | Проблема | Решение |
|---|---|---|
| Трассировка через разделения на нулевых плоскостях | Создает длинный обратный путь с высокой индуктивностью контура → сильные электромагнитные помехи и перекрестные помехи. | Минимизируйте соединения и отслеживайте возвраты на плате, чтобы обеспечить равномерную поверхность заземления. |
| Области заливки меди без единой плоскости | Обратный путь трудно проследить, что приводит к плохому определению импеданса. | Соединяйте отливки, заполняйте зазоры медными отливками и обрисовывайте только однородные участки. |
| Небольшое перекрытие между шинами питания и землей | На высокоскоростных платах это приводит к плохой развязке из-за низкой емкости между уровнями. | Убедитесь, что слои питания и заземления перекрываются и распределены по всей печатной плате. |
| Недостаточное покрытие наземной плоскости | Заземляющий слой не покрывает значительную площадь печатной платы, что приводит к недостаточному заземлению и потенциальным проблемам с шумом. | Увеличьте покрытие заземляющего слоя, добавив дополнительные медные заполнители или увеличив существующий заземляющий слой. Убедитесь, что плоскость заземления подключена ко всем точкам заземления и компонентам, требующим заземления. |
| Разрыв наземной плоскости | Заземляющий слой имеет зазоры, пустоты или разрывы, которые могут нарушить протекание тока и внести шум в цепь. | Заполните промежутки или пустоты в заземляющем слое, добавив медные дорожки или проводящие отверстия, чтобы обеспечить непрерывный путь для тока. Убедитесь, что в слое заземления нет непреднамеренных разрывов или порезов. |
| Неправильное размещение плоскости заземления | Заземляющий слой расположен далеко от критических компонентов или сильноточных дорожек, что приводит к более длинным путям возврата и потенциальным проблемам с электромагнитными помехами. | Убедитесь, что заземляющий слой расположен рядом с критически важными компонентами и сильноточными дорожками, чтобы минимизировать площадь контура и уменьшить путь наведения шума. При необходимости рассмотрите возможность корректировки размещения компонентов или изменения трассировки трасс. |
Добавление заземляющего слоя на печатную плату — это простой, недорогой и высокоэффективный способ создания электронных устройств с повышенной целостностью сигнала, точностью и устойчивостью к помехам. Если вы еще не используете заземляющую пластину, учтите приведенную выше информацию и советы при проектировании следующей печатной платы.
Надеюсь, теперь вы прояснили все свои сомнения и вопросы по поводу планов заземления печатных плат. Проведите исследование и выберите лучший вариант для вашей печатной платы. Помните, что не следует в спешке проектировать неправильную разводку печатной платы. Не торопитесь и расставьте приоритеты в своих потребностях. Выбор JHD также является мудрым решением, поскольку мы имеем следующие преимущества:
- Обзор дизайна печатной платы-
Мы можем просмотреть конструкцию вашей печатной платы, чтобы обеспечить правильное размещение, покрытие и целостность заземляющего слоя. Наши эксперты проверят компоновку на наличие потенциальных проблем и предложат улучшения для оптимизации целостности сигнала. - Оптимизация наземной плоскости-
Мы можем помочь вам оптимизировать конструкцию заземляющего слоя, отрегулировав его размер, толщину и расположение в соответствии с вашими конкретными требованиями. Это включает в себя обеспечение надлежащего заземления критически важных компонентов, минимизацию площадей шлейфов и снижение риска помех. - Рекомендации и стандарты проектирования- Мы постоянно обновляем новейшие рекомендации по проектированию и отраслевые стандарты, что позволяет нам предоставлять вам рекомендации, соответствующие передовому опыту. Наш опыт позволяет нам эффективно решать любые потенциальные проблемы, связанные с заземлением.
Сотрудничая с JHD, вы сможете воспользоваться нашим обширным опытом в проектировании и производстве печатных плат. Мы понимаем важность хорошо спроектированной плоскости заземления и можем предоставить вам рекомендации и поддержку, необходимые для достижения оптимальных результатов. Не стесняйтесь обращаться к нам за помощью во включении заземляющего слоя в ваш следующий проект печатной платы.
Получите ценовое предложение на печатную плату прямо сейчас
Откройте высококачественные услуги по производству печатных плат в JHDPCB
