Moeten de AGND- en DGND-grondlagen worden gescheiden?
Het simpele antwoord is dat het van de situatie afhangt, en het gedetailleerde antwoord is dat ze meestal niet gescheiden zijn.Omdat in de meeste gevallen het scheiden van de grondlaag de inductie van de retourstroom alleen maar zal vergroten, wat meer kwaad dan goed doet.De formule V = L(di/dt) laat zien dat naarmate de inductantie toeneemt, de spanningsruis toeneemt.En naarmate de schakelstroom toeneemt (omdat de bemonsteringssnelheid van de omzetter toeneemt), zal de spanningsruis ook toenemen.Daarom moeten de aardingslagen met elkaar worden verbonden.
Een voorbeeld is dat in sommige toepassingen, om te voldoen aan traditionele ontwerpvereisten, vuile busvoeding of digitale schakelingen in bepaalde gebieden moeten worden geplaatst, maar ook door de beperkingen van de afmetingen, waardoor het bord geen goede indelingspartitie kan realiseren. In dat geval is een aparte aardingslaag de sleutel tot goede prestaties.Om het algehele ontwerp echter effectief te laten zijn, moeten deze aardingslagen ergens op het bord met elkaar worden verbonden door een brug of verbindingspunt.Daarom moeten de verbindingspunten gelijkmatig verdeeld zijn over de gescheiden aardingslagen.Uiteindelijk zal er vaak een verbindingspunt op de printplaat zijn dat de beste locatie is voor het terugsturen van stroom zonder dat dit tot prestatieverlies leidt.Dit aansluitpunt bevindt zich meestal nabij of onder de omvormer.
Gebruik bij het ontwerpen van de voedingslagen alle kopersporen die voor deze lagen beschikbaar zijn.Zorg er indien mogelijk voor dat deze lagen niet dezelfde uitlijning hebben, omdat extra uitlijningen en via's de voedingslaag snel kunnen beschadigen door deze in kleinere stukken te splitsen.De resulterende schaarse stroomlaag kan de stroompaden naar de plek duwen waar ze het meest nodig zijn, namelijk de stroompinnen van de omzetter.Door de stroom tussen de via's en de uitlijningen samen te drukken, wordt de weerstand verhoogd, waardoor een lichte spanningsval over de voedingspinnen van de converter ontstaat.
Ten slotte is de plaatsing van de voedingslaag van cruciaal belang.Stapel nooit een digitale voedingslaag met veel ruis op een analoge voedingslaag, anders kunnen de twee nog steeds aan elkaar gekoppeld worden, ook al bevinden ze zich op verschillende lagen.Om het risico op verslechtering van de systeemprestaties te minimaliseren, moet het ontwerp dit soort lagen scheiden in plaats van ze waar mogelijk op elkaar te stapelen.
Kan het Power Delivery System (PDS)-ontwerp van een PCB worden genegeerd?
Het ontwerpdoel van een PDS is het minimaliseren van de spanningsrimpel die wordt gegenereerd als reactie op de stroomvraag van de voeding.Alle circuits hebben stroom nodig, sommige met een hoge vraag en andere waarvoor stroom sneller moet worden geleverd.Het gebruik van een volledig ontkoppelde laagohmige voedings- of aardlaag en een goede PCB-laminering minimaliseert de spanningsrimpel als gevolg van de stroomvraag van het circuit.Als het ontwerp bijvoorbeeld is ontworpen voor een schakelstroom van 1A en de impedantie van de PDS 10mΩ is, is de maximale spanningsrimpel 10mV.
Ten eerste moet een PCB-stapelstructuur worden ontworpen om grotere capaciteitslagen te ondersteunen.Een stapel met zes lagen kan bijvoorbeeld een bovenste signaallaag, een eerste aardlaag, een eerste vermogenslaag, een tweede vermogenslaag, een tweede aardlaag en een onderste signaallaag bevatten.De eerste aardlaag en de eerste voedingslaag zijn in de gestapelde structuur dicht bij elkaar geplaatst, en deze twee lagen zijn op een afstand van 2 tot 3 mil van elkaar geplaatst om een intrinsieke laagcapaciteit te vormen.Het grote voordeel van deze condensator is dat deze gratis is en alleen in de PCB-productienota's hoeft te worden gespecificeerd.Als de voedingslaag moet worden gesplitst en er meerdere VDD-stroomrails op dezelfde laag zijn, moet de grootst mogelijke voedingslaag worden gebruikt.Laat geen lege gaten achter, maar let ook op gevoelige circuits.Dit zal de capaciteit van die VDD-laag maximaliseren.Als het ontwerp de aanwezigheid van extra lagen toestaat, moeten twee extra aardingslagen tussen de eerste en tweede voedingslaag worden geplaatst.In het geval van dezelfde kernafstand van 2 tot 3 mil zal de inherente capaciteit van de gelamineerde structuur op dit moment worden verdubbeld.
Voor een ideale PCB-laminering moeten ontkoppelcondensatoren worden gebruikt bij het startpunt van de voedingslaag en rond de DUT, die ervoor zorgen dat de PDS-impedantie laag is over het gehele frequentiebereik.Het gebruik van een aantal condensatoren van 0,001 µF tot 100 µF zal dit bereik helpen dekken.Het is niet nodig om overal condensatoren te hebben;Door condensatoren rechtstreeks tegen de DUT aan te sluiten, worden alle productieregels overtreden.Als zulke strenge maatregelen nodig zijn, heeft het circuit andere problemen.
Het belang van blootliggende pads (E-Pad)
Dit is een aspect dat gemakkelijk over het hoofd wordt gezien, maar het is van cruciaal belang voor het bereiken van de beste prestaties en warmteafvoer van het PCB-ontwerp.
Blootgestelde pad (Pin 0) verwijst naar een pad onder de meeste moderne hogesnelheids-IC's, en het is een belangrijke verbinding waardoor alle interne aarding van de chip is verbonden met een centraal punt onder het apparaat.Door de aanwezigheid van een blootliggende pad kunnen veel converters en versterkers de noodzaak van een aardingspin elimineren.De sleutel is om een stabiele en betrouwbare elektrische verbinding en thermische verbinding te vormen bij het solderen van deze pad op de printplaat, anders kan het systeem ernstig beschadigd raken.
Optimale elektrische en thermische verbindingen voor blootliggende pads kunnen worden bereikt door drie stappen te volgen.Ten eerste moeten, waar mogelijk, de blootliggende pads op elke PCB-laag worden gerepliceerd, wat zal zorgen voor een dikkere thermische verbinding voor alle aarde en dus voor een snelle warmteafvoer, vooral belangrijk voor apparaten met een hoog vermogen.Aan de elektrische kant zorgt dit voor een goede equipotentiaalverbinding voor alle aardingslagen.Wanneer de blootliggende pads op de onderste laag worden gerepliceerd, kan deze worden gebruikt als ontkoppelingsaardpunt en als plaats om koellichamen te monteren.
Splits vervolgens de blootliggende pads in meerdere identieke secties.Een schaakbordvorm is het beste en kan worden bereikt door kruisroosters of soldeermaskers.Tijdens reflow-assemblage is het niet mogelijk om te bepalen hoe de soldeerpasta stroomt om de verbinding tussen het apparaat en de printplaat tot stand te brengen. De verbinding kan dus aanwezig zijn maar ongelijk verdeeld, of erger nog, de verbinding is klein en bevindt zich op de hoek.Door het blootliggende pad in kleinere secties te verdelen, kan elk gebied een verbindingspunt hebben, waardoor een betrouwbare, gelijkmatige verbinding tussen het apparaat en de printplaat wordt gegarandeerd.
Ten slotte moet ervoor worden gezorgd dat elke sectie een over-hole-verbinding met aarde heeft.De gebieden zijn meestal groot genoeg om meerdere via's te huisvesten.Zorg ervoor dat u vóór de montage alle via's vult met soldeerpasta of epoxy.Deze stap is belangrijk om ervoor te zorgen dat de blootliggende soldeerpasta niet terugvloeit in de holtes van de via's, wat anders de kans op een goede verbinding zou verkleinen.
Het probleem van kruiskoppeling tussen de lagen in de PCB
Bij PCB-ontwerp zal de lay-outbedrading van sommige hogesnelheidsomvormers onvermijdelijk een circuitlaag hebben die kruislings is gekoppeld aan een andere.In sommige gevallen kan de gevoelige analoge laag (voeding, aarde of signaal) zich direct boven de digitale laag met veel ruis bevinden.De meeste ontwerpers denken dat dit niet relevant is omdat deze lagen zich op verschillende lagen bevinden.Is dit het geval?Laten we eens naar een eenvoudige test kijken.
Selecteer een van de aangrenzende lagen en injecteer een signaal op dat niveau. Verbind vervolgens de kruislings gekoppelde lagen met een spectrumanalysator.Zoals je kunt zien, zijn er heel veel signalen gekoppeld aan de aangrenzende laag.Zelfs met een afstand van 40 mil is er een gevoel waarin de aangrenzende lagen nog steeds een capaciteit vormen, zodat bij sommige frequenties het signaal nog steeds van de ene laag naar de andere zal worden gekoppeld.
Ervan uitgaande dat een digitaal onderdeel met hoge ruis op een laag een 1V-signaal van een hogesnelheidsschakelaar heeft, zal de niet-aangestuurde laag een 1mV-signaal gekoppeld zien vanaf de aangestuurde laag wanneer de isolatie tussen de lagen 60dB is.Voor een 12-bits analoog-digitaalomzetter (ADC) met een volledige swing van 2Vp-p betekent dit een koppeling van 2LSB (minst significante bit).Voor een bepaald systeem hoeft dit geen probleem te zijn, maar er moet worden opgemerkt dat wanneer de resolutie wordt verhoogd van 12 naar 14 bits, de gevoeligheid met een factor vier toeneemt en de fout dus toeneemt tot 8LSB.
Het negeren van cross-plane/cross-layer-koppeling mag er niet toe leiden dat het systeemontwerp faalt of het ontwerp verzwakt, maar men moet wel waakzaam blijven, omdat er mogelijk meer koppeling tussen de twee lagen bestaat dan men zou verwachten.
Hier moet rekening mee worden gehouden wanneer er sprake is van valse koppeling van ruis binnen het doelspectrum.Soms kan lay-outbedrading leiden tot onbedoelde signalen of kruiskoppeling van lagen met verschillende lagen.Houd hier rekening mee bij het debuggen van gevoelige systemen: het probleem kan in de onderliggende laag liggen.
Het artikel is afkomstig uit het netwerk. Als er sprake is van inbreuk, neem dan contact op om het te verwijderen, bedankt!
Posttijd: 27 april 2022