Маршрутизация печатных плат: изолировать сквозные контакты, чтобы принудительно провести их через развязывающие конденсаторы?

Я новичок в разводке печатных плат, и у меня есть вопрос о разводке конденсаторов в конструкциях со сквозными отверстиями. Я знаю, что в дизайне SMT рекомендуется размещать конденсаторы как можно ближе к выводу питания и направлять питание от его источника (трасса питания или плоскость) сначала через конденсатор, а затем к выводу, примерно так:

введите описание изображения здесь

В сквозном дизайне мы могли бы начать так, прежде чем заливать плоскости питания и земли (пример в EAGLE):

введите описание изображения здесь

Теперь, когда заливаем power plane, по умолчанию получаем вот это:

введите описание изображения здесь

Обратите внимание, что поскольку и вывод конденсатора, и вывод питания микросхемы подключены к цепи +3,3 В, инструмент проектирования (EAGLE) соединил оба контакта с плоскостью. Мои вопросы:

  • Это действительно имеет значение? Я считаю, что стандартной лучшей практикой является принудительное подключение к источнику питания через конденсатор до того, как оно достигнет вывода.

  • Если это действительно имеет значение — а я думаю, что имеет, — есть ли способ в типичном программном обеспечении для печатных плат (EAGLE в моем случае) предотвратить подключение контакта питания микросхемы к плоскости, чтобы плоскость подключалась только к выводу конденсатора, а оттуда по трассе к контакту IC? Я знаю, что мог бы вручную нарисовать полигон, чтобы заблокировать заливку полигона в области вокруг булавки, но это было бы очень утомительно делать вручную для каждой булавки. Я думаю, что если это действительно важно с электрической точки зрения, большинство программного обеспечения для печатных плат должно предлагать способ справиться с этим.

  • Относятся ли ответы к № 1 и № 2 к контактам GND? В этом примере было бы лучше (а) соединить выводы GND конденсатора и микросхемы с плоскостью и не заморачиваться с дорожкой, или (б) провести трассировку от выводов ИС к выводу GND конденсатора и соединить вывод GND конденсатора с выводом GND конденсатора. Земля самолет?

Я думаю, что сценарий между конструкцией SMD и конструкцией со сквозным отверстием отличается - конструкция SMD, очевидно, не имеет плоскости VCC или GND сверху, поскольку это может быть четырехслойная конструкция, но проблема будет идентична на двухслойных платах. На 2/4-слойной плате не лучше ли иметь прямое подключение к силовой плате, потому что можно через ножки компонентов и наличие крышки рядом также непосредственно на силовых плоскостях, чем насильно иметь длинные тонкие провода с паразитной индуктивностью сначала идет к конденсатору, который затем напрямую подключается к силовым плоскостям? В конструкции SMD все будет иначе, так как у вас должны быть переходные отверстия.
Как так вышло, что вы направили GND, а не нижний (или внутренний слой), выделенный для GND?
@winny Это часть вопроса, см. последний пункт. Также эти картинки предназначены только для иллюстрации (я нарисовал их исключительно для иллюстрации вопроса, это не настоящий дизайн).
@Justme «Не будет ли лучше ...» Я не знаю, надеюсь, эксперт сможет мне сказать :) Этот вопрос касается плат с 4+ слоями или, по крайней мере, плат, на которых есть выделенные плоскости питания. На двухслойной плате, где питание обычно распределяется по дорожкам, этот вопрос, как вы говорите, не применим.
В этом случае выделите хотя бы один слой для земли и просто подключите переходное отверстие рядом с каждым выводом GND каждого конденсатора и микросхемы к этому слою земли. Если у вас четырехслойная плата, рассмотрите слой Vcc.
@winny Прости, я не уверен, что понял. В моем вопросе речь идет именно о сквозных отверстиях на платах с силовыми и заземляющими плоскостями (слоями). Так что переходные отверстия не нужны, отверстия уже есть (PTH)! Вопрос заключается в том, необходимо ли изолировать контакты питания ИС (и, возможно, даже заземления) от этих слоев, чтобы заставить ток пройти через декап и достичь контактов ИС. И если да, то есть ли простые способы сделать это в программном обеспечении для проектирования (я использую EAGLE, но мне также будет интересна информация об Altium и т. д.).
Ой! Извини, что я неправильно понял тебя тогда. Нет необходимости направлять GND, если вы не делаете радар, сотовый телефон или что-то подобное, где может возникнуть крайний случай. Почему вы используете сквозную дыру в 2021 году?
@winny Нет, в настоящее время меня интересуют только скорости примерно до 100 МГц ... так что никаких соображений сверхвысокой скорости RF, я знаю, что там все становится намного сложнее. И это больше связано с питанием, чем с землей, потому что отсутствие изоляции контактов микросхемы нарушает то, что я в настоящее время знаю как передовую практику в мире SMT, а именно маршрутизацию через декап к контакту, а не к контакту, а затем к декап. Почему TH в 2021 году - потому что я делаю прототипы плат, и хотя я могу делать простую пайку SMT, я бы не хотел (и определенно не стал бы платить сборщику платы за сборку, если этого можно избежать)!
Каждый раз, когда вы устраняете путь для тока, вы ПОВЫШАЕТЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ. Цель байпаса — уменьшить импеданс. Это означает, что переходные отверстия к плоскости должны быть как можно ближе к контактным площадкам и должны соединяться с плоскостью. Если колпачок находится близко к контакту/площадке, то они могут иметь общее переходное отверстие. И контактная площадка заземления, и контактная площадка VCC должны располагаться близко к контактам на микросхеме. Не фокусируйтесь на VCC и игнорируйте GND. Если вы сомневаетесь, добавьте больше переходных отверстий или соединений, а не меньше.
По сути, нет, не пытайтесь «заставить» байпасный ток идти по более длинному пути. Пусть она течет к плоскости по кратчайшему пути.

Ответы (3)

Правда в том, что на самом деле не имеет значения, «попадает» ли ток на конденсатор перед выводом микросхемы или нет. Это давно обсуждалось, и недавние исследования показали, что достаточно просто разместить конденсатор близко к ИС. Дэйв Джонс из EEVBlog сделал видео, чтобы проиллюстрировать это, но он, безусловно, не единственный. Я считаю, что Рик Хартли, один из ведущих мировых экспертов по проектированию высокоскоростных плат, также доказал, что на самом деле не имеет значения порядок, в котором ток «поражает» контакты. В большинстве случаев на самом деле предпочтительно, чтобы конденсатор был подключен к выводу IC через плоскость, так как это меньшая индуктивность, чем дискретная дорожка.

Вот видео Дэйва Джонса: https://www.youtube.com/watch?v=1xicZF9glH0

Это действительно познавательное видео, спасибо. Я видел некоторые другие видео Дэйва Джонса и люблю его канал. По этим рассуждениям (и из демонстрации) я думаю, что я должен просто установить декапсеры как можно ближе к соответствующим выводам IC и позволить обоим выводам проникнуть в плоскости - ток уладится сам. Никаких явных следов (поскольку у нас есть непрерывный/твердый слой питания и земли - по крайней мере, настолько непрерывный, насколько это возможно, учитывая сквозную конструкцию! По крайней мере, непрерывный сигнальными дорожками!). Это тоже ваше мнение?
@TypeIA Я согласен, нет необходимости в дискретных трассировках. С другой стороны, я никогда не слышал, чтобы их называли «декапами». Это разделительные конденсаторы . Является ли «декапс» фактическим термином? На самом деле, это больше вопрос к остальному сообществу.
Еще раз спасибо. «Декап» — это просто сленг, насколько я знаю, но он всплывает во многих кругах и даже в научных статьях . Übrigens, mir gefällt dein Name :)
@ DerStrom8 «декапирование» означает удаление инкапсуляции или пакета микросхемы для непосредственного изучения кристалла. Я никогда не слышал, чтобы он использовался для развязки конденсаторов.
@mkeith citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/… «Развязывающие конденсаторы (decap) часто используются для фильтрации шума в системе распределения электроэнергии (PDS)».
Этот ответ предполагает, что разница невелика: IC Power Pin Connection для помехозащищенности и развязки . Я некоторое время изучал эту тему, и на Stack Exchange есть довольно много противоречивой информации.

Единственное, что имеет значение, это то, что вы поддерживаете низкую индуктивность вашей дорожки. Индуктивность зависит от площади между дорожками одной замкнутой цепи (и независимо от того, что еще находится внутри).

Таким образом, вы поддерживаете его на низком уровне, маршрутизируя пары таким образом ][, а не таким образом [ ].

Это имеет смысл, и поэтому все сводится к выбору варианта, который приводит к наименьшей площади петли. Ток следует по пути наименьшего (комплексного) импеданса, поэтому соединение через плоскость представляет наименьший импеданс по прямолинейному пути (малая площадь петли) между двумя контактами, или мы должны заставить его следовать по прямой / путь с низкой петлей через трассировку? Из ответа DerStrom8 я думаю, что на самом деле это первое.
Для используемых материалов, размеров и частот (<ГГц) это не имеет значения. Возможно, вы захотите вернуться к этому для каналов питания антенны или когда задействованы железные детали. (Как правило, не делайте самых тонких петель вокруг отверстий для винтов. Но опять же, не разделяйте их вообще.)
@TypeIA - «Ток следует по пути наименьшего (комплексного) импеданса, поэтому соединение через плоскость имеет самый низкий импеданс по прямолинейному пути (с небольшой площадью петли) между двумя контактами», «В целом, да. Недостаток этого подхода заключается в том, что, если вы будете осторожны/параноидальны, вы получите довольно низкую плотность компонентов, поскольку вы держите другие компоненты подальше от вероятного пути возврата.
@WhatRoughBeast Да, я тоже об этом думал, но я думаю, что это решаемо. Другой участник спросил меня, «почему TH в 2021 году», и ответил, что я делаю прототипы только в тот момент, когда простота TH ценна для некоторых (не всех) частей. И низкая плотность для прототипа тоже подойдет. В промышленном дизайне я бы просто использовал SMT и упаковал их. Спасибо за понимание!
@TypeIA - В зависимости от вашего уровня паранойи вы должны иметь в виду, что обратный путь на наземном уровне не является бесконечно тонким путем. Скорее, вы получаете пиковый уровень тока вдоль кратчайшего пути с уменьшением тока по мере удаления от этого пути, но в принципе вы получаете некоторый вклад произвольно далеко от основного пути. Думайте о самолете как о связке более или менее параллельных проводов, отходящих от кратчайшего пути. Более длинные пути имеют большее сопротивление и меньший ток, но они соединяют две точки.
@TypeIA - Точно так же все эти параллельные пути обеспечивают меньшее общее сопротивление (в конце концов, они параллельны), чем более тонкий центральный путь.

Давным-давно я прочитал книгу Марка Монтроуза «Методы проектирования ЭМС печатных плат» и думаю, что она до сих пор полезна.

В основе важно импеданс токовой петли, включая индуктивность, индуцированную дорожками, созданными специально для того, чтобы гарантировать, что заряд конденсатора в основном используется для ИС, которую он развязывает. Эти следы могут фактически снизить производительность. Марк Монтроуз пишет: «Увеличение физической ширины соединения от конденсатора до плоскостей сводит к минимуму общую индуктивность контура». Переходные отверстия также добавляют индуктивность.

Таким образом, в общем случае, для целей высокочастотной развязки я бы предпочел плоское соединение, а не выделенные дорожки. Ток все равно «найдет» кратчайшую петлю.

Однако есть один случай, когда я добавил выделенную трассу для развязки, и на самом деле это была проблема «низкой частоты».

У меня была схема, использующая SDCard для хранения результатов нескольких измерений. Насколько я помню, SDCard возмущала цепь при включении, что вызывало помехи в измерениях, где мы искали очень небольшие изменения значений.

Так что я закончил тем, что добавил шарик и nettie, чтобы иметь возможность направлять отдельные дорожки VCC и GND на SDCard непосредственно с выхода LDO.Питание SD-карты

Вы можете видеть соседние дорожки на печатной плате, дорожку GND до C33 и трассу VCC до L3.

Отдельные силовые трассы

LDO находится на другой стороне платы между двумя отверстиями слева от «SHDN» в белом квадрате. Именно из этой области следы ведут к SDCard.

IHMO, это была проблема с низкочастотным «объемным» конденсатором, а не с проблемой ВЧ-развязки.

рв

Этот метод по существу состоит в создании областей с локальной заземляющей плоскостью. Это то, чем занималась наша группа дизайнеров. Больше по историческим причинам, чем по каким-либо доказательствам, которые я видел. Как правило, схема генератора имеет локальную плоскость заземления, отделенную от остальной части схемы, за исключением небольшой области («моста»), через которую проходят все сигналы (в частности, мощность, земля и тактовый сигнал).

Эта дисциплина помогает избежать отслеживания каких-либо критических сигнальных линий ниже или рядом с линиями синхронизации, но этого недостаточно. Мы столкнулись с серьезными нарушениями, когда аналоговая зеленая видеолиния находилась рядом с тактовой линией примерно на 10 сантиметров. Все работало нормально, пока мы не перешли на асинхронность, после чего возникли перекрестные помехи.

Увеличенная токовая петля, чтобы избежать злонамеренных токов

Я также столкнулся с практическим случаем, когда у нас была дочерняя плата с большим количеством развязывающих конденсаторов, но лишь с несколькими нераспределенными соединениями GND с основной платой. Обратный ток, возникающий в результате изменений на выходе, не следовал по пути GND, а вместо этого использовал сигнальные линии, что приводило к изменениям 2Vpk-pk на них. 0 стали единицами и наоборот в неподходящее время.
Я улучшил это, воссоздав соединение плоскости GND с основной платой, прежде чем решить проблему, заменив соединение часов витым проводом.
Это увеличило токовую петлю для обратного тока, так что тактовый сигнал остался чистым. Остальное уже не имело значения, так как все выходы изменяются после такта очистки (обработки) и стабилизируются до следующего такта. Наши прототипы фиксировались просто добавлением этой витой проволоки вместо часового соединения разъема.

Рассказывать можно еще много, но ладно, на то и есть хоть одна книга, несколько курсов и т.д. ;-) и практика!