Обратные пути заземления по сравнению с контурами заземления в цифровой трассировке печатных плат

У меня двухслойная печатная плата, где я не могу добавлять плоскости питания. (Тем не менее, я потенциально мог бы добавить землю или мощность). Моя проблема заключается в том, что я пытаюсь решить, следует ли мне использовать строгую звездообразную топологию для маршрутизации питания и заземления к каждой ИС или также добавить дополнительные пути возврата по земле для передачи сигналов между ИС.

Чтобы проиллюстрировать мою точку зрения:

введите описание изображения здесь

На рисунке КРАСНЫЙ цвет соответствует дорожкам питания, а черный — дорожкам заземления, которые в данный момент находятся на печатной плате. Серые дорожки (также выделенные желтым) — это дополнительные дорожки заземления, которые я планирую добавить между микросхемами, чтобы они служили обратными путями для передачи данных между микросхемами (в основном i2c и spi).

Я разрываюсь между добавлением этих дополнительных дорожек из-за возможности создания контура заземления. Однако мне также может понадобиться предоставить обратный путь для линий данных между микросхемами.

Что лучше? Как мне решить эту проблему контуров заземления по сравнению с обратными путями?

В качестве дополнительного вопроса - хотя это и нецелесообразно с экономической точки зрения, стоит ли пытаться перейти на 4-слойную печатную плату? Когда вы решите, стоит ли переходить на 4-слойную печатную плату?

Есть ли на этой плате шумные компоненты, такие как импульсный источник питания или что-то чрезвычайно чувствительное к шуму, например аналоговое? Я смущен, почему вы думаете, что вам нужно больше трасс заземления, обычно такие вещи, как MCU, имеют несколько заземлений и развязывающие колпачки для проблем с шумом. Можете ли вы добавить реальную схему?
Вы можете предположить, что «остров силы» состоит из импульсного источника питания (1-3 МГц, а также необходимых пассивных элементов, таких как катушки индуктивности, высокопроизводительные млк и т. д.). Каждая ИС, включая микроконтроллер, драйвер дисплея и ИС датчика, имеет 2+ контакта заземления. Земля просто разделяется на питание этих двух контактов, когда она приближается к микросхеме. Каждая микросхема имеет соответствующие байпасные конденсаторы, как рекомендовано в таблицах данных, которые обычно составляют 0,1 мкФ, 1 мкФ или 10 мкФ. Это больше теоретический вопрос - схемы пока нет - просто то, с чем я сталкиваюсь и думаю время от времени.
Дополнительные наземные трассы, которые я рассматриваю для добавления, заключаются в добавлении более короткого обратного пути для линий данных между MCU и другими ИС.
Вы говорите, что им не нужен обратный путь (например, заземляющий слой ниже), потому что они не проводят большой ток (только сигнализация напряжения)? Я слышал об «обратных путях» между IC - всегда думал, что это относится к сигнализации ... Когда мы должны беспокоиться об обратных путях, поскольку это относится к сигнализации между IC?
Кажется, я все еще считаю, что с точки зрения SPI и I2C пути возврата по-прежнему актуальны. См. этот вопрос и ответ: electronics.stackexchange.com/questions/259304/…
@RonBeyer у всего есть «обратный путь», но для низкоскоростных вещей, таких как I2C, значение слишком длинного запутанного обратного пути не часто вызывает проблемы, то есть «с вами все должно быть в порядке» обычно верно. Тот факт, что большинству людей это сходит с рук, не повод говорить, что это не имеет значения. Забавно, что дифференциальные сигналы — это то место, где вам не нужен (земляной) обратный путь, поскольку выход и возврат встроены в сигнальную среду двух дорожек, проложенных вместе. Пожалуйста, не путайте ОП, там уже достаточно путаницы.
@RonBeyer, если у сигнала нет обратного пути, что с ним происходит, когда он достигает пункта назначения? Просто болтается с сигаретой? Во время тестирования ЭМС я воочию убедился, насколько важны обратные пути, даже для сигналов от микроконтроллера, который просто управлял несколькими аналоговыми переключателями; сигналы направлялись через зазор между двумя заземляющими плоскостями. Простое соединение двух плоскостей под гусеницами для более короткого обратного пути изменило доску с неудачной на проходную. Нил дает очень хорошие советы.
Проблема с дифференциальными линиями заключается в том, что обычные устройства, такие как LVDS, не так уж хорошо сбалансированы или все такие дифференциальные, IIRC LVDS гарантирует только синфазное напряжение примерно на 20 дБ ниже дифференциального напряжения, что намного лучше, чем ничего, но все же будет излучать, если вы не обеспечиваете возврат через базовую плоскость.

Ответы (1)

Если сигналы между цифровыми ИС являются «высокоскоростными», то да, вы должны запускать соединения для передачи данных и соединение с землей в непосредственной близости друг от друга или иметь значительные перекрестные помехи между частями платы и риск повреждения данных. . Будет ли 100 кГц I2C претендовать на «высокую скорость», спорно, вам, вероятно, это сойдет с рук, это зависит от размера платы.

Один из способов сделать это, как вы предлагаете, состоит в том, чтобы запустить линии данных непосредственно между ИС и запустить наземные линии с данными.

Другой способ сделать это — запустить вашу исходную систему «звезда-земля» и запустить линии данных по путям реальных соединений с землей.

Там, где у меня нет такой роскоши, как наземная плоскость, и я бы категорически воздержался от «заливки земли», если это возможно, поскольку они худшие из всех миров, я использую систему заземления с координатной сеткой. Это почти так же хорошо, как наземный самолет. Наземные (и часто Vcc) дорожки проходят с востока на запад в верхней части платы, с севера на юг в нижней части и соединяются на каждом перекрестке переходом. Это обеспечивает относительно жесткое заземляющее соединение, при котором сигнальные дорожки всегда легко прокладывать близко к заземляющим проводникам.

Некоторые люди скажут вам, что I2C не использует обратный путь. Это нонсенс, вся цифровая сигнализация должна использовать обратный путь. Единственный вопрос заключается в том, строго ли контролируется обратный путь для работы с сигналом, или ему разрешено петлять по плате, провоцируя возможные проблемы.

Это правда, что в достаточно медленной системе обычно есть время для установления плохих переходных процессов до того, как строки будут сэмплированы, и поэтому вы сойдете с рук, не зная об этом. Скорее всего, вам это сойдет с рук, когда система медленная и дискретная, например, битовый I2C. Скорее всего, у вас возникнут проблемы, когда система тактируется на интерфейсе, таком как SPI, поскольку множественные переходы на тактовой линии будут сдвигать лишние неправильные биты данных в регистры RX.

Спасибо за отличный ответ. Другая моя проблема заключается в том, что после добавления дополнительных трасс заземления я также создаю больше контуров заземления, может ли это быть проблемой? Я посмотрю на землю с сеткой, как вы предложили. Какое расстояние между каждой сеткой рекомендуется? Нужно ли это только там, где вы потенциально можете запускать сигналы? Лучше запускать сигналы рядом с трассами заземления на том же слое или прямо напротив на другом слое?
«избегайте контуров заземления» на самом деле является проблемой только в аудио, где перекрестные помехи обнаруживаются на очень низком уровне. На цифровых платах устойчивость к шуму предотвращает возникновение плохих вещей с петлями, но убедитесь, что каждый сигнал имеет локальный возврат. Шаг сетки нужен только там, где вы запускаете сигналы и питание, хотя ближе не помешает. Смежный или нижний на самом деле не имеет значения для низкоскоростных высокоскоростных вещей, таких как 10 МГц SPI, но когда вы переходите на 100 МГц, вы должны использовать контролируемый импеданс, что наиболее практично при трассировке по земле.
Заземляющие контуры важны в любой сигнальной цепи, где отношение сигнал-шум становится неадекватным из-за взаимодействующих токов и полей. Вам нужно будет НАРИСОВАТЬ потоки тока и обратные пути, а также вычислить падения I R и падения I Z, а также ошибки, вызванные магнитным полем. Таким образом, людям нравятся самолеты, возможно, самолеты с несколькими ловко расположенными щелями, которые отводят раздражающие токи от деликатных областей для сигнальных цепей. Для низкочастотного цифрового сигнала используйте плотную сетку, как рекомендует Neil_UK. Я видел, как 25 лет назад парень изготовил печатную плату с автоматической трассировкой для LPSTTL. Его наземный путь был одной гирляндой.
Обратные пути заземления по сравнению с контурами заземления в цифровой трассировке печатных плат
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v