Подробно о разводке печатной платы для микроконтроллера

Обновление : последующий вопрос показывает мое мнение о полученной разводке печатной платы.

Я выкладываю свою первую плату с uC (у меня есть достаточный опыт использования и программирования встроенных систем, но я впервые делаю разводку печатной платы), STM32F103, это будет плата смешанных сигналов, использующая как внутренние ЦАП STM, так и некоторые внешние ЦАП через SPI, и я немного запутался с заземлением.

Ответы на эти вопросы:

четко указать, что у меня должна быть локальная заземляющая плоскость для UC, подключенная к глобальной земле ровно в одной точке, и локальная сеть питания, подключенная к глобальной мощности рядом с той же точкой. Вот что я делаю. Тогда мой 4-слойный стек:

  • локальная плоскость GND + сигналы, uC, развязывающие конденсаторы 100 нФ и кристалл
  • глобальный GND, непрерывный, за исключением переходных отверстий. Согласно источникам, таким как Генри Отт , заземляющий слой не разделен, а цифровые и аналоговые секции физически разделены.
  • питания, 3,3В плоскость под микросхему, толстые дорожки для внешних ЦАП 3,3В, более толстые дорожки для разводки ± 15 вольт в аналоговой части.
  • сигнал + 1 мкФ развязывающие колпачки

Далее на плате аналоговые компоненты и сигналы находятся на верхнем и нижнем слоях.

Итак, вопросы:

  1. я должен разбить глобальную землю под uC, или хорошо иметь полную землю под локальной?
  2. Плоскость питания: я намереваюсь иметь плоскость питания только под UC и использовать переходные отверстия для подачи питания на развязывающие колпачки и, следовательно, на UC на верхнем уровне, поскольку я не могу использовать его где-либо еще. Внешние ЦАП должны быть распределены по звездам, поэтому у меня есть для них отдельные дорожки, а остальная часть платы ± 15 вольт. Это звучит нормально?
  3. Я использую как АЦП, так и ЦАП uC и генерирую опорное напряжение в аналоговой части платы, которое подвожу к контакту Vref+ uC с дорожкой на плоскости питания. Куда подключать Vref-пин: локальная земля, глобальная земля, или сделать отдельную дорожку на плоскости питания, соединяющую его с глобальной землей в аналоговой секции, где земля должна быть спокойной? Может быть, рядом с местом, где генерируется опорное напряжение? Обратите внимание, что на STM32 Vref- отличается от аналогового контакта земли VSSA (который, я полагаю, идет к локальной плоскости GND?).

Любые другие комментарии по дизайну здесь, конечно, тоже приветствуются!

Много поисковых вопросов, приводящих к большому количеству хороших ответов с хорошими комментариями. Однако многое из того, что является хорошей практикой, можно узнать, изучая то, что сделали другие. Возьмите много качественных (аналогичных 4-х слойных) печатных плат со смешанными сигналами и используйте пневматический инструмент для отпайки крупных компонентов. Исследуйте, как управляются переходные отверстия питания. Вы хотите научиться передовому опыту у профессиональных дизайнеров, так как некоторые вещи никогда не попадут в книги, это просто эмпирические правила дома, передаваемые устно и (через плечо) традиция близости. Не обращайте столько внимания на дешевый потребительский дизайн.

Ответы (3)

Вам не обязательно нужен локальный заземляющий слой для микро. Локальная земля может быть звездой с центральной точкой под микро, где эта звезда соединяется, например, с основной землей.

Если у вас есть хотя бы 4 слоя, то может иметь смысл выделить один из слоев в непосредственной близости от микро на локальную землю. Если это слишком усложняет разводку или это двухслойная плата, просто используйте звездообразную конфигурацию. Главное, чтобы высокочастотный силовой ток, потребляемый микроконтроллером, не касался основного заземляющего слоя. Если вы этого не сделаете, у вас будет патч-антенна с центральным питанием вместо заземляющего слоя.

Петля от штырька микропитания к колпачку байпаса и штырю микрозаземления не должна пересекать основную заземляющую пластину. Здесь будут протекать токи высокой частоты. Подсоедините контакт заземления к основному заземлению в одном месте, но не подключайте заземляющую сторону крышки байпаса к основному заземлению отдельно. Сторона заземления крышки байпаса должна иметь собственное соединение с контактом заземления микроконтроллера.

Цифровые сигналы, идущие между микроконтроллером и другими частями платы, по-прежнему будут иметь небольшую площадь контура, поскольку микроконтроллер будет подключен к основному заземлению рядом с его контактом заземления.

Олин, если бы вы могли опубликовать несколько ссылок в поддержку вашей теории «патч-антенны», это было бы признательно.
В данном конкретном случае как насчет Vref-pin? К локальной наземной сети/плоскости (думаю, я могу сделать плоскость, потребуется еще пара переходных отверстий, чтобы сигнальные трассы не сломали ее полностью) или напрямую к глобальной?
@Arm: Это просто базовая физика.
@Timo: вывод Vref- потребляет очень мало тока и используется в качестве опорного 0 для аналого-цифрового преобразователя. Он должен быть подключен прямо к основному заземляющему слою с собственным переходным отверстием.
@OlinLathrop Каждая сложная плата с открытым исходным кодом, которую я видел (Novena, Intel Galileo, Parallella, iMX6 Rex, MicroZed и т. д. ...), имеет MCU / FPGA / DSP в середине платы и твердые заземляющие плоскости. Конечно, если бы проблема, которую вы описываете, была серьезной, по крайней мере, некоторые из проектов попытались бы ее решить?
@Arm: я не говорю, что плоскость заземления не должна быть твердой. Важно то, как заземление процессора подключено к нему. Присмотритесь, и вы увидите локальную сеть заземления с одним соединением с основной землей. Кроме того, во многих случаях вам может сойти с рук далеко не лучшая практика. Проекты с открытым исходным кодом не должны беспокоиться о стоимости сбоев в полевых условиях или о том случае 1 из 10000, когда он работает не совсем правильно, или даже много раз об ограничениях выбросов (не то чтобы это было законно, но гораздо менее вероятно, что FCC заметит).
@OlinLathrop Хорошо. Означает ли это, что заглушки байпаса для Vref+ также подключаются непосредственно к основному заземляющему слою? Контакт VSSA и земля перепускных колпачков VDDA проходят через локальную или глобальную плоскость?
Я не нашел в даташитах никаких упоминаний о том, сколько тока будет потреблять вывод VDDA.
Проблема с контактом Vref+ заключается в том, что вы хотите, чтобы на нем не было шума. Вы не беспокоитесь о том, что это загрязнит остальную часть системы. Если вы его используете, то он, вероятно, в любом случае исходит от отдельного регулятора. Вы можете подключить другую сторону его обходной крышки к основному заземлению или подключить его к аналоговому заземляющему контакту, если он есть у этой микросхемы, а затем подключить эту цепь к основному заземлению рядом с аналоговым заземляющим контактом.
@OlinLathrop, как применить локальный подход к плоскости заземления с пакетом BGA?
@Bip: Опять же, местная земля не обязательно является самолетом.
@OlinLathrop как насчет радиочастотной схемы в корпусе QFN, т.е. умного Bluetooth? Можно ли подключить центральную площадку к местной земле; конденсаторы на дорожке радиочастотной антенны прямо на землю или местную землю?
Сложные конструкции BGA @Bip требуют плотного переходного поля и свободы прокладки дорожек на верхнем слое, чтобы добраться до всех соединений, 4-слойную плату будет трудно развести «идеально», но все, что нужно сделать, это разделить низкие аналоговые сигналы. от остальных медными плоскостями и гусеницами по возможности. Наличие одного из слоев, почти полностью заземляющего слоя, является разумным выбором конструкции во многих ситуациях. Помните, что 30 лет назад, когда у компьютеров были «быстрые» сети с переходами на 10 МБод, современные проекты были бы равносильны черной магии. Сейчас все как-то проще. Добавьте также аналоговую фильтрацию.

  1. Нет, не следует. И избавиться от так называемой «местной земли». Как вы думаете, что происходит со всеми цифровыми сигналами, когда вы реализуете эту локальную землю? Вы должны найти ответ в статье Генри Отта, на которую вы ссылаетесь, рисунок 1.

    Конечно, у вас есть связь между местной землей и плоскостью земли, но все, что вы делаете, это увеличиваете площадь петли, по сути превращая ваши трансы в маленькие антенны.

  2. Звучит здорово.

  3. В справочном руководстве сказано, что V REF- должен быть подключен к V SSA , который, в свою очередь, должен быть подключен к V SS . Я предлагаю вам просто подключить V REF- напрямую к земле и попытаться не допустить появления цифровых токов, используя разумное размещение.

Что касается предложений, если конденсаторы 1 мкФ — это единственные компоненты, которые вы планируете разместить снизу, я рекомендую разместить их сверху. Когда у вас есть компоненты с обеих сторон, производителю приходится либо дважды пропускать плату через печь, либо припаивать компоненты вручную. И то, и другое увеличивает стоимость производства.

Вы можете включить ссылку на статью Ott, на которую вы ссылаетесь.
@akohlsmith Я имел в виду ту же статью, что и ОП, но теперь добавил ссылку.
В аналоговой секции внизу довольно много компонентов, так что дело не только в больших развязывающих колпачках.
Извините, я бы действительно хотел принять половину вашего ответа и половину ответа Олина, если бы это было возможно, но решил пойти с Олином, поскольку в итоге я сделал локальный наземный самолет (как видно из другого вопроса)

Вы можете найти этот ответ полезным.

Я очень редко использую действительно отдельные плоскости (такие приложения все еще существуют), но не для такой схемы, как ваша.

Тщательное размещение компонентов и немного размышлений о питании/земле должны помочь вам добиться хорошей компоновки.

Подробно о разводке печатной платы для микроконтроллера
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v