Я собираюсь начать размещать компоненты на моей самой первой 4-слойной печатной плате (завершая схему и программное обеспечение MCU, протестированное на 2-слойном предварительном прототипе, все работает на удивление хорошо, но все же 2-слойная). Я изучил множество материалов, видео от Роберта Феранека и Рика Хартли по заземлению. Хотя там много действительно сложного или предположительно понятного, это чертовски сложно, тем не менее я многому научился (пусть и понял не на 100%, но большую часть), но у меня все еще есть несколько вопросов, которые я хочу прояснить. . Несколько часов гугления ничего не дали, а задать конкретный вопрос (или несколько) некому.
Мой дизайн включает систему MCU до 20 МГц, UART, SPI, I2C, имеет ЦАП и АЦП, максимальный ток системы 5 В 1 А.
Планируемый стек: Sig-GND-Vcc(5V)-Sig .
Вопрос 1: GND льется на самолеты Sig. Да или нет? В большинстве примеров на самом деле нет заливки, но четкий ответ приветствуется (и кратко почему).
Вопрос 2: развязывающий конденсатор должен иметь переход к слою POWER (3) и слою GND (2). НО: я не могу подключиться к обоим плоскостям Vcc и GND с верхнего и нижнего слоев: EAGLE отказывался разрешать мне делать такие переходные отверстия (с 1 по 4 нормально, с 1 по 2 нормально, с 3 по 4 нормально, но только ЛИБО 1 до 3 или от 2 до 4, DRC сообщает мне NEIN, когда я пробую оба; Eagle нумерует слои как «1», «2», «15» и «16» соответственно). Я погуглил, что это из-за производственных причин, и теперь, когда я об этом думаю, это имело смысл. Так как же разместить развязывающие колпачки для чипов снизу? Снизу (уровень 4) не может быть прямого перехода на GND (2). Что мне с этим делать?
Вопрос 3: Я видел много материала об импедансе и все такое, но переключение слоев было упомянуто лишь кратко и как бы «предполагалось, что это просто и ясно», что мне нужно переключить опорную плоскость или что-то в этом роде (поскольку я был против плоскости GND на слое 1, но против Vcc на уровне 4). Ну, я вообще понятия не имею, что это значит. Скажем, у меня есть сигнал I2C на уровне 1. Предположим, мне действительно нужно переключить его на уровень 4. Промежуточный сигнал идет прямо на уровень 4, без проблем. Что мне делать с текущим обратным путем, который находился на плоскости GND прямо под трассировкой I2C (справа)? И опять же, у нижнего слоя не может быть даже прямого перехода к GND.
Вопрос 4: механический. Внутренние слои в рекомендациях JLCPCB, которые я рассматривал в качестве примера, по умолчанию в два раза тоньше, чем внешние слои. Таким образом, плоскости GND и 5V тонкие. Должен ли я заботиться? (5 В 1 А макс. для системы)
К сожалению, на данный момент все очень запутанно. Двухслойная плата требовала меньше мозгового труда. Наливай больше, думай меньше. Теперь я понимаю, почему это плохо (наверное, «хуже» — правильное слово), но я застрял между отказом от двухслойного дизайна, желанием улучшить ситуацию и неспособностью принять четырехслойный дизайн, даже если я потрачу много времени. исследуя это. Я уловил ключевые идеи и концепции, но куда бы я ни посмотрел, некоторые более мелкие практические детали были опущены.
Я был бы признателен, если бы вы также могли поделиться некоторыми материалами, такими как «4-слойная печатная плата для чайников» или чем-то еще, в дополнение к конкретным ответам на мои вопросы. Не может быть слишком много информации.
Кроме того, возможно, кто-нибудь может дать ссылку на хороший простой дизайн 4-слойной печатной платы, который я мог бы посмотреть в Eagle или Altium (есть пробная версия, хотелось бы, чтобы я мог работать в ней всегда). Никакой DDR, больше моего калибра — микроконтроллер и периферия, если это возможно. Спасибо.
Я согласен с некоторыми комментариями в ответах выше, но не полностью, поэтому я предложу другую точку зрения:
Как было упомянуто выше, Хартли говорит о том, чтобы обеспечить соответствие EMI приложениям с высокой скоростью передачи данных. У вас будет достаточно быстрое время нарастания/спада, чтобы генерировать много шума, но если вы не заботитесь о прохождении электромагнитных помех или не используете поблизости аналог, вам, вероятно, все равно.
Я профессионально занимаюсь высокоскоростными работами со скоростью 100 Гбит/с на полосу, а также проектированием миллиметровых волн почти до 100 ГГц, поэтому я живу в центре этих проблем каждый день. Но когда я играю с микро на 20 МГц для развлечения, я не обращаю особого внимания ни на что из этого, за исключением случаев, когда я микширую аналоговые сигналы, и даже тогда, если цифровые линии будут тихими во время преобразования данных. , я все еще не беспокоюсь об этом.
Signal1-GND-Vcc-Signal2 - это то, на что парень, отвечающий за электромагнитные помехи или целостность высокоскоростного сигнала, оттолкнет. Энергия в плоскости Vcc будет в диэлектрике между Vcc и GND. Signal2 будет иметь свою энергию в двух диэлектрических слоях между Signal2 и GND. Эти два энергетических поля (Vcc и Signal2) будут смешиваться и создавать помехи друг другу. Вероятно, для вас это не имеет значения, так что дерзайте, но имейте в виду, что эта проблема существует.
Signal-GND-(core)-GND-Signal — идеальный стек. GND-Signal-(core)-Signal-GND тоже отлично. Чтобы «правильно» добавить плоскость питания, было бы неплохо перейти на 6-слойную плату-Сигнал-Земля-Питание-(ядро)-Питание-Земля-Сигнал или что-то в этом роде. Но опять же, вам, вероятно, все равно, и правильная маршрутизация сигналов усложняется, так что не переживайте.
Q1 - Земля сыпется на сигнальные слои? Обычно нет. Вы скорее всего создадите помехи, чем смягчите их, пока не разовьете хорошее понимание того, как работает электромагнитная помеха. Существует множество примеров этого, и трудно уменьшить шум с помощью бокового заземления на печатной плате, это просто не работает.
Q2 — Для переходных отверстий вы можете использовать переходные отверстия, просверленные во всех слоях и покрытые металлом по всей длине печатной платы, но соединенные с металлом только в тех слоях, к которым вам действительно необходимо электрическое соединение. Eagle поддерживает это, продолжайте бороться, и вы поймете, как это сделать. Итак, наденьте колпачок сверху и поместите рядом с ним переходные отверстия, которые соединяются с верхнего слоя с питанием и землей, но не с другими слоями.
Q3 — Вы можете передавать сигналы со слоя 1 на слой 4. Заземление будет переключаться с верхней части металлической фольги GND на нижнюю часть металлической фольги GND. Без проблем.
Q4 — стандартно иметь 0,7 мил (1/2 унции) меди на внутренних слоях и 1,4 мил (1 унция) на внешних слоях. Тебе все равно.
Заливка грунта — хороший начальный прием, хороший способ отделить потенциально мешающие сигналы, но не обязательный. Убедитесь, что вы сшиваете переходными отверстиями основную базовую плоскость. Проконсультируйтесь с вашим производителем печатных плат, но это может помочь с дорожками с очень высоким соотношением сторон, которые могут привести к чрезмерному травлению. Не тратьте впустую целый слой с заливкой 5 В, в этом нет необходимости. Конечно, разместите там распределение мощности, но не используйте его для полной непрерывной заливки.
EAGLE обязательно сделает переходы от любого слоя к любому слою. Если вы не хотите платить больше за глухие или скрытые переходные отверстия, переходное отверстие будет проходить через все слои, но подключаться только к указанным. Поиграйтесь с настройками; было бы очень сложно сделать макет, если бы вы не могли этого сделать!
Изменение опорных плоскостей необходимо только для трасс с регулируемым импедансом (USB, HDMI, Ethernet и т. д.). Для низкоскоростных вещей, таких как I2C, вам не нужно об этом беспокоиться.
Если у вас очень сильноточные дорожки, то выкладывайте их на открытые слои. Главное, как всегда, думать о том, куда течет ток в вашей системе. Эти 5 А текут не везде; у вас будут микроамперы на штыри и т. д. В Интернете есть множество калькуляторов повышения температуры для заданной ширины дорожки и положения в стеке.
Не зацикливайтесь на этих вещах с вашими интерфейсами и скоростями. Гораздо важнее думать о текущих путях, особенно если вы работаете со смешанным сигналом.
Я изучил множество материалов, видео от Роберта Феранека и Рика Хартли по заземлению. Хотя там много действительно сложного или предположительно понятного, это чертовски сложно, тем не менее я многому научился (пусть и понял не на 100%, но большую часть), но у меня все еще есть несколько вопросов, которые я хочу прояснить. .
Имейте в виду, что многое из того, о чем они говорят, - это очень высокочастотные цифровые схемы и продукты, которые уже не прошли испытания на электромагнитную совместимость. Для базовой платы микроконтроллера вы не столкнетесь с большинством этих проблем, потому что ваши части медленные, и у вас нет очень быстрых нарастающих/спадающих фронтов.
Вопрос 4: механический. Внутренние слои в рекомендациях JLCPCB, которые я рассматривал в качестве примера, по умолчанию в два раза тоньше, чем внешние слои. Таким образом, плоскости GND и 5V тонкие. Должен ли я заботиться? (5 В 1 А макс. для системы)
Это сделано намеренно, чтобы плотно соединить слои 1+2 и 3+4 и обеспечить контролируемый импеданс без чрезмерной ширины дорожек. Таким образом, любая высокая частота или контролируемое сопротивление должны использовать 1/2 или 3/4 в качестве сигнала/возврата. Так как вы планируете использовать один из внутренних слоев для подачи питания, вы захотите проложить любые линии с контролируемым импедансом исключительно на противоположной паре слоев. Если вы просто делаете медленные вещи, такие как I2C, то вы, возможно, можете игнорировать это, но все же неплохо иметь это в виду.
К сожалению, на данный момент все очень запутанно. Двухслойная плата требовала меньше мозгового труда. Наливай больше, думай меньше. Теперь я понимаю, почему это плохо (наверное, «хуже» — правильное слово), но я застрял между отказом от двухслойного дизайна, желанием улучшить ситуацию и неспособностью принять четырехслойный дизайн, даже если я потрачу много времени. исследуя это. Я уловил ключевые идеи и концепции, но куда бы я ни посмотрел, некоторые более мелкие практические детали были опущены.
4-й слой гораздо более щадящий. Маршрутизация станет проще, а наличие прочной заземляющей плоскости чаще всего незаметно спасает вас от ошибок. Если 2 слоя казались проще, возможно, вы просто не понимали, сколько вещей вы могли бы сделать лучше. Теперь, по крайней мере, вы думаете об этом.
Аарон