PCBA-Technologie - Über Erdung und Spannungsverdrahtung im PCB-Design

Kernpunkte:

· Verstehen Sie die Erdungs- und Spannungsführung über Leiterplatte Layout und Design

Best Practices für die Implementierung von Leistungs- und Masseebenen im PCB-Design

Es ist sehr einfach, das Netzkabel in die Steckdose zu stecken oder den Lichtschalter einzuschalten. Man könnte denken, dass es auch einfach ist, die Komponenten auf der Leiterplatte an die Stromquelle oder Masse anzuschließen. Um ehrlich zu sein, war dies einmal der Fall beim PCB-Design. Auf Platinen, bei denen Signal- und Stromintegrität nicht sehr wichtig sind, können Sie Durchkontaktierungen in der Strom- oder Erdungsebene platzieren und ignorieren.

Entsprechend den Entwurfsanforderungen der heutigen elektronischen Produkte gibt es jedoch viele Dinge, um das Stromverteilungsnetz zu verwalten, nicht nur einige Durchkontaktierungen im Design hinzuzufügen. Sie müssen die Auswirkungen des PDN auf den Rest der Leiterplatte berücksichtigen und gleichzeitig sicherstellen, dass die Geräte die richtigen Strom- und Erdungsnetze verwenden können. Dies erfordert etwas Geschick in der Erdung und Spannungsverdrahtung Ihrer Leiterplatte, und wir bieten hier einige nützliche Ideen.

Erdungs- und Spannungsverdrahtung auf der Leiterplatte

Obwohl die heutigen dichten Mehrschichtplatinen in fortschrittlichen elektronischen Geräten weit verbreitet sind, besteht immer noch ein Bedarf an billigen Zweischichtplatinen. Für Geräte, die nicht viele Schaltungen benötigen (wie Spielzeug oder andere einfache Konsumgüter), werden nach wie vor zweilagige Platinen bevorzugt, um Herstellungszeit und -kosten zu reduzieren. Gleichzeitig verbessert sich jedoch die Leistung dieser elektronischen Geräte immer noch, was mehr Anstrengungen beim Entwurf des Stromversorgungsnetzes der Leiterplatte erfordert.

Es werden nur zwei Schichten benötigt, und es gibt keine internen Schichten für die Energie- und Bodenebene, so dass Sie die Energie routen müssen. Es wird empfohlen, dass Designer in den meisten Anwendungen eine möglichst geringe Spurbreite verwenden und trotzdem zu einem niedrigen Preis hergestellt werden können. Normalerweise endet dies mit sechs Millionen Spuren des Signals und 20 Millionen Spuren der Leistung. Denken Sie daran, dass die Breite der Stromspur proportional zum Strom ist – wenn der Strom steigt, wird die Breite der Stromspur zunehmen und umgekehrt.

Beim Routing sollten Signal- und Stromrouting auf der obersten Ebene platziert und der Rückweg auf der unteren Ebene reserviert werden. Am einfachsten ist es, die untere Schicht als feste Bodenebene zu widmen. Möglicherweise müssen Sie einige der darunter liegenden Schichten für das Signalrouting verwenden, aber wenn Sie sicherstellen möchten, dass Sie einen klaren Pfad für die Signalrückgabe beibehalten.

Das Routing von Spannung und Signal erfordert eine sorgfältige Planung

Die Verwendung eines Bodengrundes kann Ihnen auch helfen, Rauschen und andere Probleme mit der Signalintegrität zu lösen, nimmt aber auch viel Platz in Anspruch. Daher ist es wichtig, die oberste Stromversorgungskabelung sorgfältig zu planen, um sicherzustellen, dass die Stromversorgung gleichmäßig über die Platine verteilt ist.

Wenn der SMT-Pin an eine Stromversorgung oder Masse mit einer großen Metallfläche angeschlossen ist, kann es zu einem thermischen Ungleichgewicht zwischen dem SMT-Pin und dem Pin mit weniger Metall kommen. In kleineren diskreten Teilen mit zwei Beinen kann dieses Ungleichgewicht eine Bedingung verursachen, die "Grabsteinschlag" genannt wird. Hier ist die Lotreflow-Rate auf einem Pin schneller als auf dem anderen Pin, und das Teil wird nach oben gezogen und weg vom anderen Pin.

Wenn diskrete SMT-Pins an Erdungs- oder Spannungsverdrahtung angeschlossen werden, ist es am besten, eine Leiterbahnbreite zu verwenden, die breit genug ist, um den aktuellen Bedarf zur Wärmeableitung zu decken. Dies hilft, die beiden Pins des Geräts thermisch ausgewogen zu halten.

Ein weiteres Problem mit kleinen diskreten Teilen besteht darin, einen Stift auf eine große Metallfläche zu setzen. Obwohl dies die beste elektrische Leistung bietet, es fungiert auch als ein riesiger Kühlkörper, Erzeugung eines großen thermischen Ungleichgewichts mit dem anderen Stift. Die Best Practice, um elektrische Konstruktion und Leiterplattenherstellung SMT-Pins müssen mit mehreren Leiterbahnen oder "Verbindungen" verbunden werden."Dies sorgt für die Wärmeableitung, die zum Löten an den SMT-Stiften erforderlich ist.

Durchgangsbolzen:

Die Verbindung von Durchgangsbohrstiften zu Strom- und Erdungsspuren ist in der Regel die gleiche wie jede andere Leiterbahn und erfordert eine direkte Verbindung von der Leiterbahn zum Pad des Stifts. Wenn die Spur breiter als das Pad ist oder es einen metallgefüllten Bereich gibt (z. B. eine Energie- oder Masseebene), müssen Sie ein Thermopad verwenden, wie in der Abbildung unten gezeigt.

Diese Kühlkörper können eine ausreichende Menge an Metall liefern, um Strom zu leiten, reduzieren aber die Wärme, die von den Stiften durch die Metallebene gezogen wird. Mit einem PCB-Design-Tool wie Cadence Allegro können Sie die Breite des Kabelbinders und den Abstand im Thermopad steuern, um genügend Metall für das Pad bereitzustellen, um seine Anforderungen zu erfüllen.

Der Kühlkörper des Durchgangslochstifts in der Bodenebene

Vor- und Nachteile von Stromversorgung und Masseebene

Wenn Sie eine mehrschichtige Leiterplatte entwerfen möchten, müssen Sie möglicherweise einen Leiterplattenstack für dedizierte Strom- und Masseebenen konfigurieren. Der größte Vorteil der Verwendung eines Flugzeugs ist, dass es eine einfache Möglichkeit bietet, Komponenten an die Stromversorgung und den Boden anzuschließen, ohne dass breite Leiterbahnen und Verkabelungen benötigt werden, wie auf einer zweilagigen Platine. Die Verwendung einer Bodenfläche in Ihrem Design kann Ihnen auch viele andere Vorteile bringen, darunter:

Rückkehrpfad: Das Signal wandert von seiner Quelle zu seinem Ziel und muss dann zu seiner Quelle zurückkehren. Wenn es keinen klaren Rückweg gibt, erzeugen sie beim Schweben viel Rauschen, was andere Schaltkreise beeinträchtigen kann. Die Bodenebene stellt diesen einfachen Rückweg zur Verfügung.

· Abschirmung: Die Erdungsschicht hilft, empfindliche Schaltkreise vor externen elektromagnetischen Störungen (EMI) zu schützen und zu verhindern, dass die intern erzeugte EMI andere Geräte beeinträchtigt. Darüber hinaus wird die Verwendung von Masseebenen zwischen aktiven Signalschichten im Design dazu beitragen, die Möglichkeit einer breitseitigen Kopplung oder Übersprechen zwischen den Schichten zu verringern.

· Reduzieren Sie Rauschen: Wenn die digitale Schaltung schaltet Zustände, erzeugt sie Rauschimpulse durch den Erdkreis, die falsche Schaltung in anderen Schaltungen verursachen können. Die große Fläche der Erdungsebene hilft, den Aufprall zu reduzieren, weil ihre Impedanz niedriger ist als die Impedanz des Erdungsdrahts durch die Spur.

· Wärmeableitung: Die Bodenebene bietet auch einen guten Kühlkörper für Komponenten, die heiß laufen. Durch das Verbinden dieser Teile mit Löchern mit der Erdungsebene durch die Leiterplatte kann die Wärme gleichmäßig auf der Leiterplatte verteilt werden.

· Auf der anderen Seite gibt es einige Mängel, auf die man beim Einsatz von Energie- und Bodenflugzeugen achten sollte. Die Ebene erhöht die Anzahl der Schichten der Platte, was die Herstellungskosten erhöht. Verschiedene Bereiche der Schaltung (wie digital und analog) müssen ihre Erdung sorgfältig verwalten, damit das Rauschen von einer Schaltung die andere nicht beeinträchtigt. Und bei der Verwendung eines geteilten Flugzeugs für mehrere Stromquellen oder Erdungsnetze ist extreme Vorsicht geboten. Dies ist besonders wichtig für den Signalrücklauf, da die Trennebene unbeabsichtigt Pfade zerstören oder blockieren kann, die ungehindert sein sollten.

Allerdings, alle diese Probleme sind Teil der PCB-Designprozess, und fortschrittliche PCB-Design-Tools können verwendet werden, um diese Probleme geschickt zu lösen.