Tecnologia PCBA - Informazioni su messa a terra e cablaggio di tensione nella progettazione PCB

Punti chiave:

· Comprendere il routing di terra e tensione attraverso il layout e la progettazione del circuito stampato

· Migliori pratiche per implementare piani di potenza e terra nella progettazione di PCB

È molto facile collegare il cavo di alimentazione nella presa a muro o accendere l'interruttore della luce. Si potrebbe pensare che sia anche facile collegare i componenti del circuito stampato alla fonte di alimentazione o alla terra. Ad essere onesti, questo era un tempo il caso con il design PCB. Su schede dove l'integrità del segnale e dell'alimentazione non sono molto importanti, è possibile posizionare vias nel piano di potenza o di terra e ignorarli.

Tuttavia, secondo i requisiti di progettazione dei prodotti elettronici di oggi, ci sono molte cose per gestire la rete di distribuzione dell'energia, non solo aggiungere alcuni vias nella progettazione. È necessario considerare l'impatto del PDN sul resto del circuito stampato, pur garantendo che l'apparecchiatura possa utilizzare le reti elettriche e di terra adeguate. Ciò richiede una certa abilità nel cablaggio a terra e tensione del vostro circuito stampato, e forniamo alcune idee utili qui.

Cablaggio di terra e tensione sul circuito stampato

Sebbene le schede multistrato dense di oggi siano ampiamente utilizzate nelle apparecchiature elettroniche avanzate, c'è ancora la necessità di schede a due strati economiche. Per i dispositivi che non richiedono molti circuiti (come giocattoli o altri semplici prodotti di consumo), le schede a due strati sono ancora preferite per ridurre i tempi e i costi di produzione. Tuttavia, allo stesso tempo, le prestazioni di questi dispositivi elettronici stanno ancora migliorando, il che richiede maggiori sforzi nella progettazione della rete di alimentazione del circuito stampato.

Solo due strati sono necessari per l'uso, e non ci sono strati interni disponibili per i piani di potenza e terra, quindi dovrete instradare l'energia. Si raccomanda che nella maggior parte delle applicazioni, i progettisti utilizzino la più piccola larghezza di traccia possibile e possano ancora essere fabbricati ad un prezzo basso. Di solito questo finisce con 6 milioni di tracce del segnale e 20 milioni di tracce della potenza. Ricorda che la larghezza della traccia di potenza è proporzionale alla corrente: se la corrente aumenta, la larghezza della traccia aumenterà e viceversa.

Durante l'instradamento, il instradamento del segnale e dell'alimentazione dovrebbe essere posizionato sul livello superiore e il percorso di ritorno dovrebbe essere riservato sul livello inferiore. Il modo più semplice è quello di dedicare lo strato inferiore come piano di terra solido. Potresti finire per dover utilizzare alcuni dei livelli sottostanti per il routing del segnale, ma se vuoi assicurarti di mantenere un percorso chiaro per il ritorno del segnale.

Il routing della tensione e del segnale richiede un'attenta pianificazione

L'utilizzo di un fondo può anche aiutare a risolvere problemi di rumore e di integrità del segnale, ma occuperà anche molto spazio. Pertanto, è importante pianificare attentamente il cablaggio dell'alimentazione elettrica di livello superiore per garantire che l'alimentazione sia distribuita uniformemente su tutta la scheda.

Se il perno SMT è collegato a un alimentatore o a terra con una grande area di metallo, può causare uno squilibrio termico tra il perno SMT e il perno con meno metallo. Nelle parti discrete più piccole con due gambe, questo squilibrio può causare una condizione chiamata "attacco di pietra tombale". Questo è dove la velocità di riflusso della saldatura su un perno è più veloce dell'altro perno e la parte viene tirata su e lontano dall'altro perno.

Quando si collegano i pin SMT discreti al cablaggio di massa o tensione, è meglio utilizzare una larghezza di traccia abbastanza ampia da soddisfare la domanda corrente per fornire dissipazione del calore. Questo aiuterà a mantenere i due pin del dispositivo termicamente bilanciati.

Un altro problema con piccole parti discrete è quello di posizionare un perno su una grande area di metallo. Anche se questo fornisce le migliori prestazioni elettriche, agisce anche come un enorme dissipatore di calore, creando un grande squilibrio termico con l'altro perno. La migliore pratica per soddisfare le esigenze di progettazione elettrica e produzione di PCB è quella di collegare i pin SMT a tracce multiple o "connessioni". Ciò fornisce la dissipazione del calore necessaria per la saldatura ai pin SMT.

Perno passante:

Il collegamento dei perni passanti alle tracce di alimentazione e di terra è solitamente lo stesso di qualsiasi altra traccia, che richiede il collegamento diretto dalla traccia al pad del perno. Se la traccia è più ampia del pad, o c'è un'area riempita di metallo (come un piano di potenza o di terra), è necessario utilizzare un pad termico, come mostrato nella figura sottostante.

Questi dissipatori di calore possono fornire una quantità sufficiente di metallo per condurre la corrente, ma ridurranno il calore prelevato dai perni dal piano metallico. Con uno strumento di progettazione PCB come Cadence Allegro, è possibile controllare la larghezza della fascetta e la spaziatura nel pad termico per fornire abbastanza metallo per il pad per soddisfare le sue esigenze.

Il dissipatore di calore del perno del foro passante nel piano di terra

Vantaggi e svantaggi dell'alimentazione elettrica e del piano di terra

Se si desidera progettare un circuito stampato multistrato, potrebbe essere necessario configurare uno stack di schede per piani di potenza e terra dedicati. Il più grande vantaggio dell'utilizzo di un aereo è che fornisce un modo semplice per collegare i componenti all'alimentazione elettrica e al suolo senza la necessità di ampie tracce e cablaggi come su una scheda a due strati. L'utilizzo di un piano di terra nella progettazione può anche portare molti altri vantaggi, tra cui:

· Percorso di ritorno: Il segnale viaggerà dalla sua sorgente alla sua destinazione, e poi deve tornare alla sua sorgente. Se non c'è un percorso di ritorno chiaro, produrranno un sacco di rumore quando si librano intorno, che può influenzare altri circuiti. Il piano terra fornirà questo semplice percorso di ritorno.

· Schermatura: Lo strato di messa a terra aiuterà a proteggere i circuiti sensibili dalle interferenze elettromagnetiche esterne (EMI) e impedirà all'EMI generato internamente di influenzare altre apparecchiature. Inoltre, l'uso di piani di terra tra gli strati di segnale attivi nella progettazione contribuirà a ridurre la possibilità di accoppiamento laterale o crosstalk tra gli strati.

· Ridurre il rumore: Quando il circuito digitale commuta gli stati, genererà impulsi di rumore attraverso il circuito di terra, che possono causare false commutazioni in altri circuiti. La grande area del piano di terra aiuterà a ridurre l'impatto perché la sua impedenza è inferiore all'impedenza del filo di terra attraverso la traccia.

· Dissipazione del calore: Il piano di terra fornisce anche un buon dissipatore di calore per i componenti che corrono caldi. Collegando queste parti con fori al piano di terra attraverso il circuito stampato, il calore può essere distribuito uniformemente sul circuito stampato.

· D'altra parte, ci sono alcune carenze di cui essere consapevoli quando si utilizzano aerei di potenza e terra. Il piano aumenterà il numero di strati della scheda, che aumenterà il costo di produzione. Diverse aree del circuito (come digitale e analogico) dovranno gestire attentamente la loro messa a terra in modo che il rumore da un circuito non influisca negativamente sull'altro circuito. E, quando si utilizza un aereo diviso per ospitare più fonti di energia o reti di messa a terra, è necessario prestare estrema attenzione. Ciò è particolarmente importante per il percorso di ritorno del segnale, perché il piano di separazione può inavvertitamente distruggere o bloccare percorsi che dovrebbero essere liberi.

Tuttavia, tutti questi problemi fanno parte del processo di progettazione PCB e gli strumenti avanzati di progettazione PCB possono essere utilizzati per risolvere abilmente questi problemi.