¿Deben separarse las capas de tierra AGND y DGND?
La respuesta simple es que depende de la situación y la respuesta detallada es que generalmente no están separados.Porque en la mayoría de los casos, separar la capa de tierra solo aumentará la inductancia de la corriente de retorno, lo que trae más daño que bien.La fórmula V = L(di/dt) muestra que a medida que aumenta la inductancia, aumenta el ruido de voltaje.Y a medida que aumenta la corriente de conmutación (debido a que aumenta la frecuencia de muestreo del convertidor), el ruido de voltaje también aumentará.Por lo tanto, las capas de tierra deben estar conectadas entre sí.
Un ejemplo es que en algunas aplicaciones, para cumplir con los requisitos de diseño tradicionales, la alimentación del bus sucio o los circuitos digitales deben colocarse en ciertas áreas, pero también por las limitaciones de tamaño, lo que hace que la placa no pueda lograr una buena partición del diseño, en este En este caso, una capa de conexión a tierra separada es la clave para lograr un buen rendimiento.Sin embargo, para que el diseño general sea efectivo, estas capas de conexión a tierra deben estar conectadas entre sí en algún lugar del tablero mediante un puente o punto de conexión.Por lo tanto, los puntos de conexión deben estar distribuidos uniformemente entre las capas de tierra separadas.En última instancia, a menudo habrá un punto de conexión en la PCB que se convierte en la mejor ubicación para que pase la corriente de retorno sin causar degradación en el rendimiento.Este punto de conexión suele estar situado cerca o debajo del convertidor.
Al diseñar las capas de suministro de energía, utilice todas las trazas de cobre disponibles para estas capas.Si es posible, no permita que estas capas compartan alineaciones, ya que alineaciones y vías adicionales pueden dañar rápidamente la capa de suministro de energía al dividirla en pedazos más pequeños.La escasa capa de energía resultante puede comprimir las rutas de corriente hacia donde más se necesitan, es decir, los pines de alimentación del convertidor.Exprimir la corriente entre las vías y las alineaciones aumenta la resistencia, provocando una ligera caída de voltaje en las clavijas de alimentación del convertidor.
Por último, la ubicación de la capa de suministro de energía es fundamental.Nunca apile una capa de fuente de alimentación digital ruidosa encima de una capa de fuente de alimentación analógica, o las dos aún podrían acoplarse aunque estén en capas diferentes.Para minimizar el riesgo de degradación del rendimiento del sistema, el diseño debe separar estos tipos de capas en lugar de apilarlas siempre que sea posible.
¿Se puede ignorar el diseño del sistema de suministro de energía (PDS) de una PCB?
El objetivo del diseño de un PDS es minimizar la ondulación de voltaje generada en respuesta a la demanda de corriente del suministro de energía.Todos los circuitos requieren corriente, algunos con alta demanda y otros que requieren que la corriente se suministre a un ritmo más rápido.El uso de una capa de tierra o alimentación de baja impedancia completamente desacoplada y una buena laminación de PCB minimiza la ondulación de voltaje debido a la demanda de corriente del circuito.Por ejemplo, si el diseño está diseñado para una corriente de conmutación de 1 A y la impedancia del PDS es de 10 mΩ, la ondulación máxima del voltaje es de 10 mV.
En primer lugar, se debe diseñar una estructura de pila de PCB para soportar capas más grandes de capacitancia.Por ejemplo, una pila de seis capas podría contener una capa de señal superior, una primera capa de tierra, una primera capa de energía, una segunda capa de energía, una segunda capa de tierra y una capa de señal inferior.Se proporciona que la primera capa de tierra y la primera capa de suministro de energía estén muy próximas entre sí en la estructura apilada, y estas dos capas están espaciadas entre 2 y 3 milésimas de pulgada para formar una capacitancia de capa intrínseca.La gran ventaja de este condensador es que es gratuito y sólo hay que especificarlo en las notas de fabricación de la PCB.Si la capa de suministro de energía debe dividirse y hay varios rieles de alimentación VDD en la misma capa, se debe utilizar la capa de suministro de energía más grande posible.No deje agujeros vacíos, pero preste atención también a los circuitos sensibles.Esto maximizará la capacitancia de esa capa VDD.Si el diseño permite la presencia de capas adicionales, se deben colocar dos capas de conexión a tierra adicionales entre la primera y la segunda capa de suministro de energía.En el caso de la misma separación entre núcleos de 2 a 3 mils, la capacitancia inherente de la estructura laminada se duplicará en este momento.
Para una laminación ideal de PCB, se deben utilizar condensadores de desacoplamiento en el punto de entrada inicial de la capa de suministro de energía y alrededor del DUT, lo que garantizará que la impedancia del PDS sea baja en todo el rango de frecuencia.El uso de varios condensadores de 0,001 µF a 100 µF ayudará a cubrir este rango.No es necesario tener condensadores por todas partes;acoplar condensadores directamente contra el DUT violará todas las reglas de fabricación.Si se necesitan medidas tan severas, el circuito tiene otros problemas.
La importancia de los pads expuestos (E-Pad)
Este es un aspecto fácil de pasar por alto, pero es fundamental para lograr el mejor rendimiento y disipación de calor del diseño de PCB.
La almohadilla expuesta (Pin 0) se refiere a una almohadilla debajo de la mayoría de los circuitos integrados de alta velocidad modernos, y es una conexión importante a través de la cual toda la conexión a tierra interna del chip se conecta a un punto central debajo del dispositivo.La presencia de una almohadilla expuesta permite que muchos convertidores y amplificadores eliminen la necesidad de una clavija de tierra.La clave es formar una conexión eléctrica y una conexión térmica estable y confiable al soldar esta almohadilla a la PCB; de lo contrario, el sistema podría sufrir daños graves.
Se pueden lograr conexiones eléctricas y térmicas óptimas para almohadillas expuestas siguiendo tres pasos.Primero, cuando sea posible, las almohadillas expuestas deben replicarse en cada capa de PCB, lo que proporcionará una conexión térmica más gruesa para toda la tierra y, por lo tanto, una rápida disipación del calor, especialmente importante para dispositivos de alta potencia.Desde el punto de vista eléctrico, esto proporcionará una buena conexión equipotencial para todas las capas de puesta a tierra.Al replicar las almohadillas expuestas en la capa inferior, se pueden usar como punto de conexión a tierra de desacoplamiento y lugar para montar disipadores de calor.
A continuación, divida las almohadillas expuestas en varias secciones idénticas.Lo mejor es una forma de tablero de ajedrez y se puede lograr mediante rejillas transversales de pantalla o máscaras de soldadura.Durante el ensamblaje por reflujo, no es posible determinar cómo fluye la pasta de soldadura para establecer la conexión entre el dispositivo y la PCB, por lo que la conexión puede estar presente pero distribuida de manera desigual o, peor aún, la conexión es pequeña y está ubicada en la esquina.Dividir la almohadilla expuesta en secciones más pequeñas permite que cada área tenga un punto de conexión, lo que garantiza una conexión confiable y uniforme entre el dispositivo y la PCB.
Finalmente, se debe asegurar que cada sección tenga una conexión a tierra mediante orificio superior.Las áreas suelen ser lo suficientemente grandes como para contener múltiples vías.Antes del montaje, asegúrese de llenar cada vía con pasta de soldadura o epoxi.Este paso es importante para garantizar que la pasta de soldadura de la almohadilla expuesta no regrese a las cavidades de las vías, lo que de otro modo reduciría las posibilidades de una conexión adecuada.
El problema del acoplamiento cruzado entre las capas de la PCB.
En el diseño de PCB, el diseño del cableado de algunos convertidores de alta velocidad inevitablemente tendrá una capa de circuito cruzada con otra.En algunos casos, la capa analógica sensible (alimentación, tierra o señal) puede estar directamente encima de la capa digital de alto ruido.La mayoría de los diseñadores piensan que esto es irrelevante porque estas capas están ubicadas en capas diferentes.¿Es este el caso?Veamos una prueba sencilla.
Seleccione una de las capas adyacentes e inyecte una señal a ese nivel, luego conecte las capas de acoplamiento cruzado a un analizador de espectro.Como puede ver, hay muchas señales acopladas a la capa adyacente.Incluso con una separación de 40 mils, existe la sensación de que las capas adyacentes todavía forman una capacitancia, de modo que en algunas frecuencias la señal seguirá acoplada de una capa a otra.
Suponiendo que una parte digital de alto ruido en una capa tiene una señal de 1 V procedente de un interruptor de alta velocidad, la capa no controlada verá una señal de 1 mV acoplada desde la capa controlada cuando el aislamiento entre capas sea de 60 dB.Para un convertidor analógico a digital (ADC) de 12 bits con una oscilación de escala completa de 2 Vp-p, esto significa 2 LSB (bit menos significativo) de acoplamiento.Para un sistema determinado, esto puede no ser un problema, pero cabe señalar que cuando se aumenta la resolución de 12 a 14 bits, la sensibilidad aumenta en un factor de cuatro y, por tanto, el error aumenta a 8LSB.
Ignorar el acoplamiento entre planos/capas transversales puede no provocar que el diseño del sistema falle ni debilitarlo, pero hay que permanecer alerta, ya que puede haber más acoplamiento entre las dos capas de lo que cabría esperar.
Esto debe tenerse en cuenta cuando se encuentra un acoplamiento espurio de ruido dentro del espectro objetivo.A veces, el cableado de diseño puede provocar señales no deseadas o un acoplamiento cruzado de capas a diferentes capas.Tenga esto en cuenta al depurar sistemas sensibles: el problema puede estar en la capa inferior.
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Hora de publicación: 27 de abril de 2022