Details zum PCB-Layout für Mikrocontroller

Update : Die Folgefrage zeigt meine Meinung zum resultierenden PCB-Layout.

Ich plane mein erstes Board mit einem uC (ich habe eine angemessene Erfahrung in der Verwendung und Programmierung eingebetteter Systeme, aber dies ist das erste Mal, dass ich das PCB-Layout mache), ein STM32F103, das wird ein Mixed-Signal-Board, das sowohl die internen DACs des STM als auch einige externe DACs über SPI verwendet, und ich bin etwas verwirrt über die Erdung.

Die Antworten auf diese Fragen:

klar sagen, dass ich eine lokale Masseebene für den uC haben sollte, die an genau einem Punkt mit der globalen Masse verbunden ist, und ein lokales Stromnetz, das in der Nähe desselben Punkts mit der globalen Stromversorgung verbunden ist. Also das ist, was ich tue. Mein 4-Layer-Stack ist dann:

  • lokale GND-Ebene + Signale, uC, die 100-nF-Entkopplungskappen und der Kristall
  • global GND, durchgängig bis auf Vias. Gemäß Quellen wie Henry Ott ist die Masseebene ungeteilt, wobei die digitalen und analogen Abschnitte physisch getrennt sind.
  • Stromversorgung, eine 3,3-V-Ebene unter dem IC, dicke Leiterbahnen für die externen 3,3-V-DACs, dickere Leiterbahnen zum Verteilen der ± fünfzehn Volt im Analogbereich.
  • Signal + 1uF Entkopplungskappen

Weiter entfernt auf der Platine befinden sich die analogen Komponenten und Signale auf der oberen und unteren Ebene.

Also die Fragen:

  1. Soll ich den globalen Boden unter dem uC aufbrechen, oder ist es gut, die gesamte Grundebene unter der lokalen zu haben?
  2. Stromversorgungsebene: Ich beabsichtige, eine Stromversorgungsebene nur unter dem uC zu haben und Durchkontaktierungen zu verwenden, um die Stromversorgung zu den Entkopplungskappen und damit zum uC auf der obersten Schicht zu bringen, da ich anderswo nicht wirklich eine verwenden kann. Die externen DACs sollten sternförmig verteilt sein, also habe ich separate Spuren für sie, und der Rest des Boards ist es ± fünfzehn Volt. Klingt das in Ordnung?
  3. Ich verwende sowohl den ADC als auch den DAC des uC und erzeuge eine Referenzspannung im analogen Abschnitt der Platine, die ich mit einer Spur auf der Stromversorgungsebene zum Vref + -Pin des uC bringe. Wo sollte ich den Vref-Pin anschließen: lokale Masse, globale Masse oder eine separate Spur auf der Stromversorgungsebene erstellen, die ihn mit der globalen Masse im analogen Abschnitt verbindet, wo die Masse ruhig sein sollte? Vielleicht in der Nähe, wo die Referenzspannung erzeugt wird? Beachten Sie, dass sich beim STM32 der Vref- vom analogen Masse-VSSA-Pin unterscheidet (der meiner Meinung nach zur lokalen GND-Ebene geht?).

Alle anderen Kommentare zum Design hier sind natürlich auch willkommen!

Viele Suchfragen, die zu vielen guten Antworten mit guten Kommentaren führen. Vieles, was gute Praxis ist, kann jedoch gelernt werden, indem man studiert, was andere getan haben. Nehmen Sie eine Menge hochwertiger (ähnlich 4-lagiger) Mixed-Signal-Leiterplatten und verwenden Sie ein Hor-Air-Werkzeug, um große Komponenten zu entlöten. Untersuchen Sie, wie die Stromdurchkontaktierungen verwaltet werden. Sie möchten die besten Praktiken von professionellen Designern lernen, da einiges davon nie in Büchern landet, es sind nur hausinterne Faustregeln, die durch mündliche und (über die Schulter) Nähe-Tradition weitergegeben werden. Achten Sie nicht so sehr auf billige Verbraucherdesigns.

Antworten (3)

Sie benötigen nicht unbedingt eine lokale Masseebene für das Mikro. Die lokale Masse kann ein Stern sein, dessen Mittelpunkt unter dem Mikro liegt, wo dieser Stern zum Beispiel wieder mit der Hauptmasse verbunden ist.

Wenn Sie mindestens 4 Schichten haben, dann kann es sinnvoll sein, eine der Schichten in unmittelbarer Nähe des Mikros einer lokalen Masse zu widmen. Wenn dies das Routing zu schwierig macht oder es sich um eine zweilagige Platine handelt, verwenden Sie einfach die Sternkonfiguration. Der Hauptpunkt besteht darin, den vom Mikro gezogenen Hochfrequenzstrom von der Hauptmasseebene fernzuhalten. Wenn Sie das nicht tun, haben Sie eine mittengespeiste Patch-Antenne anstelle einer Masseebene.

Die Schleife vom Mikro-Stromversorgungsstift zur Bypass-Kappe zum Mikro-Massestift sollte die Hauptmasseebene nicht kreuzen. Hier fließen die hochfrequenten Leistungsströme. Verbinden Sie den Erdungsstift an einer Stelle mit der Haupterdung, aber verbinden Sie die Erdungsseite der Bypass-Kappe nicht separat mit der Haupterdung. Die Erdungsseite der Bypass-Kappe sollte eine eigene Verbindung zurück zum Erdungsstift des Mikros haben.

Digitale Signale, die zwischen dem Mikro und anderen Teilen der Platine verlaufen, haben immer noch eine kleine Schleifenfläche, da das Mikro in der Nähe seines Erdungsstifts mit der Hauptmasse verbunden wird.

Olin, wenn Sie einige Referenzen posten könnten, um Ihre "Patch-Antennen" -Theorie zu untermauern, wäre das zu schätzen.
Wie wäre es in diesem speziellen Fall mit dem Vref-Pin? Zum lokalen Erdungsnetz / Flugzeug (ich denke, ich kann ein Flugzeug machen, es braucht nur ein paar weitere Durchkontaktierungen, um zu verhindern, dass die Signalspuren es vollständig brechen) oder direkt zum globalen?
@Arm: Es ist nur grundlegende Physik.
@Timo: Der Vref-Pin zieht sehr wenig Strom und wird als 0-Referenz für den A / D verwendet. Dies sollte direkt mit der Hauptmasseebene mit einer eigenen privaten Durchkontaktierung verbunden werden.
@OlinLathrop Jedes komplexe Open-Source-Board, das ich gesehen habe (Novena, Intel Galileo, Paralella, iMX6 Rex, MicroZed usw.) hat eine MCU/FPGA/DSP in der Mitte des Boards und solide Masseebenen. Wenn das von Ihnen beschriebene Problem erheblich wäre, würden doch sicherlich zumindest einige der Entwürfe versuchen, es anzugehen?
@Arm: Ich sage nicht, dass die Grundebene nicht fest sein sollte. Es kommt darauf an, wie die Masse des Prozessors mit ihm verbunden ist. Wenn Sie genau hinsehen, sehen Sie möglicherweise ein lokales Erdungsnetz mit einer einzigen Verbindung zur Haupterdung. Außerdem kommt man oft mit weniger als Best Practices davon. Open-Source-Projekte müssen sich keine Gedanken über die Kosten von Feldausfällen oder den 1-in-10000-Fall machen, in dem es nicht richtig funktioniert, oder sogar oft über Emissionsgrenzen (nicht, dass es legal wäre, aber viel weniger wahrscheinlich FCC wird es bemerken).
@OlinLathrop Ok. Bedeutet dies, dass die Bypass-Kappen für Vref+ auch direkt zur Hauptmasseebene gehen? Gehen der VSSA-Stift und die Masse der VDDA-Bypasskappen auf die lokale oder globale Ebene?
Ich habe in den Datenblättern keinen Hinweis darauf gefunden, wie viel Strom der VDDA-Pin ziehen wird.
Das Problem mit dem Vref+-Pin ist, dass Sie Rauschen davon fernhalten möchten. Sie machen sich keine Sorgen, dass es den Rest des Systems verschmutzt. Wenn Sie es verwenden, kommt es wahrscheinlich sowieso von einem separaten Regler. Sie können die andere Seite der Bypass-Kappe mit der Haupterde verbinden oder sie mit dem analogen Erdungsstift verbinden, wenn dieser Chip einen hat, und dann dieses Netz mit der Haupterde in der Nähe des analogen Erdungsstifts verbinden.
@OlinLathrop, wie man den Ansatz der lokalen Masseebene mit dem BGA-Paket anwendet?
@Bip: Auch hier ist der lokale Boden nicht unbedingt ein Flugzeug.
@OlinLathrop wie wäre es mit HF-Schaltkreisen im QFN-Paket, dh Bluetooth Smart? Ist es in Ordnung, das zentrale Pad mit der lokalen Masse zu verbinden? Kondensatoren an der HF-Antenne führen direkt zur Masse oder auch zur lokalen Masse?
@Bip komplexe BGA-Designs erfordern ein dichtes Via-Feld und die Freiheit, Leiterbahnen auf der obersten Schicht zu verlegen, um zu allen Verbindungen zu gelangen. Eine 4-Lagen-Platine ist schwer „perfekt“ zu routen, aber alles, was man tun muss, ist, die niedrigen analogen Signale zu trennen vom Rest so viel wie möglich mit Kupferflugzeugen und -schienen. Dass eine der Schichten eine nahezu vollständige Masseebene hat, ist in vielen Situationen eine vernünftige Designwahl. Denken Sie daran, dass moderne Designs vor 30 Jahren auf schwarze Magie hinausliefen, als Computer über „schnelle“ Netzwerke mit 10-MBaud-Übergängen verfügten. Die Dinge sind jetzt etwas einfacher. Fügen Sie auch eine analoge Filterung hinzu.
  1. Nein, sollten Sie nicht. Und den sogenannten "lokalen Boden" loswerden. Was passiert Ihrer Meinung nach mit all den digitalen Signalen, wenn Sie diese lokale Erdung implementieren? Die Antwort sollten Sie in dem von Ihnen verlinkten Artikel von Henry Ott finden, Abbildung 1.

    Sicher, Sie haben eine Verbindung zwischen der lokalen Masse und der Masseebene, aber alles, was Sie tun, ist, die Schleifenfläche zu vergrößern, wodurch Ihre Trancen im Wesentlichen in kleine Antennen verwandelt werden.

  2. Das klingt gut.

  3. Das Referenzhandbuch sagt, dass V REF– mit V SSA verbunden sein muss, das wiederum mit V SS verbunden sein muss . Ich schlage vor, dass Sie V REF- einfach direkt mit Masse verbinden und versuchen, digitale Ströme durch geschickte Platzierung aus dem Weg zu räumen.

Was die Vorschläge angeht, wenn 1uF-Kappen die einzigen Komponenten sind, die Sie auf der Unterseite platzieren möchten, empfehle ich, dass Sie sie oben platzieren. Bei beidseitiger Bestückung muss der Hersteller die Platine entweder zweimal durch den Ofen schieben oder die Bestückung per Hand verlöten. Beides wird die Herstellungskosten erhöhen.

Möglicherweise möchten Sie einen Link zu dem Ott-Artikel einfügen, auf den Sie sich beziehen.
@akohlsmith Ich habe mich auf denselben Artikel wie OP bezogen, aber jetzt einen Link hinzugefügt.
Auf der Unterseite des Analogbereichs befinden sich ziemlich viele Komponenten, also nicht nur die großen Entkopplungskappen.
Entschuldigung, ich hätte wirklich die Hälfte Ihrer Antwort und die Hälfte von Olins Antwort akzeptieren wollen, wenn das möglich wäre, aber ich habe mich für Olins entschieden, da ich letztendlich die lokale Grundebene getan habe (wie in der anderen Frage zu sehen).

Möglicherweise finden Sie diese Antwort hilfreich.

Es gibt sehr wenige Fälle, in denen ich wirklich getrennte Ebenen verwende (solche Anwendungen gibt es immer noch), aber nicht für eine Schaltung wie Ihre.

Eine sorgfältige Platzierung der Komponenten und ein wenig Nachdenken über die Stromversorgung / Masse sollten Ihnen helfen, ein gutes Layout zu erzielen.