Masserückpfade im Vergleich zu Masseschleifen beim digitalen PCB-Routing

Ich habe eine zweilagige Leiterplatte, bei der ich nicht die Freiheit habe, Leistungsebenen hinzuzufügen. (Ich könnte jedoch möglicherweise Boden- oder Kraftgüsse hinzufügen). Mein Problem ist, dass ich versuche zu entscheiden, ob ich eine strenge Sterntopologie verwenden soll, um Strom und Masse zu jedem IC zu leiten, oder ob ich zusätzliche Erdungsrückwege für die Signalisierung zwischen den ICs hinzufügen soll.

Um meinen Punkt zu veranschaulichen:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Auf dem Bild entspricht ROT den Leistungsspuren und Schwarz den Erdungsspuren, die sich derzeit auf der Platine befinden. Die grauen Spuren (ebenfalls gelb hervorgehoben) sind die zusätzlichen Erdungsspuren, die ich zwischen den ICs hinzufügen möchte, um als Rückpfade für die Datensignalisierung zwischen den ICs zu dienen (hauptsächlich i2c und spi).

Ich bin zwischen dem Hinzufügen dieser zusätzlichen Spuren hin- und hergerissen, weil möglicherweise eine Masseschleife entsteht. Möglicherweise muss ich jedoch auch einen Rückweg für die Datenleitungen zwischen den ICs bereitstellen.

Was ist besser? Wie löse ich dieses Problem von Masseschleifen im Vergleich zu Rückpfaden?

Als zusätzliche Frage - obwohl es wirtschaftlich nicht machbar ist, lohnt es sich, zu versuchen, auf eine 4-Lagen-Leiterplatte umzusteigen? Wann entscheiden Sie, ob Sie zur 4-Lagen-Leiterplatte aufsteigen sollten?

Haben Sie laute Komponenten auf dieser Platine, wie ein Schaltnetzteil, oder etwas, das extrem empfindlich auf Rauschen reagiert, wie analog? Ich bin verwirrt, warum Sie glauben, dass Sie mehr Erdungsspuren benötigen. Normalerweise haben Dinge wie die MCU mehrere Erdungen und Entkopplungskappen für Rauschprobleme. Können Sie einen echten Schaltplan hinzufügen?
Sie können davon ausgehen, dass die "Strominsel" aus einem Schaltnetzteil (1-3 MHz, zusammen mit passiven Komponenten wie Induktivitäten, hochwertigen mlccs usw.) besteht. Jeder IC, einschließlich MCU, Anzeigetreiber und Sensor-IC, hat 2+ Erdungsstifte. Der Boden teilt sich im Grunde genommen in die Speisung dieser beiden Pins auf, wenn er sich dem IC nähert. Jeder IC verfügt über die entsprechenden Bypass-Kappen, wie in den Datenblättern empfohlen, die typischerweise 0,1 uF, 1 uF oder 10 uF betragen. Das ist eher eine theoretische Frage – noch kein Schema – nur etwas, dem ich von Zeit zu Zeit begegne und über das ich nachdenke.
Die zusätzlichen Massespuren, die ich hinzufügen möchte, sollen einen kürzeren Rückweg für die Datenleitungen hinzufügen als zwischen der MCU und den anderen ICs.
Wollen Sie damit sagen, dass sie keinen Rückweg benötigen (z. B. eine Erdungsebene darunter), weil sie nicht viel Strom führen (nur Spannungssignalisierung)? Ich habe davon gehört, "Rückwege" zwischen ICs zur Kenntnis zu nehmen - dachte immer, das beziehe sich auf die Signalisierung ... Wann müssen wir uns um Rückwege kümmern, wenn es um die Signalisierung zwischen ICs geht?
Ich scheine immer noch zu glauben, dass Rückwege in Bezug auf SPI und I2C immer noch relevant sind. Siehe diese Frage und Antwort: electronic.stackexchange.com/questions/259304/…
@RonBeyer alles hat einen „Rückweg“, aber für Dinge mit niedriger Geschwindigkeit wie I2C verursacht die Bedeutung eines überlangen, verschlungenen Rückwegs nicht oft Probleme, das heißt, „es sollte Ihnen gut gehen“ ist normalerweise wahr. Nur weil die meisten Leute damit durchkommen, ist das kein Grund zu sagen, dass es keine Rolle spielt. Amüsanterweise braucht man bei differentiellen Signalen keinen (Masse-)Rückweg, da Hin- und Rückweg in das Signalmedium zweier zusammengeführter Spuren eingebaut sind. Bitte verwechseln Sie das OP nicht, es gibt bereits genug Verwirrung.
@RonBeyer, wenn ein Signal keinen Rückweg hat, was passiert damit, wenn es sein Ziel erreicht? Hängt es nur herum und raucht eine Zigarette? Ich habe bei EMV-Tests aus erster Hand gesehen, wie wichtig Rückwege sind, selbst für Signale von einem Mikro, das nur ein paar analoge Schalter steuert; Die Signale wurden über eine Lücke zwischen zwei Masseebenen geleitet. Durch einfaches Überbrücken der beiden Ebenen unter den Gleisen, um einen kürzeren Rückweg zu erhalten, änderte sich das Board von „Fail to Pass“. Neil gibt sehr gute Ratschläge.
Das Problem mit Differenzialleitungen ist, dass die üblichen Dinge wie LVDS nicht allzu gut ausbalanciert oder all dieses Differenzial sind. IIRC LVDS garantiert nur eine Gleichtaktspannung von etwa 20 dB unter der Differenzspannung, was viel besser ist als nichts, aber immer noch strahlen, wenn Sie nicht über eine Bezugsebene eine Rückführung vornehmen.

Antworten (1)

Wenn die Signale zwischen den digitalen ICs „Hochgeschwindigkeit“ sind, müssen Sie die Datenverbindungen und eine Masseverbindung in unmittelbarer Nähe zueinander verlegen oder erhebliches Übersprechen zwischen Teilen der Platine haben und das Risiko einer Datenkorruption eingehen . Ob sich 100-kHz-I2C für "Hochgeschwindigkeit" qualifizieren würde, ist strittig, Sie würden wahrscheinlich damit durchkommen, es hängt von der Größe des Boards ab.

Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, wie Sie vorschlagen, die Datenleitungen direkt zwischen ICs zu verlegen und Erdungsleitungen mit den Daten zu verlegen.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, Ihr ursprüngliches Sternerdungssystem zu betreiben und die Datenleitungen entlang der Pfade der tatsächlichen Erdungsverbindungen zu verlegen.

Wo ich nicht den Luxus einer Grundplatte habe und ich mich nach Möglichkeit absolut von "Bodengüssen" fernhalten würde, da sie die schlimmste aller Welten sind, verwende ich ein gerastertes Erdungssystem. Dies ist fast so gut wie eine Masseebene. Boden- (und oft Vcc-) Spuren verlaufen auf der Oberseite des Bretts von Ost nach West, auf der Unterseite von Nord nach Süd und sind an jeder Kreuzung durch eine Durchkontaktierung verbunden. Dies sorgt für eine relativ steife Masseverbindung, bei der es einfach ist, Signalspuren jederzeit nahe an den Masseleitern zu führen.

Einige Leute werden Ihnen sagen, dass I2C keinen Rückweg verwendet. Das ist Unsinn, alle digitalen Signalisierungen müssen einen Rückweg verwenden. Die Frage ist nur, ob der Rückweg streng kontrolliert wird, um mit dem Signal zu laufen, oder ob er auf der Platine herumschlängeln darf, um mögliche Probleme zu provozieren.

Es ist wahr, dass bei einem ausreichend langsamen System normalerweise Zeit für schlechte Transienten bleibt, sich zu beruhigen, bevor die Leitungen abgetastet werden, und Sie würden damit davonkommen, ohne es zu wissen. Sie werden am ehesten damit durchkommen, wenn das System langsam und abgetastet ist, wie z. B. Bit-Bash-I2C. Sie werden höchstwahrscheinlich Probleme haben, wenn das System auf der Schnittstelle wie SPI getaktet wird, da mehrere Übergänge auf der Taktleitung zusätzliche, falsche Datenbits in die RX-Register verschieben.

Danke für deine tolle Antwort. Meine andere Sorge ist, dass ich nach dem Hinzufügen der zusätzlichen Erdungsspuren auch mehr Erdungsschleifen erzeuge. Kann dies ein Problem sein? Ich werde in den gerasterten Boden schauen, wie Sie vorgeschlagen haben. Wie viel Abstand zwischen den einzelnen Gittern wird empfohlen? Wird es nur dort benötigt, wo Sie möglicherweise Signale ausführen könnten? Ist es besser, Signale neben Erdungsspuren auf derselben Ebene oder direkt gegenüber auf einer anderen Ebene zu führen?
„Erdschleifen vermeiden“ ist nur im Audiobereich wirklich ein Problem, wo Übersprechen auf sehr niedrigem Niveau nachweisbar ist. Auf digitalen Boards verhindert die Rauschtoleranz, dass mit Schleifen schlimme Dinge passieren, aber stellen Sie sicher, dass jedes Signal eine lokale Rückkehr hat. Gitterabstand wird nur dort benötigt, wo Sie Signale und Strom leiten, obwohl ein engerer Abstand nicht schadet. Benachbart oder darunter ist für Hochgeschwindigkeitsmaterial mit niedriger Geschwindigkeit wie 10-MHz-SPI nicht wirklich wichtig, aber wenn Sie auf 100 MHz gehen, würden Sie sich für eine kontrollierte Impedanz entscheiden, die bei Leiterbahnen über Masse am praktischsten ist.
Masseschleifen sind in jeder Signalkette von Bedeutung, in der das SNR aufgrund von wechselwirkenden Strömen und Feldern unzureichend wird. Sie müssen die Stromflüsse und Rückwege zeichnen und die I R -Abfälle und die I Z -Abfälle sowie die magnetisch induzierten Fehler berechnen. Daher mögen die Leute Flugzeuge, vielleicht Flugzeuge mit ein paar intelligent positionierten Schlitzen, die lästige Strömungen von empfindlichen Regionen weglenken, für Signalketten. Verwenden Sie für Niederfrequenz-Digital das dichte Gitter, wie von Neil_UK empfohlen. Ich habe gesehen, wie ein Typ vor 25 Jahren eine automatisch geroutete Leiterplatte für LPSTTL herausgekurbelt hat. Sein Bodenpfad war eine Gänseblümchenkette.
Masserückpfade im Vergleich zu Masseschleifen beim digitalen PCB-Routing
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 1v