Reduziert ein sternförmiges Vdd-Netz Bodenschwingungen?

Ich sehe keinen Fehler in der Logik dieses Beitrags. Hochfrequente Rückströme werden auf den Bereich unterhalb des Sternpunkts beschränkt (der Beitrag bezeichnet ihn als lokale Ebene). Ich kann nichts darüber sagen, dass sich EMI gegenseitig aufheben, aber die reduzierte Antennenlänge wird definitiv den Gewinn verringern.

Der Autor dieses Beitrags ignoriert jedoch wiederholt die Gefahren des Hochgeschwindigkeitsdesigns mit dieser Topologie. Wenn alle Hochfrequenzelemente von der MCU isoliert sind, haben Ihre Hochgeschwindigkeitssignale, die die MCU verlassen, per Definition schreckliche Anstiegsraten und wahrscheinlich Anforderungen an das Augendiagramm. Er gibt zu, dass nur nahe DC-Signale das Flugzeug verlassen werden.

Wie jemand kommentierte, gibt es kein kostenloses Mittagessen. Es sollte eine allgemeine Warnung geben, dass dies nur für niedrige Geschwindigkeiten geeignet ist. Einfach ausgedrückt: Wenn eines Ihrer Kommunikationssignale eine Impedanzsteuerung erfordert, vermeiden Sie diese Topologie.

Es ist nicht ganz klar, was du fragst:

Verwendet ein Sternlayout in der Vdd-Ebene

Stern und Ebene schließen sich gegenseitig aus.

(mit einem Bodenguss drumherum)

Jetzt haben Sie Vdd mit Stern verbunden, aber innerhalb der Grundebene?

und Belassen der angrenzenden Masseebene ununterbrochen

Wie ist das möglich, wenn Sie diesen Vdd-Stern bereits eingeführt haben, dass der Boden "umgeschüttet" wird? Das "bricht" die Grundebene auf oder hinterlässt zumindest eine erheblich große Insel darin. So oder so, Sie haben keine Boden-"Ebene" mehr. Deine Frage ergibt keinen Sinn.

Anscheinend fragen Sie nach der Verteilung der Leistung in einem Stern im Vergleich zu einer anderen Form, wie z. B. verkettet, oder einer willkürlichen Verzweigungstopologie, die der Autorouter entwickelt hat. Ich werde darüber sprechen.

Das erste, was für eine gute EMI-Leistung erforderlich ist, ist eine gute Masseebene. Alle Stromzuführungen sollten ohnehin lokal umgangen werden. Diese kurzen Schleifen vom Chip-Power-Pin durch die Bypass-Kappe und zurück in den Chip-Masse-Pin führen die vom Chip erzeugten Hochfrequenzströme. Für eine gute EMI-Gesamtleistung sollten diese Schleifen klein sein, und dieser Schleifenstrom sollte von der Hauptmasseebene entfernt sein.

Platzieren Sie bei kleinen Chips mit einzelnen Strom- und Erdungsstiften die Bypass-Kappe so nah wie möglich über diesen beiden Stiften und führen Sie die Verbindungen direkt, ohne auf die Haupterdungsebene zu gehen. Dies macht sowieso eine bessere Verbindung, da es keine Durchkontaktierungen in der Schleife gibt. Fügen Sie dann eine Durchkontaktierung zur Hauptmasseebene hinzu, vorzugsweise in der Nähe des Massestifts des Chips.

Verbinden Sie bei größeren Chips mit mehreren Erdungsstiften alle Erdungsstifte miteinander und die niedrige Seite aller Bypass-Kappen und verbinden Sie diese dann an einem Punkt mit der Hauptmasse. Dies kann eine lokale Ebene auf einer separaten Ebene sein, muss es aber nicht. In den meisten Fällen ist eine Sternkonfiguration mit dem Via zur Hauptmasse am Sternpunkt ausreichend. Wenn der Chip einen "Haupt"-Erdungsstift hat, platzieren Sie den Stern und die Haupterdungsverbindung in der Nähe dieses Stifts.

Eine Ausnahme hiervon ist, wenn der Chip separate Erdungsstifte für "Strom" und "Signal" hat. Worüber ich oben spreche, ist die Handhabung der signifikanten Hochfrequenz-Leistungsströme, die vom Chip erzeugt werden. Dies gilt für die "Power"-Pins. Ein separater "Signal"-Erdungsstift ist nur als saubere und/oder hochfrequente Referenz für Signale gedacht. Das sollte mit einem eigenen Via in der Nähe dieses Pins mit der Hauptmasseebene verbunden werden. Die Absicht ist, dass Ströme durch diesen Pin Rückleitungen für Signale sind, die zu anderen gehen oder von woanders kommen, also sind sie in erster Linie nicht lokal. Diese platinenweite Erdungsreferenz ist eines der Dinge, für die die Erdungsebene vorgesehen ist.

Nichts davon spricht direkt das Problem an, bei dem es um die platinenweite Stromverteilung geht. Um dieses Problem zu verstehen, muss jedoch zunächst die Erdungsstrategie klar sein.

Wenn Leistungseinspeisungen wie oben beschrieben lokal umgangen werden, werden die Hochfrequenzeigenschaften der globalen Leistungseinspeisung weniger wichtig. Ein Nebeneffekt des sauberen EMI-Designs besteht darin, dass weniger Anforderungen an das globale Stromversorgungssystem gestellt werden. Sie können es bewerten, ohne sich Gedanken über die Hochfrequenzleistung zu machen, da dies bereits durch die lokale Umgehung angesprochen wird.

Jetzt geht es also um Stern versus Daisy Chain versus Baum oder was auch immer, Leistungsverteilung bei niedrigen bis mittleren Frequenzen. Aus reiner DC-Sicht ist ein Stern besser, aber so wenig, dass es in den meisten praktischen Fällen keine Rolle spielt.

Es wird einen Punkt im Stromverteilungsnetz geben, der gut reguliert ist. Hier bezieht der Regler sein Feedback-Signal. Im Allgemeinen befindet sich dies am unmittelbaren Ausgang des Netzteils oder des Reglerchips. Alles danach hat einen Spannungsabfall proportional zum Gleichstromwiderstand vom geregelten Punkt und dem Strom.

In einer Sterntopologie kann der Sternpunkt der geregelte Punkt sein. Dadurch werden Abhängigkeiten eines von einem Gerät verursachten Spannungsabfalls zu allen anderen minimiert. Wenn die Leiterbahnen dünn und lang genug sind und die Geräte genügend Strom ziehen, sollte dies berücksichtigt werden. In den meisten normalen Fällen ist dies jedoch die zusätzliche Routing-Einschränkung nicht wert. Schlagen Sie den DC-Widerstand einer beispielsweise 20-mil-Kupferspur nach, die einige Zentimeter lang ist. Multiplizieren Sie das jetzt mit dem ungünstigsten Strom, den Ihr Mikrocontroller oder was auch immer ziehen wird. Das Ergebnis ist der Spannungsabfall am Mikro relativ zum Netzteilausgang. Dies ist bei den meisten gewöhnlichen Designs so wenig, dass es keine Rolle spielt. Ein paar mV Unterschied in der Versorgungsspannung zwischen digitalen Chips auf einer Platine ist nicht aussagekräftig.

Die Antwort lautet daher, dass ein reiner Stern zwar am besten geeignet ist, um den geringsten Leistungsabfall an jedem Verwendungspunkt aufrechtzuerhalten, dies jedoch die Kosten für die zusätzliche Routing-Beschränkung und Komplexität für die meisten gewöhnlichen Designs nicht wert ist. In beiden Fällen geht es nicht um EMI, da dies durch eine gute lokale Umgehung an jedem Verwendungspunkt behoben wird.

Natürlich muss nicht alles so oder so sein. Ich habe gerade ein 5 "x 9" Board mit drei Mikrocontrollern und einer Reihe anderer Schaltkreise um sie herum gemacht. Diese Platine enthielt auch ein Display mit Hintergrundbeleuchtung, das 300 mA aus der 3,3-V-Versorgung zieht. In diesem Fall habe ich eine separate Spur direkt vom 3,3-V-Stromversorgungsausgang zur Hintergrundbeleuchtung geführt, aber den Autorouter die verschiedenen anderen 3,3-V-Verbrauchspunkte über einen beliebigen Umweg verbinden lassen, den er sich ausgedacht hat. Natürlich habe ich angegeben, dass die 3,3-V-Zuleitungen breit genug sein müssen, um den Strom zu bewältigen, ohne dass die Spannung erheblich abfällt. In diesem Fall waren 20 mil gut genug. Die Hintergrundbeleuchtung nimmt mehr Strom auf als alle anderen Geräte zusammen.

Hochfrequente Signale

Ich sehe eine der anderen Antworten, die diesem Schema für Hochfrequenzsignale widersprechen. Ich denke, das Problem ist, dass das, was ich empfohlen habe, falsch interpretiert wurde.

Bei Hochfrequenzsignalen zwischen Chips oder Subsystemen laufen die Rückströme über die Masseebene. Dafür ist die Grundplatte da. Glücklicherweise folgen die höherfrequenten Komponenten dieser Signale automatisch in der Masseebene direkt unter den Signalspuren, wodurch die Gesamtschleifenfläche minimiert wird. Manchmal arbeitet die Physik zu Ihrem Vorteil.

Dies ist einer der Gründe, warum Sie eine Erdungsebene wünschen , nicht nur eine Reihe verbundener Erdungspunkte. Bei einem Flugzeug können die Rückströme jeden beliebigen Weg nehmen, der sowieso der optimale Weg ist. Dies weist auch auf die Metrik einer guten Masseebene hin. Durchkontaktierungen und manchmal kurze "Jumper" sind Löcher in der Grundebene. Was Sie minimieren möchten, ist nicht so sehr die Anzahl dieser Löcher, sondern ihre größte Dimension. Bei einem Haufen getrennter kleiner Löcher können die Rückströme um diese herum fließen und dennoch weitgehend ihren bevorzugten Weg nehmen. Bei einigen großen Löchern in der Masseebene müssen die Rückströme mehr aus dem Weg gehen, um die Löcher zu umgehen, wodurch die Gesamtfläche der Signalschleife und die damit verbundene EMI vergrößert werden. Schlimmsten Fall,

Also zurück zu Hochfrequenzsignalen und der lokalen Massemethode. Das lokale Erdungsnetz dient dazu, die lokalen Hochfrequenz-Schleifenströme aufzunehmen. Rückströme für externe Signale müssen in/aus dem lokalen Netz fließen. Für hochfrequente Signale darf die Verbindung vom Ortsnetz zur Haupterde daher keine nennenswerte Impedanz aufweisen. Die Art und Weise, wie dies behandelt wird, ist durch eine gute Platzierung der Durchkontaktierung, die die lokale Masse mit der Hauptmasse verbindet.

Wenn sich das Local-to-Main-Ground-Via neben dem Ground-Pin befindet, erhalten Sie das Beste aus beiden Welten. Beachten Sie, dass Sie, wenn Sie kein lokales Erdungsnetz verwenden, auch ein Via neben dem Erdungsstift platzieren würden. Der Rückweg für Signale ist in beiden Richtungen gleich. Ein lokales Erdungsnetz beeinträchtigt nicht die Leistung von Hochfrequenzsignalen, da diese Signale bei beiden Designstrategien den gleichen Weg nehmen.

Der Unterschied zwischen den beiden Entwurfsstrategien ist der Weg, den die lokalen Hochfrequenzleistungsströme nehmen . Die lokale Erdungsmethode hält sie von der globalen Erdungsebene fern und verhindert, dass es sich um eine mittengespeiste Patch-Antenne handelt. Die Signalerdströme gehen direkt vom Erdungsstift über eine Durchkontaktierung in beide Richtungen zur Haupterde.

Lokale Erdungsnetze ermöglichen die gleiche Hochfrequenzsignalleistung, als ob alles mit einer eigenen Durchkontaktierung mit der Haupterde verbunden wäre.

Die sternförmige Spannung Vdc wirkt sich nicht auf die Resonanz der Masseebene aus. Aber es kann Pfadlängen auf Vdc reduzieren. Die Induktivität wird durch das Längen-/Breitenverhältnis bestimmt, und Zo wird durch das Abstandsverhältnis zwischen Leiterbreite und Erdungsebene bestimmt.

Leistungsebenen sind nutzlos, wenn sich ein großer dI / dt-Beitrag achtlos auf der Platine befindet. Es sollte dem entkoppelten Source-Eingang mit niedrigem ESR & ESL am nächsten sein, dann wird die LC-Entkopplung auf den Rest der Platine durch Leiterbahn- oder Via- oder Drosselinduktivität und auf die Masseebene bezogene Kappen am Chip verteilt.

Leistungsebenen sind nützlich, wenn die FET-geschalteten Kapazitätslasten transientes Rauschen verursachen, wenn es mit hoher Leistung weit verteilt ist.

Einige HF-Chips und Hybride erfordern möglicherweise immer noch Abschirmungen, wenn die Platinenabmessungen > 1/10 Wellenlänge betragen und Masseebenen zu unbeabsichtigten Strahlern werden.

Die Leistungsleiterinduktivität wird immer durch das Seitenverhältnis bestimmt, sodass eine quadratische Cu-Fläche immer gleich ist, egal wie groß oder klein, und die Kopplungskapazität den niedrigsten ESR ergeben kann, wenn das Dielektrikum am dünnsten ist. Dies sind jedoch Sonderfälle bei großen komplexen Motherboards, die Power Planes benötigen.

Bei Verwendung mehrerer Schichten zur Erdung reduzieren mehrere Durchkontaktierungen pro Durchführung die ~1nH ESL der Durchkontaktierung, wenn die spektrale Bandbreite groß ist. Mehr Microvias sind besser als ein großes und sollten alle 1/10 einer Wellenlänge sein, wenn man Lambda für f=1/3Tr mit Anstiegszeit ,Tr berücksichtigt. Dies ist auch bei >1-GHz-Funkdesigns üblich.

Stripline- und Microstrip-Layout-Methoden senken die Bahnimpedanz und reduzieren die Streukopplung zu nahe gelegenen Signalen (viele verschiedene Methoden).

Bestimmen Sie also, wo sich der größte unbeabsichtigte dI/dt-Strahler und der Empfänger mit der höchsten Impedanz befindet, und erstellen Sie Erdungsschutzvorrichtungen, um kapazitive und induktive Streuströme zur Masseebene zu absorbieren. Verwenden Sie aktives Guarding für Signale, um die Kapazität und das Eindringen von EMI zu verringern.

Verwenden Sie gegebenenfalls Sammelschienen, um Lasten mit hohem Schaltstrom zu versorgen. Verwenden Sie sternförmige oder gegossene Stromnetze, wobei das Netz so groß wie möglich in der Nähe der Quelle des Reglers ist, der sich wiederum in der Nähe des Stromeingangs zur Platine befindet. deren Eingänge durch Längsdrosseln oder Ferritperlen entkoppelt sind, um dI/dt zu minimieren.

Es gibt Nahfeldeffekte von Nebensprechen und Fernfeldeffekte für EMI-Einschränkungen. Beide müssen in jedem Layout gleichzeitig berücksichtigt werden

Alle Lücken, Schlitze und Spuren werden als Antennen für die Signale betrachtet, die sie tragen.