Optimieren Sie den Signalrückweg mit Entkopplungskondensatoren in einer zweilagigen Platine

Ich entwerfe ein ziemlich komplexes zweilagiges Board - ich sollte eigentlich ein 4-lagiges Board nehmen, aber darum geht es hier nicht. Ich bin mit der Platzierung und dem Routing der Komponenten fertig und mache den letzten Schliff, wie zum Beispiel sicherzustellen, dass die Grundebenen den größten Teil der Platine bedecken und gut zusammengenäht sind (auch bekannt als Bodenraster).

In bestimmten Bereichen habe ich Signalspuren (z. B. SPI) über eine Masseebene gelegt, dann eine Stromspur (14 V) und dann eine weitere Masseebene. Ich kann diese Leistungsspur auf keinen Fall aus dem Weg räumen, also dachte ich, ich könnte die Signalrückströme durch sie fließen lassen, indem ich einige Entkopplungskondensatoren (100 nF) zwischen der Leistungsspur und den Masseebenen direkt unter meinen Signalspuren einbaue.

Hier ist ein Bild von dem, was ich denke:

Signal über Entkopplungskondensatoren

Ist dies eine gute Idee, um die Signalschleifenfläche zu reduzieren und EMI zu kontrollieren?

Ich sehe keinen Sinn für all diese Komplexität und bin mir sicher, dass das Hinzufügen von Kondensatoren das Rauschen der Schaltung erhöht. Digitale Signale, die eine Stromleitung durchlaufen, sind nicht kritisch, solange Sie Entkopplungskondensatoren neben den mit Strom versorgten Geräten platzieren. Die digitalen Signale sind relativ schnelle Flanken und sollten die Leistungskurve nicht stark beeinflussen. Die meisten ICs haben auch eine gemeinsame Rauschunterdrückung an ihren Stromversorgungspins, also ist es wirklich keine große Sache. Außerdem verläuft Ihre SPI-Spur senkrecht zur Leistungsspur, was bedeutet, dass das Übersprechen minimal ist.
Ich mache mir keine Sorgen um die Signalintegrität oder die Kopplung zwischen Spuren, dies ist nicht der Punkt meiner Frage. Der Signalrückweg ist ziemlich lang und nicht direkt unter den Signalspuren, was normalerweise empfohlen wird. Ich erinnere mich, dass ich über die Technik gelesen habe, die ich im Fall von USB-Signalen anzuwenden versuche, und einige Anwendungshinweise empfahlen die Verwendung von Kondensatoren, um den Rückstrom so nah wie möglich an den Signalspuren auf der anderen Schicht fließen zu lassen.
Oh, Sie machen sich Sorgen um den Bodenrückweg. Ich habe die Frage falsch verstanden. Ich bin mir da nicht sicher, Sie werden wahrscheinlich am Ende der Stromspur Rauschen hinzufügen, oder?
Das frage ich mich auch. Die beteiligten Ströme sind sehr gering und die Leistungsspur wird in der Nähe jedes daran angeschlossenen ICs gefiltert (Bypass-Kappen), daher bin ich mir nicht sicher, ob dies ein Problem darstellen wird.
Aber wenn Sie es auf diese Weise tun, was wird die DC-Referenz auf die lokale GND-Masse setzen? Sie benötigen einen weiteren Trace für die DC-Referenz?
Der GND-Bezug ist kein Problem, die Stromleitung zwischen den beiden Masseebenen trennt sie nicht vollständig voneinander.
Ob "Stitching-Kondensatoren" (um den üblichen Namen zu geben) verwendet werden sollen, hängt von einer Reihe von Faktoren ab, vor allem aber von der Flankenrate. Werden irgendwelche der fraglichen Signale von sehr schnellen Fahrern angesteuert?
Im obigen Beispiel spreche ich von einem SPI-Bus. Nehmen wir an, ich verwende eine Taktrate von 10 MHz, also ist der Rand wahrscheinlich ein paar Nanosekunden breit. Ich kann die Geschwindigkeit meines IO bei Bedarf verringern.
Treiben diese SPIs mehrere Senken? Welche Art von Terminierung verwenden Sie auf diesen Leitungen?
An diesem SPI-Bus befinden sich mehrere Geräte. Ich habe Leitungsabschlusswiderstände (100R) an den Pins des Mikrocontrollers.
@lucab Unter der Annahme von CMOS-Signalpegeln und Quellenabschluss erscheinen 100 nF angemessen und werden sicherlich helfen. Wenn der Treiber auf dem uC konfigurierbar ist, stellen Sie ihn auf eine niedrigere Treiberstärke ein. Eine 4-Lagen-Platte ist mit Abstand die beste Lösung.
Danke für die Eingabe. Ich kann die Treiberstärke auf eine Anstiegsrate von 500 ns senken. Am Ende würde ich mich vielleicht für eine 4-Schicht-Lösung entscheiden.

Antworten (1)

Sie haben Recht mit Ihrem Verständnis. Der Rückstrom von jedem Signal möchte dem gleichen Weg wie das Signal selbst folgen, indem eine benachbarte Erdungs- oder Stromversorgungsebene verwendet wird. Wenn die Masseebene unterbrochen ist, findet sie immer noch einen Weg zurück zur Signalquelle, jedoch über einen längeren, weniger optimalen Weg, der zu höheren Emissionen und einer schlechteren Immunität führen kann. Ob dies in Ihrem Design ein Problem darstellt, hängt von vielen Faktoren ab, wie z. B. der Taktrate der Signale und vor allem der Geschwindigkeit ihrer Flanken.

Wenn Sie denken, dass es ein Problem sein könnte (und vermutlich tun Sie das), dann ist die beste Lösung, eine 4- oder mehrschichtige Platine zu verwenden, damit Sie eine ununterbrochene Grundebene haben. Mit einer 2-Lagen-Platine könnten Sie eine 0805- oder 1206-Null-Ohm-Verbindung hinzufügen, um die beiden Masseebenen an der Stelle zusammenzufügen, an der sie unterbrochen sind, um den aktuellen Rückweg bereitzustellen.

Ich dachte auch. Ich könnte mich in der nächsten Iteration meines Prototyps für eine 4-Layer-Platine entscheiden, aber im Moment ist dies keine wirkliche Option (und die EMI-Konformität ist noch kein Problem). Der durch die Stromspur erzeugte Schlitz ist zu breit, um ihn mit Null Ohm zu überbrücken, daher meine Kondensatorlösung. Ich habe auch dieses Papier gefunden , das darauf hindeutet, dass das Kondensator-Stitching suboptimal, aber für Frequenzen (oder Flankengeschwindigkeiten) von weniger als 100 MHz praktikabel ist.
Ich habe vergessen zu erwähnen, dass das oben verlinkte Papier zwei Referenzebenen direkt verbindet, während ich den Signalrückstrom durch eine Zwischenspur "leiten" müsste.
Ich glaube nicht, dass Ihre Kondensatorlösung Probleme verursachen wird, ich glaube nur nicht, dass sie so gut ist wie das direkte Nähen der Flugzeuge mit 0R.
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