Pour Pour Ground, Crosstalk e antenas

Estou tentando entender os efeitos dos preenchimentos de vazamento de polígono quando podem ocorrer transições de linha de alta velocidade. Considere o exemplo de caso fabricado abaixo:

Neste exemplo, as faixas (coloridas em azul claro) foram colocadas o mais afastadas possível à esquerda do quadro, mas tiveram que ser aproximadas para encaixar nos grandes orifícios das almofadas. O preenchimento vermelho é o derramamento de polígono no solo. Observe que este é um exemplo fabricado que tem muitos outros problemas não relacionados à minha pergunta.

Por razões de argumento, todas as linhas são de extremidade única (como UART, SPI, I²C, etc.) e podem ter tempos de transição de 1 a 3 ns. Existe um plano de aterramento contínuo abaixo (distância de 0,3 mm), mas minha pergunta é especificamente sobre o vazamento do solo no topo.

No caso C, o vazamento do polígono foi capaz de penetrar em um local com espaço suficiente para colocar um segundo via conexão, para que o traçado do solo seja adequadamente conencido ao plano abaixo. No entanto, nos casos A, B, D e E, o vazamento foi feito o mais longe possível, sem espaço para as vias, deixando GND "dedos".

O que eu gostaria de saber, desconsiderando outras considerações de roteamento, é se os "dedos" A, B, D e E devem ser removidos ou talvez contribuam para reduzir a interferência entre as faixas. Estou preocupado que o ruído do solo possa tornar essas "antenas" boas antenas e produzir EMI indesejados. Mas, ao mesmo tempo, reluto em removê-los para o possível benefício de diafonia que possam ter.

EDITAR

Para um exemplo de caso diferente, considere esta figura:

A expulsão de cada IC impõe uma realidade em que muitos desses dedos são inevitáveis, exceto se nos livrarmos do vazamento de GND inteiramente nessa seção. O último é a coisa certa a fazer? O vazamento de GND é benéfico ou bastante inócuo, desde que seja um preenchimento de GND?

pcb pcb-antenna crosstalk

— Guillermo Prandi
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Se os dedos forem longos o suficiente, eles definitivamente poderiam contribuir para a diafonia. Os traços de guarda do GND não impedem a interferência, a menos que estejam bem ligados ao plano GND e tenham uma baixa impedância ao plano GND nas frequências de interesse. Nos casos em que você tem espaço para rastreamentos de guarda adequados, basta usar espaçamento amplo para obter seu isolamento de rastreamento a rastreamento. Na prática, o roteamento de sinais I2C, UART e SPI é muito tolerante e a conversa cruzada raramente é um problema. Obviamente, quanto maior o comprimento do traço em que eles estiverem próximos, mais diafonia você terá.

— Mkeith 9/05

Então, como regra, eu deveria tentar cortar qualquer "dedo" do solo com mais de 1/10 de lambda, deixando o espaço simplesmente aberto?

— Guillermo Prandi

Só posso lhe dizer que é o que eu faria. Eu nunca tentei experimentos controlados ou li pesquisas detalhadas para esse efeito. Mas logicamente, adicionar um condutor "flutuante" entre dois sinais normalmente não os isolará. Isso permitirá que eles se cruzem. Portanto, é tudo uma questão de impedância do extremo oposto do dedo ao plano GND. Se essa impedância for baixa, o dedo ajudará a fornecer isolamento. Caso contrário, não.

— mkeith

Eu recomendo desligar as térmicas para suas vias de costura. As térmicas são importantes para furos passantes que precisam ser soldados, mas não para vias de costura destinadas a fornecer um bom acoplamento no plano cruzado.

— Bitsmack # 9/16

Para aqueles interessados em ver os dados experimentais reais, aqui está um documento 153 página da Universidade de Twente, descrevendo um grande número de placas de teste básicos que cobrem muitos aspectos do PCB layout, incluindo crosstalk: Entendimento efeitos eletromagnéticos

— djvg

Respostas:

é se os "dedos" A, B, D e E devem ser removidos ou talvez contribuam para reduzir a interferência entre as faixas.

Eles devem ser removidos porque, como realmente não ajudam, e muito possivelmente, pioram as coisas.

Sua preocupação parece ser diafonia. Então, vamos falar sobre isso por um segundo.

Diafonia é quando os campos (elétricos ou magnéticos) de um sinal (traço) interagem ou cruzam outro sinal (traço).

É assim que os sinais típicos se parecem na visualização "campos".

Você combate a diafonia de algumas maneiras.

$Crosstalk \propto \frac{dv}{dt}$
Afaste os sinais. Isso reduzirá a interação / interseção dos campos do agressor com a vítima. Os campos ainda estão lá, mas você é apenas uma ponta a ponta.
Aproxime seu plano de referência. Os campos que procuram estão procurando seu local de referência. Esse é o caminho de menor impedância para isso. As linhas de campo se espalham o suficiente para encontrar seu caminho de baixa impedância. Se você aproximar o avião, ele será muito mais apertado.

Agora, se você possui uma placa de 2 camadas e não pode torná-la mais fina (para aproximar as duas camadas), resta as opções 1 e 2. No entanto, você pode "meio que classificar" a opção nº 3 em uma placa de duas camadas, roteando um traço de aterramento em paralelo com o sinal por todo o comprimento do sinal. Os campos estarão lá, então por que não controlar com qual "sinal" os campos interagem.

Isto é o que você estava tentando fazer com o derramamento do solo na camada superior. Para que seja eficaz, ele precisa ser o comprimento inteiro (ou o mais próximo possível) do sinal (basicamente seguindo-o como uma sombra). Portanto, os dedos A, B, D, E são ineficazes e podem piorar as coisas ao serem uma antena remota, mas C é o único um tanto bom, na minha opinião. Não é completamente eficaz para o sinal, mas não vai piorar as coisas.

— efox29
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Portanto, como retiro da sua resposta, a vazão do solo é principalmente útil em placas de duas camadas, quando os planos de energia e terra acoplados não estão disponíveis; em PCBs de 4 camadas, devo pular o chão, a menos que tenha um bom motivo para ter um. Recebi conselhos semelhantes deste documento em PDF ( icd.com.au/articles/Copper_Ground_Pours_AN2010_4.pdf ) da "In-Circuit Design Pty Ltd". Por favor, adicione algum comentário em sua resposta, esclarecendo sobre o uso indiscriminado de derramamentos de terra para torná-lo mais "tópico", para que eu escolha o seu como a resposta da pergunta.

— Guillermo Prandi

Há mais de um motivo para usar o GND derramado. Um é o cross-talk e o outro é para evitar emissões irradiadas. Geralmente, adicionar GND derrama às camadas da superfície ajuda com as emissões, mas, novamente, evita longas ilhas sem vias para um plano GND. Você deve verificar o vazamento com cuidado e adicionar vias de costura.

— Mkith 22/16/16

todas as linhas são de extremidade única (como UART, SPI, I²C etc.) e podem ter tempos de transição de 1 a 3 ns.

Foi aqui que você errou. I2C e UART rodam a alguns MHz no mais rápido. O SPI pode ser executado em talvez 10 MHz. Não há necessidade de tempos de transição tão rápidos quanto 3 ns. Você se poupará de muita dor ao diminuir a velocidade. A maneira mais fácil de fazer isso é adicionar resistência de série aos drivers dos esquemas monodirecionais (UART, SPI). Para I2C, você pode aumentar a resistência à tração para diminuir os tempos de subida. Para diminuir o tempo de queda, você precisará apenas usar um driver mais fraco (nenhum dispositivo I2C criado para esse fim deve produzir tempos de queda tão rápidos assim).

O que eu gostaria de saber, desconsiderando outras considerações de roteamento, é se os "dedos" A, B, D e E devem ser removidos ou talvez contribuam para reduzir a interferência entre as faixas.

Remova eles.

Eles só vão reduzir a diafonia se você encontrar espaço para colocar vias neles para amarrá-los ao plano de terra embaixo deles e mantê-los em 0 volts ao longo de todo o seu comprimento. E mesmo isso é arriscado. Mais distância entre as faixas é a melhor maneira de reduzir a diafonia.

Estou preocupado que o ruído do solo possa tornar essas "antenas" boas antenas e produzir EMI indesejados.

Absolutamente correto.

— O fóton
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Obrigado. Eu sei que UART, SPI etc. podem ser mais lentos. É por isso que eu disse que havia outros "erros" no exemplo PCB. Mencionar UART, SPI, etc. foi apenas para fins de discussão.

— Guillermo Prandi

@GuillermoPrandi, só posso responder à pergunta que você apresentou. Na pergunta apresentada, a melhor maneira de evitar EMI e diafonia é desacelerar as bordas dos sinais lógicos que não precisam de bordas tão rápidas.

— The Photon

No entanto, minha pergunta não foi sobre técnicas de redução de EMI, mas como o vazamento do solo (e seus "dedos") se comporta no contexto de diafonia e EMI.

— Guillermo Prandi