Quais são as vantagens de ter dois derramamentos de terra?

Eu já vi muitos PCBs de duas camadas com um derramamento de terra nas camadas superior e inferior. Fiquei me perguntando por que fazer isso? e não seria melhor usar a camada superior para energia e sinais e a camada inferior para o solo para simplificar o roteamento e também tirar proveito da capacitância entre os planos?

pcb pcb-design ground

— mux
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Isso não é tanto uma resposta, mas eu proporia que a razão pela qual as pessoas fazem isso é simplesmente porque elas acham que é bom, que de outra forma seria espaço desperdiçado etc. Você pode liberar conexões com o solo, assumindo que haja pelo menos uma via conectando-se ao seu plano de aterramento inferior ou se a camada superior puder atingir o bloco para obter um pino de furo passante que seja aterrado. .. ou como Olin disse ... a religião se coloca. :)

— Toby Lawrence

sim, eu também não conseguia pensar em uma boa razão para isso, se fosse um plano de potência, talvez a capacitância, mas de que serve algumas camadas de terra? especialmente que o topo é mais provável de ser picado mal, com todos os componentes em cima, então eu pensei que eu ia perguntar :)

— mux

Uma boa razão para os aviões de ambos os lados é manter a quantidade de cobre em cada lado do PCB aproximadamente igual. Se um lado tem muito mais cobre que o outro, o PCB estará mais propenso a deformações. Essa é uma das razões pelas quais os PCBs multicamadas costumam ser simétricos em seu empilhamento de camadas. O risco exato de deformação não está claro para mim, no entanto, mas as empresas de PCBs comentam quando não faço isso direito.

Além do que David disse, a loja de pranchas de turismo gosta de ter uma quantidade máxima de cobre em cada camada, porque minimiza a taxa de uso do condicionador. Porém, se seus volumes não forem extremamente altos, não faz muito sentido para você, como designer, se preocupar com isso.

— O fóton

Respostas:

Um bom layout e aterramento parecem ser pouco compreendidos por lá, de modo que a religião encontra um ponto de apoio. Você está certo, há realmente muito pouca razão para usar tanto a parte superior quanto a inferior de uma placa de duas camadas para o solo.

O que costumo fazer para placas de duas camadas é colocar o máximo possível de interconexões na camada superior. É aqui que os pinos das peças já estão assim mesmo, assim como a camada lógica a ser usada para conectá-los. Infelizmente, você geralmente não pode rotear tudo em uma única camada. Prestar atenção e pensar cuidadosamente sobre o posicionamento das peças ajudará nisso, mas, no caso geral, não é possível rotear tudo em um plano. Depois, uso o plano inferior para "jumpers" curtos apenas quando necessário para fazer o roteamento funcionar. Caso contrário, o plano inferior é aterrado.

O truque é manter esses jumpers na camada inferior curtos e não se encostar. A métrica de quão bom é um plano de terra é a dimensão linear máxima de um furo, não o número de buracos. Um monte de pequenos traços de 200 mil espalhados não impedirá o avião de fazer seu trabalho. No entanto, o mesmo número de traços de 200 mil agrupados para formar uma ilha a uma polegada é uma perturbação muito maior. Basicamente, você deseja que o terreno flua em torno de todas as pequenas interrupções.

Defina o custo do roteador automático para a camada inferior e não o penalize muito pelas vias. Isso colocará automaticamente a maioria das interconexões na camada superior. Infelizmente, os algoritmos de roteador automático que eu vi não parecem ser aprimorados por não aglomerar os jumpers. No Eagle, por exemplo, existe o parâmetro hugging . Mesmo se você desativar isso, você ainda recebe jumpers em grupo. Deixe o roteador automático fazer o trabalho pesado, depois você limpa as coisas. Às vezes, você pode identificar um caso em que um pequeno arranjo pode eliminar completamente um jumper. Porém, a maior parte do tempo será gasta afastando os jumpers para não criar ilhas grandes.

Quanto aos aviões de força, isso é principalmente religião boba. Encaminhe a energia como qualquer outro sinal, embora, neste caso, você precise considerar a queda de tensão devido à resistência do traço, pois os traços de energia presumivelmente lidam com corrente significativa. Felizmente, mesmo vestígios de cobre de 1 onça em uma PCB são de resistência bastante baixa. Você pode fazer os traços de energia de 20 mil ou o que quer que em vez de 8 mils para traços de sinal. De qualquer forma, a questão é que a resistência DC é importante, mas geralmente não é um problema, a menos que você tenha um design de alta corrente.

A impedância da CA não é tão relevante, o que os religiosos não parecem entender. Isso ocorre porque a alimentação elétrica é desviada localmente para o plano de aterramento em cada ponto de uso. Se você tem um bom plano de aterramento, não precisa de planos de energia separados para a maioria dos projetos comuns, apenas um bom desvio em cada cabo de força de cada peça. A tampa de derivação se conecta diretamente entre os pinos de alimentação e de aterramento, então existe uma via direita no pino de aterramento para conectar ao plano de aterramento na camada inferior.

A corrente do loop de energia de alta frequência de uma peça deve sair do pino de força, através da tampa de derivação e voltar ao pino de aterramento sem nunca correr pelo plano de aterramento. Isso significa que você não usa uma via separada para o lado do solo da tampa de derivação. Conecte-o diretamente ao pino de aterramento no lado superior e, em seguida, conecte essa rede ao plano de aterramento com uma via em um único ponto. Esta técnica ajudará muito com as emissões de RF e limpeza em geral.

— Olin Lathrop
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Esta é uma ótima resposta, obrigado, senhor. Portanto, se eu entendi corretamente, especialmente desde o último parágrafo, não devo usar um respingo na camada superior, certo? é inútil ? Além disso, devo usar jumpers curtos na camada inferior, mesmo que isso signifique que alguns sinais não seguirão a rota mais direta?

— mux

@ux: Sim para a maioria dos casos. Exceções são sinais especiais de alta velocidade, sinais que devem ser controlados por impedância, sinais que precisam ser correspondidos com atraso etc. No entanto, geralmente você não os encontra em uma placa de 2 camadas. Geralmente, isso implica outras despesas, como a passagem para 4 ou mais camadas é um custo adicional menor.

— 21712 Olin Lathrop

@OlinLathrop Eu realmente não entendo. Sim, as tampas de desacoplamento já fornecem um caminho de impedância muito baixo. Digamos que negligenciamos todas as indutâncias de todos os traços. Depois, saímos com demandas atuais repentinas do (digamos) CI. OK, a tampa de desacoplamento dará isso. Mas como e até onde esse limite de desacoplamento será recarregado, para a próxima demanda súbita de corrente? Terá tempo para recarregar? Estou realmente confuso.

— abdullah kahraman

@ Nick: Não importa muito onde exatamente o solo está ao longo do caminho desde o pino de terra até o lado do solo da tampa de desacoplamento, pois esse caminho deve ser curto de qualquer maneira. O ponto importante é que o loop existe sem o plano de terra estar envolvido. Isso mantém as correntes de loop de alta frequência fora do plano de terra, que de outra forma seria uma antena remota de alimentação central. Entro em mais detalhes em electronics.stackexchange.com/a/15143/4512 .

— Olin Lathrop

@abdullahkahraman: É aí que podem surgir múltiplos limites, um pequeno que pode lidar com as frequências mais altas dos picos e um maior que pode lidar com as frequências mais baixas. Estar próximo do maior também pode recarregar o menor mais rápido do que poderia ser pela fonte de tensão.

— Nemo157

Ter um plano de força no topo e terra no fundo dificilmente daria capacitância.

$C = k \cdot \epsilon_0 \cdot A / d$

$\epsilon_0$ $A$ $d$ $\times$

$C = 4.5 \cdot 8.85 pF/m \cdot 0.016 m^2 / 0.0016 m = 400 pF$

A dissociação de capacitores oferece muito mais. Além disso, desacoplado adequadamente, não importa se você usa terra ou energia para o derramamento de cobre; para a IC, eles devem ser os mesmos. Normalmente, o solo é escolhido porque essa rede terá mais conexões e será mais fácil conectar os diferentes vazamentos de cobre isolados na parte superior ao vazamento de cobre no outro lado.

— stevenvh
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Sim, mas esse 400 pF pode ser bastante significativo nas frequências mais altas que precisam ser dissociadas - por exemplo, impedância de 4 ohms a 100 MHz - e essa capacitância tem a menor quantidade de resistência e indutância em série associada a ela. Muito importante em projetos de alta velocidade, mas se você estiver fazendo esse tipo de trabalho, provavelmente estará usando mais de duas camadas e menos espaçamento entre os planos.

— Dave Tweed

@ Dave - concordou, mas o 400 pF é para um PCB que consiste apenas no cobre derramado. O encaminhamento, porém, diminuirá significativamente a área, e as conexões entre as ilhas também terão indutância. Para HF, eu usaria uma camada de 4 e usaria as camadas internas para planos de terra e potência. A distância será menor = maior capacitância e não haverá muitos cortes neles.

— stevenvh

então a capacitância é insignificante, pelo menos para uma placa de circuito impresso de 2 camadas, além de ter muitas conexões de aterramento, não há realmente uma boa razão para usar um derramamento de terra na camada superior? correto?

— mux

@mux - Na verdade não: você deseja cortar o mínimo possível através do plano de solo da camada inferior, o que significa que todo o roteamento na camada superior deixará muito pouco do plano de solo lá. OTOH, colocar um derramamento de cobre não prejudicará e, se também for aterrado, você poderá conectar ilhas isoladas por vias. Se o derramamento de cobre superior for Vcc, conectar as ilhas pode ser mais difícil e pode fazer menos sentido. Mas Dave não concorda completamente, eu tenho medo :-).

— stevenvh

@DaveTweed Lembre-se de que o número de 400 pF mencionado por Stevenvh é para todo o PCB de 160x100mm. Espero que os caminhos de retorno de alta frequência para qualquer sinal não "atravessem" todo o PCB e, portanto, você não possa realmente se beneficiar de todo o 400 pF.