PCB Ground Pour, diaphonie et antennes

J'essaie de comprendre les effets des remplissages de polygones lorsque des transitions de lignes à grande vitesse peuvent se produire. Considérez l'exemple de cas fabriqué ci-dessous:

Dans cet exemple, les pistes (colorées en bleu clair) étaient placées le plus loin possible sur la gauche de la planche, mais elles devaient être rapprochées pour passer à travers les gros trous du pad. Le remplissage rouge est le polygone moulu. Notez qu'il s'agit d'un exemple fabriqué qui a de nombreux autres problèmes sans rapport avec ma question.

Pour les besoins de l'argument, toutes les lignes sont asymétriques (comme UART, SPI, I²C, etc.) et peuvent avoir des temps de transition de 1 à 3 ns. Il y a un plan de masse continu en dessous (distance de 0,3 mm) mais ma question concerne spécifiquement la coulée de terre sur le dessus.

Dans le cas C, le polygone pour a pu pénétrer dans un endroit avec suffisamment d'espace pour en placer une seconde via une connexion, de sorte que la trace au sol est correctement connectée au plan inférieur. Cependant, dans les cas A, B, D et E, la coulée a été faite le plus loin possible sans espace à placer pour les vias, laissant des "doigts" GND.

Ce que j'aimerais savoir, sans tenir compte d'autres considérations de routage, c'est de savoir si les "doigts" A, B, D et E doivent être supprimés ou s'ils contribuent à réduire la diaphonie entre les pistes. Je crains que le bruit de sol puisse faire de ces "doigts" de bonnes antennes et produire des EMI indésirables. Mais en même temps, je suis réticent à les supprimer pour le bénéfice possible de la diaphonie qu'ils pourraient avoir.

ÉDITER

Pour un exemple de cas différent, considérez cette image:

Le fan-out de chaque IC impose une réalité où beaucoup de ces doigts sont inévitables, sauf si nous nous débarrassons du déversement de GND entièrement sur cette section. Est-ce la dernière chose à faire? Le GND est-il bénéfique ou plutôt inoffensif tant qu'il est rempli de GND?

pcb pcb-antenna crosstalk

— Guillermo Prandi
source

Si les doigts sont assez longs, ils pourraient certainement contribuer à la diaphonie. Les traces de garde GND n'empêchent pas la diaphonie sauf si elles sont bien liées au plan GND et ont une faible impédance au plan GND aux fréquences d'intérêt. Dans les cas où vous avez de l'espace pour des traces de garde appropriées, vous pouvez simplement utiliser un grand espacement à la place pour obtenir votre isolation trace à trace. Dans la pratique, le routage des signaux I2C, UART et SPI est très indulgent et la diaphonie est rarement un problème. Bien sûr, plus la longueur de trace où ils sont rapprochés est longue, plus vous aurez de diaphonie.

— mkeith

Donc, en règle générale, je devrais essayer de couper les "doigts" du sol plus longs que 1/10 lambda, en laissant l'espace simplement ouvert?

— Guillermo Prandi

Je peux seulement vous dire que c'est ce que je ferais. Je n'ai jamais essayé d'expériences contrôlées ni lu de recherches détaillées à cet effet. Mais logiquement, l'ajout d'un conducteur "flottant" entre deux signaux ne les isolera normalement pas. Cela leur permettra de se croiser. C'est donc une question d'impédance de l'extrémité du doigt au plan GND. Si cette impédance est faible, le doigt aidera à assurer l'isolement. Sinon non.

— mkeith

Je recommande de désactiver les thermiques pour vos vias de couture. Les thermiques sont importants pour les trous métallisés qui doivent être soudés, mais pas pour les trous de couture destinés à fournir un bon couplage dans le plan transversal.

— bitsmack

Pour ceux qui souhaitent voir des données expérimentales réelles, voici un document de 153 pages de l'Université de Twente, décrivant un grand nombre de cartes de test de base qui couvrent de nombreux aspects de la configuration des circuits imprimés, y compris la diaphonie: Comprendre les effets électromagnétiques

— djvg

Réponses:

est de savoir si les "doigts" A, B, D et E doivent être retirés ou peut-être qu'ils contribuent à réduire la diaphonie entre les pistes.

Ils devraient être supprimés car, en l'état, ils n'aident pas vraiment et, éventuellement, aggraveront les choses.

Votre préoccupation semble être une diaphonie. Alors parlons-en une seconde.

La diaphonie est lorsque les feilds (électriques ou magnétiques) d'un signal (trace) interagissent ou coupent un autre signal (trace).

Voici à quoi ressemblent des signaux typiques dans la vue "feilds".

Vous combattez la diaphonie de plusieurs façons.

Réduisez le temps de montée. donc en réduisant le temps de montée de votre signal, vous réduisez en fait le dv / dt qui réduit alors la diaphonie. $Crosstalk \propto \frac{dv}{dt}$
Écartez vos signaux. Cela réduira l'interaction / l'intersection des champs entre l'agresseur et la victime. Les feilds sont toujours là, mais vous êtes juste en train de les contourner.
Rapprochez votre avion de référence. Les champs recherchent recherchent leur lieu de référence. C'est le chemin de moindre impédance pour lui. Les petites lignes s'étalent suffisamment loin pour trouver son chemin de faible impédance. Si vous rapprochez l'avion, son couplage est beaucoup plus serré.

Maintenant, si vous avez une planche à 2 couches et que vous ne pouvez pas la rendre plus mince (pour rapprocher les deux couches), vous vous retrouvez avec les options # 1 et # 2. Cependant, vous pouvez "sorte de" sorte d'implémenter l'option # 3 sur une carte à 2 couches en routant une trace de masse en parallèle avec le signal sur toute la longueur du signal. Les feilds vont être là, alors pourquoi ne pas contrôler avec quel "signal" les champs interagissent.

C'est ce que vous essayiez de faire avec la coulée de terre sur la couche supérieure. Pour qu'il soit efficace, il doit l'être sur toute la longueur (ou aussi près que possible) du signal (en le suivant essentiellement comme une ombre). Les doigts A, B, D, E sont donc inefficaces et peuvent éventuellement aggraver les choses en étant une antenne patch, mais C est la seule quelque peu correcte, à mon avis. Ce n'est pas complètement efficace pour le signal, mais cela n'aggravera pas les choses.

— efox29
source

Ainsi, comme je le déduis de votre réponse, les coulées de sol sont principalement utiles dans les cartes à 2 couches, lorsque les plans de masse et d'alimentation couplés ne sont pas disponibles; dans les PCB à 4 couches, je devrais éviter les coulées de terre à moins d'avoir une bonne raison d'en avoir un. J'ai un conseil similaire de ce document PDF ( icd.com.au/articles/Copper_Ground_Pours_AN2010_4.pdf ) de "In-Circuit Design Pty Ltd". Veuillez ajouter quelques commentaires dans votre réponse afin de clarifier l'utilisation aveugle des déversements de sol pour la rendre plus "sur le sujet". Je choisis donc la vôtre comme réponse à la question.

— Guillermo Prandi

Il y a plus d'une raison d'utiliser les versements GND. L'un est diaphonie, et l'autre est de prévenir les émissions rayonnées. Généralement, l'ajout de GND se déverse sur les couches de surface aide à réduire les émissions, mais, encore une fois, évitez les îles longues sans vias vers un plan GND. Vous devez vérifier soigneusement la coulée et ajouter des vias de couture.

— mkeith

toutes les lignes sont asymétriques (comme UART, SPI, I²C, etc.) et peuvent avoir des temps de transition de 1 à 3 ns.

C'est là que vous vous êtes trompé. I2C et UART fonctionnent à quelques MHz au plus vite. SPI peut être exécuté à peut-être 10 MHz. Il n'est pas nécessaire d'avoir des temps de transition aussi rapides que 3 ns. Vous vous épargnerez beaucoup de chagrin en les ralentissant. La façon la plus simple de le faire est d'ajouter une résistance série aux pilotes pour les schémas monodirectionnels (UART, SPI). Pour I2C, vous pouvez augmenter la résistance à la traction pour ralentir les temps de montée. Pour ralentir les temps de chute, vous devrez simplement utiliser un pilote plus faible (aucun appareil I2C spécialement conçu ne devrait de toute façon produire des temps de chute aussi rapidement).

Ce que j'aimerais savoir, sans tenir compte d'autres considérations de routage, c'est de savoir si les "doigts" A, B, D et E doivent être supprimés ou s'ils contribuent à réduire la diaphonie entre les pistes.

Retirez-les.

Ils ne réduiront la diaphonie que si vous pouvez trouver de la place pour y placer des vias pour les attacher au plan de masse en dessous et les maintenir à 0 volt sur toute leur longueur. Et même cela est hasardeux. Plus la distance entre vos pistes est une meilleure façon de réduire la diaphonie.

Je crains que le bruit de sol puisse faire de ces "doigts" de bonnes antennes et produire des EMI indésirables.

Absolument correct.

— Le photon
source

Je vous remercie. Je sais que UART, SPI, etc. peuvent être ralentis. C'est pourquoi j'ai dit qu'il y avait d'autres "erreurs" dans l'exemple PCB. Mentionner UART, SPI, etc. n'était que pour la discussion.

— Guillermo Prandi

@GuillermoPrandi, je ne peux que répondre à la question que vous avez posée. Dans la question présentée, la meilleure façon d'éviter les interférences électromagnétiques et la diaphonie est de ralentir les fronts des signaux logiques qui n'ont pas besoin de fronts aussi rapides.

— The Photon

Cependant, ma question ne concernait pas les techniques de réduction des EMI, mais comment le sol coulé (et ses "doigts") se comportait-il dans le contexte de la diaphonie et des EMI.

— Guillermo Prandi