Quand utiliser les découpes du plan de masse?

J'ai lu plus sur les bonnes techniques de mise à la terre et l'utilisation des plans de masse.

D'après ce que j'ai lu, les plans de masse fournissent une grande capacité avec des couches adjacentes, une dissipation thermique plus rapide et réduisent l'inductance de terre.

Le seul domaine qui m'intéresse particulièrement est la capacité parasite / parasite créée. Si je comprends bien, cela est bénéfique pour les traces de puissance, mais potentiellement préjudiciable aux lignes de signaux.

J'ai lu quelques suggestions sur l'endroit où placer des avions au sol solides, et je me demandais si ce sont de bonnes recommandations à suivre et ce qui constituerait une exception à ces suggestions:

1. Gardez l'avion au sol sous les traces / avions de puissance.
2. Supprimez le plan de masse des lignes de signaux, en particulier les lignes à grande vitesse ou toute ligne sensible à la capacité parasite.
3. Utilisez les anneaux de protection au sol de manière appropriée: entourez les lignes à haute impédance avec un anneau à basse impédance.
4. Utilisez des plans de masse locaux (il en va de même pour les lignes électriques) pour les circuits intégrés / sous-systèmes, puis reliez toutes les masses au plan de masse global en 1 point, de préférence près du même endroit que le sol local et les lignes électriques locales se rencontrent.
5. Essayez de garder le plan de sol aussi uniforme / solide que possible.

Y a-t-il d'autres suggestions à prendre en compte lors de la conception de la masse / puissance d'un PCB? Est-il typique de concevoir d'abord la disposition alimentation / terre, les dispositions de signal d'abord, ou sont-elles faites ensemble?

J'ai aussi quelques questions sur le n ° 4 et les avions locaux:

1. J'imagine que connecter des plans au sol locaux au plan au sol mondial pourrait impliquer l'utilisation de vias. J'ai vu des suggestions où plusieurs petits vias (tous à peu près au même endroit) sont utilisés. Est-ce recommandé sur une seule grande via?
2. Dois-je garder les avions terrestres / électriques mondiaux sous les avions locaux?

2) Je recommande fortement de ne PAS couper le sol près des signaux à grande vitesse. La capacité parasite n'a vraiment pas trop d'effet sur l'électronique numérique. Habituellement, la capacité parasite vous tue lorsqu'elle agit pour créer un filtre parasite à l'entrée d'un ampli op.

En fait, il est fortement recommandé d'exécuter vos signaux à grande vitesse directement au-dessus d'un plan de sol ininterrompu ; c'est ce qu'on appelle un " microruban ". La raison en est que le courant haute fréquence suit le chemin de moindre inductance. Avec un plan de masse, ce chemin sera une image miroir de la trace du signal. Cela minimise la taille de la boucle, qui à son tour minimise l'EMI rayonné.

Un exemple très frappant de cela peut être vu sur le site Web du Dr Howard Johnson. Voir les figures 8 et 9 pour un exemple de courant haute fréquence empruntant le chemin de moindre inductance. (au cas où vous ne le sauriez pas, le Dr Johnson est une autorité en matière d'intégrité du signal, auteur du très apprécié "Conception numérique à grande vitesse: un manuel de magie noire")

Il est important de noter que toute coupure dans le plan de masse sous l'un de ces signaux numériques à grande vitesse augmentera la taille de la boucle car le courant de retour doit faire un détour autour de votre coupure, ce qui entraîne également une augmentation des émissions. Vous voulez un avion totalement ininterrompu sous tous vos signaux numériques. Il est également important de noter que le plan de puissance est également un plan de référence tout comme le plan de masse, et d'un point de vue haute fréquence, ces deux plans sont connectés via des condensateurs de dérivation, vous pouvez donc envisager un courant de retour haute fréquence pour "sauter". avions près des bouchons.

3) Si vous avez un bon avion au sol, il n'y a pratiquement aucune raison d'utiliser une trace de garde. L'exception serait l'ampli op que j'ai mentionné plus tôt, car vous avez peut-être coupé le plan de masse en dessous. Mais vous devez toujours vous soucier de la capacité parasite d'une trace de garde. Encore une fois, le Dr Johnson est là pour vous aider avec de jolies photos .

4.1) Je crois que plusieurs petits vias auront de meilleures propriétés d'inductance car ils sont en parallèle, contre un grand via occupant approximativement la même quantité d'espace. Malheureusement, je ne me souviens pas de ce que j'ai lu qui m'a amené à croire cela. Je pense que c'est parce que l'inductance d'un via est linéairement inversement proportionnelle au rayon, mais l'aire du via est quadratique directement proportionnelle au rayon. (source: Dr. Johnson à nouveau ) Rendez le rayon via 2x plus grand, et il a la moitié de l'inductance mais occupe 4x autant de surface.

En ce qui concerne la connexion des plans de masse locaux au plan de masse global, il est préférable d'utiliser plusieurs petits vias car cela aidera à distribuer le courant et le taux de défaillance des PCB est minimisé en plus de fournir une meilleure dissipation thermique.

Il n'y a aucun mal à garder les avions globaux sol / puissance sous les avions locaux comme si vous observiez des conceptions de circuits imprimés multicouches, c'est ce qui est suivi.

Veillez à ne pas définir de manière lâche les hautes fréquences.

Les effets de ligne de transmission, nécessitant des techniques de microruban ou de stripline, valent la peine d'être pris en compte lorsque la longueur de la ligne est égale ou supérieure à 1 / 100e de la fréquence la plus élevée du signal (Ulaby). C'est donc utile pour les conceptions micro-ondes. Par exemple, une forme d'onde de 1 GHz dans l'air a une longueur de 30 cm, mais dans FR-4, elle en a environ la moitié (sqrt d'Epsilon r, permittivité relative, pour FR-4 est d'environ 4, selon la composition). Par conséquent, une trace de quelques centimètres serait certainement préoccupante pour 1 GHz.

Pour 10 MHz, les effets de ligne de transmission sont à peine perceptibles. La cinquième harmonique de 10 MHz est de 50 MHz, et dans FR-4, ce serait environ 150x10 ^ 6 m / s / 50x10 ^ 6 = 3 mètres. Ainsi, dans un bus de 30 cm de long, on pourrait connaître les tout débuts de la distorsion de phase.

La vraie préoccupation est le bruit. En posant une trace de largeur suffisante sur un plan de masse, l'énergie du signal se propage à travers le substrat entre la trace et le plan de masse (Poynting). Et les EMI d'autres sources ne peuvent pas entrer.

Les lignes microruban ont une impédance caractéristique qui est déterminée par la largeur de trace et l'épaisseur et le matériau du substrat; des traces plus fines ont une impédance caractéristique plus élevée. L'impédance de l'air libre est de 377 ohms. Au fur et à mesure que le Zo d'une trace s'approche de cette figure, elle commence à rayonner. Même avec un avion au sol. De même, l'épaississement du substrat a le même effet. Notez que lorsque vous travaillez à haute fréquence, l'impédance est la clé ... la terminaison, l'adaptation ... un bus suffisamment long aura des réflexions mesurables s'il n'est pas correctement terminé.

Cependant, avec des conceptions denses vient le besoin de traces minces. Alors, compromettez quelque chose.

Pour conserver l'impédance de la ligne de microruban inchangée par une fente du plan de masse, la fente doit être située à au moins deux largeurs de microruban (si la microruban est projetée verticalement par rapport au plan de masse).

Vous trouverez ci-dessous plusieurs images d'un résolveur de champ 3D montrant la distribution du champ électrique à l'intérieur du microtrip et la densité de courant dans le plan du sol. La conclusion, il n'y a presque pas de champ ou de courant à deux largeurs du microtrip. Les pauses au sol sont donc autorisées ici.

Figure 1: Coupe transversale du champ électrique perpendiculaire à la stripline. Vue 2D. Figure 2: Coupe transversale du champ électrique perpendiculaire à la stripline. Vue 3D. Figure 3: densité de courant dans le plan du sol. Vue 2D Figure 4: densité de courant dans le plan du sol. Vue 3D