PCB Ground Pour, Crosstalk y antenas

Estoy tratando de entender los efectos de los rellenos de vertido de polígonos cuando pueden ocurrir transiciones de línea de alta velocidad. Considere el ejemplo de caso fabricado a continuación:

En este ejemplo, las pistas (coloreadas en azul claro) se separaron lo más posible a la izquierda del tablero, pero tuvieron que estar más juntas para pasar a través de los agujeros grandes de la almohadilla. El relleno rojo es el vertido del polígono molido. Tenga en cuenta que este es un ejemplo fabricado que tiene muchos otros problemas no relacionados con mi pregunta.

Por el bien del argumento, todas las líneas tienen un solo extremo (como UART, SPI, I²C, etc.) y pueden tener tiempos de transición de 1 ~ 3 ns. Hay un plano de tierra continuo debajo (0.3 mm de distancia), pero mi pregunta es específicamente sobre el vertido del suelo en la parte superior.

En el caso de C, el vertido del polígono pudo penetrar en un lugar con suficiente espacio para colocar un segundo a través de la conexión, por lo que la traza de tierra se conecta correctamente al plano de abajo. Sin embargo, en los casos A, B, D y E, el vertido se realizó tan lejos como pudo sin espacio para colocar vías, dejando "dedos" GND.

Lo que me gustaría saber, sin tener en cuenta otras consideraciones de enrutamiento, es si los "dedos" A, B, D y E deberían eliminarse o tal vez contribuyan a reducir la diafonía entre las pistas. Me preocupa que el ruido de fondo pueda hacer que esos "dedos" sean buenas antenas y produzcan EMI no deseados. Pero al mismo tiempo soy reacio a eliminarlos por el posible beneficio de diafonía que puedan tener.

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Para un ejemplo de caso diferente, considere esta imagen:

El despliegue de cada IC impone una realidad en la que muchos de estos dedos son inevitables, excepto si nos deshacemos del GND que se vierte por completo en esa sección. ¿Es esto último lo correcto? ¿El GND pour es beneficioso o más bien inocuo siempre que sea un relleno GND?

pcb pcb-antenna crosstalk

— Guillermo Prandi
fuente

Si los dedos son lo suficientemente largos, definitivamente podrían contribuir a la diafonía. Las trazas de protección GND no evitan la diafonía a menos que estén bien unidas al plano GND y tengan una baja impedancia al plano GND en las frecuencias de interés. En los casos en que tenga espacio para las huellas de guardia adecuadas, puede usar un espacio amplio en su lugar para obtener su aislamiento de rastro a rastro. En la práctica, el enrutamiento de señales I2C, UART y SPI es muy indulgente y las conversaciones cruzadas rara vez son un problema. Por supuesto, cuanto más larga sea la longitud del rastro donde están muy juntos, más diafonía tendrá.

— mkeith

Entonces, como regla, ¿debería tratar de cortar cualquier "dedo" molido de más de 1/10 lambda, dejando el espacio simplemente abierto?

— Guillermo Prandi

Solo puedo decirte que eso es lo que haría. Nunca he intentado experimentos controlados o leído investigaciones detalladas en ese sentido. Pero lógicamente, agregar un conductor "flotante" entre dos señales normalmente no las aislará. Les permitirá cruzarse. Entonces, todo es una cuestión de impedancia desde el extremo más alejado del dedo hasta el plano GND. Si esa impedancia es baja, el dedo ayudará a proporcionar aislamiento. De otra forma no.

— mkeith

Recomiendo apagar las térmicas para sus costuras. Las térmicas son importantes para los agujeros chapados que deben soldarse, pero no para las costuras destinadas a proporcionar un buen acoplamiento en el plano transversal.

— bitsmack

Para aquellos interesados en ver datos experimentales reales, aquí hay un documento de 153 páginas de la Universidad de Twente, que describe una gran cantidad de tableros de prueba básicos que cubren muchos aspectos del diseño de PCB, incluida la diafonía: Comprensión de los efectos electromagnéticos

— djvg

Respuestas:

es si los "dedos" A, B, D y E deben eliminarse o si contribuyen a reducir la diafonía entre las pistas.

Deben eliminarse porque, como están, realmente no ayudan y posiblemente empeorarán las cosas.

Su preocupación parece ser la diafonía. Así que hablemos de eso por un segundo.

La diafonía es cuando los campos (eléctricos o magnéticos) de una señal (traza) interactúan o se cruzan con otra señal (traza).

Así es como se ven las señales típicas en la vista de "campos".

Combate la diafonía de varias maneras.

$Crosstalk \propto \frac{dv}{dt}$
Mueva sus señales más lejos. Hacer esto reducirá la interacción / intersección de los campos del agresor a la víctima. Los campos todavía están allí, pero solo estás de puntillas alrededor.
Acerca tu plano de referencia. Los campos que buscan buscan su lugar de referencia. Ese es el camino de menor impedancia para ello. Las líneas de campo se extienden tanto como sea necesario para encontrar su camino de baja impedancia. Si acerca el avión, se acopla mucho más fuerte.

Ahora, si tiene un tablero de 2 capas y no puede hacer que el tablero sea más delgado (para acercar las dos capas), entonces le quedan las opciones # 1 y # 2. Sin embargo, puede "implementar una especie de" opción de implementación # 3 en una placa de 2 capas enrutando una traza de tierra en paralelo con la señal para toda la longitud de la señal. Los campos estarán allí, entonces, ¿por qué no controlar con qué "señal" interactúan los campos?

Esto es lo que intentabas hacer con el vertido en la capa superior. Para que sea efectiva, debe ser para toda la longitud (o tan cerca como sea posible) de la señal (básicamente siguiéndola como una sombra). Entonces, los dedos A, B, D, E son ineficaces y posiblemente pueden empeorar las cosas al ser una antena de parche, pero C es el único bien, en mi opinión. No es completamente efectivo para la señal, pero no empeorará las cosas.

— efox29
fuente

Entonces, como deduzco de su respuesta, los vertidos a tierra son principalmente útiles en tableros de 2 capas, cuando los planos de tierra y potencia acoplados no están disponibles; en los PCB de 4 capas, debo omitir los vertidos de tierra a menos que tenga una buena razón para tener uno. Recibí un consejo similar de este documento PDF ( icd.com.au/articles/Copper_Ground_Pours_AN2010_4.pdf ) de "In-Circuit Design Pty Ltd". Agregue algún comentario en su respuesta que aclare sobre el uso indiscriminado de los vertidos en el suelo para que sea más "sobre el tema", así que elijo el suyo como respuesta a la pregunta.

— Guillermo Prandi

Hay más de una razón para usar GND vierte. Una es la conversación cruzada, y la otra es para evitar las emisiones radiadas. En general, agregar vertidos de GND a las capas superficiales ayuda con las emisiones, pero, nuevamente, evite las islas largas sin vias a un plano de GND. Debe verificar el vertido cuidadosamente y agregar vías de costura.

— mkeith

Todas las líneas tienen un solo extremo (como UART, SPI, I²C, etc.) y pueden tener tiempos de transición de 1 ~ 3 ns.

Aquí es donde te equivocaste. I2C y UART funcionan a unos pocos MHz como máximo. SPI puede ejecutarse a unos 10 MHz. No hay necesidad de tiempos de transición tan rápidos como 3 ns. Se ahorrará mucho dolor al ralentizarlos. La forma más fácil de hacerlo es agregar resistencia en serie en los controladores para los esquemas monodireccionales (UART, SPI). Para I2C, puede aumentar la resistencia de pull-up para disminuir los tiempos de subida. Para ralentizar los tiempos de caída, solo tendrá que usar un controlador más débil (de todos modos, ningún dispositivo I2C especialmente diseñado debería producir tiempos de caída tan rápidos).

Lo que me gustaría saber, sin tener en cuenta otras consideraciones de enrutamiento, es si los "dedos" A, B, D y E deberían eliminarse o tal vez contribuyan a reducir la diafonía entre las pistas.

Eliminarlos.

Solo reducirán la diafonía si puede encontrar espacio para colocar vías en ellos para atarlos al plano de tierra debajo de ellos y mantenerlos a 0 voltios en toda su longitud. E incluso eso es atrevido. Más distancia entre sus pistas es una mejor manera de reducir la diafonía.

Me preocupa que el ruido de fondo pueda hacer que esos "dedos" sean buenas antenas y produzcan EMI no deseados.

Absolutamente correcto.

— El fotón
fuente

Gracias. Sé que UART, SPI, etc. pueden ralentizarse. Es por eso que dije que había otros "errores" en el ejemplo de PCB. Mencionar UART, SPI, etc. fue solo por el bien de la discusión.

— Guillermo Prandi

@GuillermoPrandi, solo puedo responder la pregunta que usted presentó. En la pregunta presentada, la mejor manera de evitar EMI y diafonía es ralentizar los bordes de las señales lógicas que no necesitan bordes tan rápidos.

— El fotón

Sin embargo, mi pregunta no era sobre las técnicas de reducción de EMI, sino cómo se comporta el vertido del suelo (y sus "dedos") en el contexto de la diafonía y EMI.

— Guillermo Prandi