¿Cuáles son las ventajas de tener dos vertidos de tierra?

He visto muchos PCB de 2 capas que tienen un vertido de tierra en las capas superior e inferior, me preguntaba ¿por qué hacer eso? ¿Y no sería mejor usar la capa superior para potencia y señales y la capa inferior para tierra para simplificar el enrutamiento y también aprovechar la capacitancia entre los planos?

pcb pcb-design ground

— mux
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Esto no es tanto una respuesta, pero propondría que la razón por la que la mayoría de la gente lo hace es simplemente porque piensan que es bueno, que de lo contrario sería un desperdicio de espacio, etc. Puede liberar conexiones a tierra suponiendo que haya al menos uno a través de la conexión a su plano de tierra inferior o si la capa superior puede golpear la almohadilla para un pasador de orificio pasante que resulta ser tierra. .. o como dijo Olin ... la religión toma un punto de apoyo. :)

— Toby Lawrence

sí, tampoco podría pensar en una buena razón para eso, si era un avión de potencia, entonces quizás la capacitancia, pero ¿de qué sirve un par de capas de tierra? especialmente porque es muy probable que el superior se corte mal, con todos los componentes en la parte superior, así que pensé en preguntar :)

— mux

Una buena razón para los aviones en ambos lados es mantener la cantidad de cobre en cada lado de la PCB aproximadamente igual. Si un lado tiene mucho más cobre que el otro, entonces el PCB será más propenso a deformarse. Esta es una razón por la cual los PCB multicapa son a menudo simétricos en su apilamiento de capas. Sin embargo, el riesgo exacto de deformación no está claro para mí, pero he tenido comentarios de las compañías de PCB cuando no lo he hecho del todo bien.

Además de lo que dijo David, a la tienda de turismo le gusta tener una cantidad máxima de cobre en cada capa, ya que minimiza la tasa de uso de grabado. Sin embargo, si sus volúmenes no son extremadamente altos, realmente no tiene sentido que usted, como diseñador, se preocupe por esto.

— The Photon

Respuestas:

El buen diseño y la conexión a tierra parecen ser poco conocidos por lo que la religión encuentra un punto de apoyo. Tienes razón, realmente hay muy pocas razones para usar la parte superior e inferior de una tabla de dos capas para el suelo.

Lo que suelo hacer para las placas de dos capas es colocar la mayor cantidad de interconexiones posible en la capa superior. Aquí es donde los pines de las partes ya están de todos modos, también lo es la capa lógica que se usará para conectarlos. Desafortunadamente, por lo general, no puede enrutar todo en una sola capa. Prestar atención y pensar cuidadosamente sobre la colocación de piezas ayudará con esto, pero en el caso general no es posible enrutar todo en un plano. Luego uso el plano inferior para "puentes" cortos solo cuando es necesario para que la ruta funcione. El plano inferior es de otro modo tierra.

El truco es mantener estos puentes en la capa inferior cortos y no colindantes entre sí. La métrica de cuán bueno queda un plano de tierra es la dimensión lineal máxima de un agujero, no el número de agujeros. Un montón de rastros cortos de 200 mil dispersos no evitarán que el plano de tierra haga su trabajo. Sin embargo, la misma cantidad de trazas de 200 mil agrupadas para formar una isla a una pulgada de ancho es una interrupción mucho mayor. Básicamente, quieres que el suelo fluya alrededor de todas las pequeñas interrupciones.

Establezca el costo del enrutador automático para la capa inferior alto y no lo penalice demasiado por las vías. Esto colocará automáticamente la mayoría de las interconexiones en la capa superior. Desafortunadamente, los algoritmos de enrutador automático que he visto no pueden modificarse por no agrupar los puentes. En Eagle, por ejemplo, está el parámetro de abrazo . Incluso si apaga esto, aún obtendrá puentes agrupados. Deje que el enrutador automático haga el trabajo duro, luego limpie las cosas después. A veces puede detectar un caso en el que una pequeña reorganización puede eliminar un puente por completo. Sin embargo, pasarás la mayor parte de tu tiempo separando los puentes para no formar grandes islas.

En cuanto a los aviones de poder, eso es sobre todo una religión tonta. Dirija la potencia como cualquier otra señal, aunque en este caso debe tener en cuenta la caída de voltaje debido a la resistencia de la traza, ya que las trazas de energía presumiblemente manejan una corriente significativa. Afortunadamente, incluso las trazas de cobre de 1 oz en una PCB tienen una resistencia bastante baja. Puede hacer que las trazas de potencia sean de 20 mil o lo que sea, en lugar de 8 mil para trazas de señal. En cualquier caso, el punto es que la resistencia de CC es importante, pero generalmente no es un gran problema a menos que tenga un diseño de alta corriente.

La impedancia de CA no es tan relevante, lo que la gente religiosa no parece entender. Esto se debe a que la alimentación de energía se desvía localmente al plano de tierra en cada punto de uso. Si tiene un buen plano de tierra, no necesita planos de potencia separados para la mayoría de los diseños ordinarios, solo un buen puente en cada cable de alimentación de cada parte. La tapa de derivación se conecta directamente entre los pines de alimentación y tierra, luego hay una vía a la derecha en el pin de tierra para conectarse al plano de tierra en la capa inferior.

La corriente de bucle de alimentación de alta frecuencia de una parte debe salir del pin de alimentación, pasar por la tapa de derivación y volver al pin de tierra sin correr nunca por el plano de tierra. Esto significa que no utiliza una vía separada para el lado de tierra de la tapa de derivación. Conéctelo directamente al pin de tierra en el lado superior, luego conecte esa red al plano de tierra con una vía en un solo punto. Esta técnica ayudará mucho con las emisiones de RF y la limpieza en general.

— Olin Lathrop
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Esta es una gran respuesta, gracias señor, así que, si entiendo correctamente, especialmente del último párrafo, no debería usar un vertido en la capa superior, ¿correcto? es inútil ? Además, ¿debo usar puentes cortos en la capa inferior, incluso si eso significa que algunas señales no tomarán la ruta más directa?

— mux

@mux: Sí para la mayoría de los casos. Las excepciones son señales especiales de alta velocidad, señales que deben ser controladas por impedancia, señales que deben coincidir con el retraso, etc. Sin embargo, generalmente no las encuentra en una placa de 2 capas. Estos generalmente implican otros gastos, de modo que ir a 4 o más capas es un costo adicional menor.

— Olin Lathrop

@OlinLathrop Realmente no lo entiendo. Sí, las tapas de desacoplamiento dan una ruta de impedancia muy baja, ya. Digamos que descuidamos todas las inductancias de todos los rastros. Luego, solo nos fuimos con las repentinas demandas actuales del (digamos) IC. OK, la tapa de desacoplamiento dará eso. Pero, ¿cómo y dónde se recargará ese límite de desacoplamiento, para la próxima demanda actual repentina? ¿Tendrá tiempo de recargar? Estoy realmente confundido

— Abdullah Kahraman

@Nick: No importa mucho dónde está exactamente la vía terrestre a lo largo de la ruta desde el pin de tierra hasta el lado de tierra de la tapa de desacoplamiento, ya que esa ruta debe ser corta de todos modos. El punto importante es que el bucle existe sin que el plano de tierra esté envuelto. Eso mantiene las corrientes de bucle de alta frecuencia fuera del plano de tierra, que de lo contrario sería una antena de parche alimentada al centro. Entro en más detalles en electronics.stackexchange.com/a/15143/4512 .

— Olin Lathrop

@abdullahkahraman: Ahí es donde pueden entrar múltiples mayúsculas, una pequeña que puede manejar las frecuencias más altas de los picos y una más grande que puede manejar las frecuencias más bajas. Estar cerca del más grande también puede recargar el más pequeño más rápido de lo que podría ser por el suministro de voltaje.

— Nemo157

Tener un plano de potencia en la parte superior y el suelo en la parte inferior apenas daría capacitancia.

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

$\epsilon_0$ $A$ $d$ $\times$ 100 mm, con un grosor de 1.6 mm

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

Los condensadores de desacoplamiento te darán mucho más. Además, desacoplado adecuadamente, no importa si usa tierra o energía para las coladas de cobre; para HF deberían ser lo mismo. Por lo general, se elige tierra porque esa red tendrá la mayor cantidad de conexiones, y será más fácil conectar los diferentes vertidos de cobre aislados en la parte superior al vertido de cobre en el otro lado.

— stevenvh
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Sí, pero ese 400 pF puede ser bastante significativo en las frecuencias más altas que deben desacoplarse, por ejemplo, una impedancia de 4 ohmios a 100 MHz, y esta capacitancia tiene la menor cantidad de resistencia e inductancia en serie asociada. Muy importante en diseños de muy alta velocidad, pero si está haciendo ese tipo de trabajo, entonces probablemente esté usando más de dos capas y menos espacio entre los planos.

— Dave Tweed

@Dave: de acuerdo, pero el 400 pF es para un PCB que consiste solo en coladas de cobre. Sin embargo, el enrutamiento disminuirá significativamente el área, y las conexiones entre las islas también tendrán su inductancia. Para HF, optaría por una de 4 capas y usaría las capas internas para los planos de tierra y potencia. La distancia será menor = capacitancia más alta y no habrá muchos cortes a pesar de ellos.

— stevenvh

Entonces, la capacitancia es insignificante, al menos para una PCB de 2 capas, por lo que, aparte de tener muchas conexiones a tierra, ¿realmente no hay una buena razón para usar un vertido a tierra en la capa superior? correcto?

— mux

@mux - No realmente: desea cortar lo menos posible a través del plano de tierra de la capa inferior, lo que significa que toda la ruta en la capa superior dejará muy poco del plano de tierra allí. OTOH, colocar un vertido de cobre allí no hará daño, y si también está conectado a tierra, puede conectar islas aisladas a través de vías. Si el vertido de cobre superior es Vcc, conectar las islas puede ser más difícil y puede tener menos sentido. Pero Dave no está completamente de acuerdo, me temo :-).

— stevenvh

@DaveTweed Tenga en cuenta que el número de 400 pF que menciona Stevenvh es para toda la PCB de 160x100 mm. Espero que las rutas de retorno de alta frecuencia para cualquier señal dada no "atraviesen" toda la PCB y, por lo tanto, no pueda beneficiarse realmente de los 400 pF completos.