Verstehen der Masseflächen Ihres zweilagigen PCB

Als ich noch ein junger und hungriger Studienanfänger war, habe ich mein erstes PCB-Design erstellt. Es sollte analoge Signale von verschiedenen Sensoren auffangen. Beim Betrachten eines Spannungsgraphen aus meinen Messungen musste ich feststellen, dass das Rauschniveau furchtbar war und das Signal, das ich messen wollte, komplett überlagerte. Mir wurde schnell klar, dass ich meine Masseflächenverbindungen komplett in den Sand gesetzt hatte. Meine Signale wurden durch Masseschleifen ruiniert.

Die Massefläche zu platzieren und die Masseverbindungen zu routen, gehört zu eines der wichtigsten Designschritte bei PCBs mit zwei oder mehr Lagen. Wenn man dies richtig macht, kann man elektromagnetische Störungen, Übersprechen und Masseschleifen besser unterdrücken. Diese Rauschquellen verschlechtern die Signalintegrität und durch richtiges Design von Masseflächen kann man gewährleisten, dass das Gerät die optimale Leistung bringt.

Wo also soll ich meine Massefläche unterbringen?

Wenn Sie gerade erst anfangen, sich mit PCB-Design zu befassen, hören Sie ständig Begriffe wie „Massefläche“, „elektromagnetische Störungen“ und „Leiterbahnen“. Ihr erstes PCB-Design wird wahrscheinlich auch eine zweilagige Leiterplatte sein. Diese ganzen Begriffe sind zwar leicht zu definieren, aber wie führt man das alles zusammen, um eine hochwertige PCB zu entwickeln?

Bei einer zweilagigen PCB wird die Massefläche normalerweise auf der unteren Lage der Leiterplatte untergebracht und die Signalleiterbahnen sowie Bauteile auf der oberen Lage. Statt Leiterbahnen auf die Leiterplatte zurückzuführen und jeden Strang zur Masseleitung Ihrer Stromversorgung zu führen, sollten Sie die Signale lieber zur Massefläche routen.

Dafür gibt es mehrere Gründe. Wenn die Rücklaufsignale in die Massefläche laufen, folgen die Rücklaufsignale ihren entsprechenden Signalleiterbahnen so genau wie möglich. So wird der Schaltungsschleifenbereich minimiert, der Ihre elektrischen Signale enthält. Wenn der Abstand zwischen einer Signalleiterbahn und ihrem Rücklauf minimiert wird, ist die Schaltungsschleife weniger anfällig für elektromagnetische Störungen und Übersprechen.

Mit den richtigen Routingtechniken elektromagnetischen Störungen vorbeugen

Design der Massefläche für maximale Leistung

Wenn Sie eine Massefläche in Ihrem PCB-Layout unterbringen, sollten Sie an die Standorte Ihrer Leiterbahnen und elektronischen Bauteile denken. Manche Designer tendieren dazu, die Massefläche über die gesamte untere Lage auszudehnen und anschließend die Bereiche herauszunehmen, die elektronische Bauteile enthalten. Das kann zu einem Problem führen, nämlich dann, wenn Sie eine Massefläche erstellen, die einen leitenden Ring rund um Ihre elektronischen Bauteile bildet.

Und wo ist das Problem, fragen Sie sich vielleicht? Wenn die Massefläche ein Bauteil ringförmig umschließt, wird die Massefläche selbst anfällig für elektromagnetische Störungen. Ein geschlossener, leitender Ring innerhalb der Massefläche verhält sich wie eine Spule. Ein externes magnetisches Feld kann einen elektrischen Strom innerhalb der Massefläche induzieren. Diesen Strom bezeichnet man als Masseschleife und er kann zu übermäßigem Rauschen in Ihrer gesamten restlichen PCB führen.

Dies muss man in der Layoutphase im Auge behalten. Sie müssen bei der Platzierung der Bauteile und beim Routing der Leiterbahnen deshalb kreativ sein. Es empfiehlt sich, Bauteile so zu positionieren, dass die Leiterbahnen zwischen ihnen so kurz wie möglich sind. Sobald Sie Ihre Leiterbahnen entworfen haben, platzieren Sie die Massefläche so, dass sie komplett unter diesen verläuft.

Wenn Sie mit der Positionierung der Massefläche unter Ihren Leiterbahnen beginnen, werden Sie vielleicht feststellen, dass einige Leiterbahnen nicht vollständig abgedeckt werden können, ohne dass ein Ring in Ihrer Massefläche entsteht. Sie müssen möglicherweise Leiterbahnen und Bauteile auf der Leiterplatte verschieben, bis Sie das Layout richtig hinbekommen. Das kostet etwas mehr Zeit, aber die Mühe lohnt sich.

Mit den richtigen Routingtechniken elektromagnetischen Störungen vorbeugen

Im letzten Schritt müssen die Leiterbahnen über eine Durchkontaktierung zur Massefläche zurückgeroutet werden. Es ist verlockend, schnell viele Verbindungen direkt von der obersten Lage zur Massefläche herzustellen. Aber wenn man mehrere Verbindungen zur Massefläche herstellt, entsteht ein Spannungsdifferential zwischen den Durchkontaktierungen, durch das sich Masseschleifen bilden. Die bessere Lösung besteht darin, alle Leiterbahnen durch eine einzige Durchkontaktierung zur Massefläche zu führen.

Zweilagige PCB? Mehr als eine Massefläche

Wegen der oben erwähnten Probleme beim Routing von Leiterbahnen und mit Masseringen kann es vorteilhaft sein, in Ihrem PCB-Layout mit mehreren Masseflächen zu arbeiten. Das vereinfacht das Routen und die Positionierung von Bauteilen. Bei den meisten mehrlagigen PCB-Designs ist dies gängige Praxis.

Wenn Sie mit mehreren Masseflächen arbeiten müssen, sollten Sie diese nicht verketten („Daisy-Chaining“). Die Verkettung der Masseflächen und die Verbindung von Rücklaufstellen mit jeder Fläche ist gleichbedeutend damit, mehrere Rücklaufleiterbahnen an verschiedenen Punkten einer einzigen Massefläche anzubringen. Da ist es besser, jede Massefläche in einer sternförmigen Topologie einzeln mit der Stromversorgung zu verbinden. So sind die Masseflächen voneinander isoliert und es entstehen keine Masseschleifen.

Mit einer als Gridding („Rasterung“) bezeichneten Technik kann man in einer zweilagigen PCB effektiv eine Massefläche erstellen. Strom- und Masseleiterbahnen werden auf differenzielle Art geroutet, wie ein Paar Stromleitungen. Jede Masseleiterbahn kann erweitert werden, sodass sie so viel freien PCB-Platz ausfüllt wie möglich, und der restliche freie Platz kann mit Masseflächen gefüllt werden. Diese Technik verschafft Ihrer zweilagigen Leiteplatte das gleiche Rauschreduktionsniveau wie eine vierlagige Leiterplatte.

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