Wyzwanie związane z uziemieniem

Altium Designer oferuje różnorodne metody, których potrzebujesz, aby rozwiązać wszelkie wyzwania związane z uziemieniem w różnych typach projektów.

WPROWADZENIE

Uziemienie okazało się jednym z największych wyzwań we współczesnym projektowaniu uziemień Płyt Drukowanych PCB. Obwody stają się z czasem coraz bardziej skomplikowane, ponieważ nowe technologie sprawiają, że są mniejsze, a my kontynuujemy przejście z analogowego na cyfrowe. A te mniejsze, inteligentniejsze, bardziej połączone urządzenia stwarzają coraz większe wyzwania, jeśli chodzi o właściwe uziemienie ich obwodów. I to wyzwanie nie zapowiada się na łatwiejsze w najbliższej przyszłości. Niestety, nie ma podręcznika, w którym moglibyśmy sprawdzić, jak rozwiązać mnóstwo wyzwań, z którymi możemy się spotkać podczas uziemiania. Gdyby taki istniał, moglibyśmy po prostu trzymać go pod ręką podczas projektowania i nie martwić się. Jednak zamiast tego musimy przejść przez szereg drobnych, pozornie nieistotnych zadań w procesie uziemiania, mając świadomość, że każdy błąd może spowodować, że projekt zawiedzie i będzie potrzebne jego przeprojektowanie. W rezultacie przekraczasz budżet i harmonogram, ponieważ Twój Czas na Wejście na Rynek się wydłuża, a konkurenci mają więcej możliwości, aby wypuścić swoją wersję produktu przed Tobą. Wszystko to i wiele innych problemów może wynikać z wyzwań związanych z uziemieniem. Więc jak stawić czoła tym wyzwaniom i wyeliminować błędy? Spójrzmy.

ŚWIATY CYFROWE I ANALOGOWE JUŻ SIĘ POŁĄCZYŁY

Mówiliśmy wcześniej o "przejściu" z analogowego na cyfrowy, ale to tak naprawdę nieco mylące. W rzeczywistości światy analogowe i cyfrowe łączą się ze sobą, co sprawia, że uziemienie staje się problemem dla obu typów projektów, czasami jednocześnie.

METODY NA PRAWIDŁOWE UZIEMIENIE

Co to więc oznacza dla Twojego procesu projektowania? Oznacza to, że musisz kontrolować napięcia zwrotne sygnału i być czujnym na niepożądane sygnały uziemienia, które mogą obniżyć wydajność. Mogą one wystąpić z powodu wspólnych prądów, sprzężeń sygnałowych (zarówno wewnętrznych, jak i zewnętrznych) itp. Dzięki odpowiednim technikom możesz zminimalizować ten szum i pozbyć się większości napięć pasożytniczych.

To prowadzi nas bezpośrednio do dyskusji na temat mieszanej, analogowo-cyfrowej środowiska sygnałowego. Układy scalone sygnałów mieszanych są doskonałym przykładem, posiadając zarówno porty cyfrowe, jak i analogowe, co dodaje dodatkowych wyzwań do uziemienia. Aby jeszcze bardziej skomplikować sprawę, niektóre układy scalone sygnałów mieszanych mają stosunkowo niskie prądy cyfrowe, podczas gdy inne mają znacznie wyższe. Dlatego te dwa typy mają bardzo różne potrzeby w zakresie optymalnego uziemienia i muszą być traktowane inaczej.

Ponadto, to co działa w jednym zakresie częstotliwości, nie zawsze działa w innym. Kluczem jest rozpoznanie, jak płynie prąd. Aby uzyskać jaśniejszy obraz tematu, porozmawiajmy teraz trochę o niektórych ogólnych filozofiach, które istnieją, jeśli chodzi o metody uziemienia w urządzeniach mieszanych sygnałów. Istnieje kilka różnych metod, które są powszechnie stosowane.

1) Uziemienie gwiazdowe:

Teoria uziemienia gwiazdowego odnosi wszystkie sygnały do jednego pojedynczego punktu uziemienia. Kluczowym elementem jest pojedynczy punkt „gwiazdy”, od którego mierzone są wszystkie odpowiednie napięcia. Skupienie się na pojedynczym punkcie eliminuje niezdefiniowane uziemienie, które w przeciwnym razie spowodowałoby nieprawidłowe wartości pomiaru. Niestety, chociaż ta metoda dobrze sprawdza się na papierze, często może być trudna do zastosowania w rzeczywistym scenariuszu.

Topologia uziemienia gwiazdowego

2) Używanie płaszczyzn do ekranowania:

Legenda stosu warstw

W większości przypadków stosowanie płaszczyzn masy rozpoczyna się od pojedynczej warstwy na wielowarstwowej płytce lub od spodu dwustronnej Płytce Drukowanej, która jest w całości wykonana z miedzi. Ponieważ oporność zalanej strony jest możliwie jak najniższa, stanowi ona doskonałą tarczę, umożliwiając wykorzystanie warstwy do uziemienia. Ponieważ jest również rozprowadzona na całkowity rozmiar warstwy, oferuje najniższą możliwą indukcyjność, jak również najlepszą możliwą przewodność, pod względem minimalizowania niepożądanych różnic napięć masowych.

Możemy również uwzględnić płaszczyzny napięcia. Działają one na tej samej zasadzie, zalewając całą warstwę i mając zaletę bardzo niskiej impedancji przewodnika. Jest to następnie dedykowane każdej płaszczyźnie na system napięcia, tak aby system mógł mieć więcej niż jedną płaszczyznę. Znowu, to brzmi dobrze na papierze, ale nie zawsze jest najlepszym rozwiązaniem w praktyce. Płaszczyzna sama w sobie nadal posiada resztkową rezystancję i indukcyjność. W niektórych okolicznościach może to być wystarczające, aby uniemożliwić układowi funkcjonowanie w oczekiwany sposób. Szczególnie jeśli wstrzykniemy bardzo wysokie prądy do płaszczyzny, może to spowodować spadek napięcia, który zakłóca funkcjonowanie układu. Kolejną zaletą płaszczyzn masowych jest możliwość użycia technik mikropaska lub stripline z kontrolowaną impedancją, do użytku z wysokoprędkościowymi sygnałami analogowymi lub cyfrowymi.

3) Oddzielanie masy analogowej od cyfrowej:

To powszechnie uznana prawda, że obwody cyfrowe są znacznie bardziej hałaśliwe niż analogowe - szczególnie układy logiczne takie jak TTL czy CMOS. Układy logiczne często używają tylko kilkuset milivoltów, co czyni je prawie odporne na hałaśliwe otoczenie. Jednakże, również generują dużo własnego szumu.

Analogi są znacznie bardziej podatne na zewnętrzne zakłócenia, ale sami nie generują ich wiele. Oznacza to, że przy łączeniu obwodów analogowych i cyfrowych, wydajność analogów może być łatwo zakłócona przez cyfrowe szumy, chyba że oba te elementy zostaną od siebie oddzielone.

Gdy dodatkowo włączysz do układu komponenty takie jak RAM, wentylatory i inne urządzenia o wysokim prądzie, nagle okazuje się, że nie jest już dobrze prowadzić twoje systemy w hałaśliwym środowisku bez odpowiedniej osłony.

Rozwiązaniem jest utrzymanie wspólnej masy dla obwodów analogowych i cyfrowych w jednym punkcie systemu i odniesienie wszystkich sygnałów do wspólnego potencjału, podobnie jak w systemie punktu gwiazdowego, ale przy zachowaniu odpowiedniej osłony. Punkt ten należy wybrać mądrze, ponieważ jego lokalizacja może mieć duży wpływ na cały obwód. W większości przypadków umieszczenie go w pobliżu zasilacza da najlepsze rezultaty. Dlatego analiza przepływającego prądu jest często przydatna, aby zapewnić lepszy przegląd projektu.

Zakłócony Sygnał

PODSUMUJMY

Więc spośród wszystkich metod, które omówiliśmy, żadna z nich nie oferuje 100% skutecznego rozwiązania dla każdego projektu. Co więc możesz zrobić? Starannie rozważ swoje opcje dla każdego projektu i określ, które rozwiązanie będzie najlepsze, w oparciu o cechy projektu. Szczególnie przy pracy z urządzeniami sygnałów mieszanych, kluczowe jest posiadanie systemu, który może wspierać dowolną technologię, której potrzebujesz użyć, i pomagać w implementacji odpowiedniego uziemienia, które oferuje właściwe mechanizmy kontrolne, w zależności od danego środowiska projektowego.

JAK MOŻEMY CI POMÓC

Widzieliśmy, że istnieje wiele metod na realizację uziemienia, jak również znaczenie kontrolowania metod analizy. Problemem jest adresowanie wszystkich tych kwestii w jednym narzędziu. Jednak Altium Designer oferuje dokładnie to..

Korzystając z naszych różnych wtyczek i funkcji, takich jak Net-Ties, możemy połączyć kilka różnych sygnałów w jednym miejscu, aby stworzyć gwiazdowe uziemienie. Płaszczyzny są bezpośrednio wdrożone w naszym stosie warstw i gotowe do użycia od razu. Narzędzie oferuje również opcję używania podzielonych płaszczyzn i definiowania stylu połączenia w szybkim i łatwym do użycia środowisku. Inteligentna miedź, znana jako Poligony, może być używana do łatwego zalewania zdefiniowanych obszarów. Obsługuje również technologie przekładkowe, które można dostosować jednym kliknięciem.

Z dodatkowym wsparciem technologicznym dla różnych funkcji analizy przez nasz system wtyczek, zawsze jesteś o krok przed problemem i gotowy stawić czoła wszelkim wyzwaniom związanym z uziemieniem, które mogą pojawić się na Twojej drodze.