2-warstwowa konstrukcja PCB, technologia otworów i płaszczyzna uziemienia

11

Projektuję układ płytki drukowanej do zastosowań audio (bez cyfrowej elektroniki, tylko analogowy).

Wszystkie elementy są przelotowe, płytka drukowana jest dość duża (około 16 cm x 10 cm) i ma 2 warstwy. Platerowane przez otwór są obsługiwane przez technologię, której używam. Obwód ma podwójne zasilanie.

Które (i dlaczego) z poniższych jest najlepszym rozwiązaniem dla trasowania sygnałów, ścieżek zasilania i uziemienia?

Warstwa górna: płaszczyzna uziemienia; Warstwa DOLNA: sygnały i linie zasilające;
Warstwa TOP: sygnały i linie zasilania: warstwa DOLNA: płaszczyzna uziemienia;
Warstwa górna: płaszczyzna uziemienia i linie zasilające; Warstwa DOLNA: sygnały;
TOP warstwa: sygnały; DOLNA warstwa: płaszczyzna uziemienia i linie zasilające;

— Umberto D.
źródło

2

To pytanie wymaga pewnego rodzaju uogólnienia, które może być albo zależne od projektu, albo całkowicie nieistotne. Wersja wymagająca najniższych umiejętności ma nieprzerwaną płaszczyznę uziemienia , więc nr 1 brzmi dobrze. Pomiń w razie potrzeby i trzymaj wrażliwe ślady z dala od hałaśliwych sygnałów.

— Daniel

1

Ogólnie rzecz biorąc, uziemienie wokół linii sygnałowych rzadko boli. Czy to zrobione na dolnej czy górnej płaszczyźnie nie ma znaczenia, więc

— wybrałbym

@Daniel Nominalne częstotliwości występujące w obwodzie są poniżej 5k, ponieważ obwód jest analogowym efektem dla przetwarzania sygnału gitarowego.

— Umberto D.

@Daniel ... Napięcia zasilające są generowane przez zasilacz liniowy, bez zasilacza.

— Umberto D.

4

Myślę, że wszystkie te odpowiedzi nadmiernie komplikują problem. Projekty otworów przelotowych są w wielu przypadkach uzasadnione, podobnie jak płyty dwuwarstwowe.

Polecam użycie płaszczyzny uziemienia i płaszczyzny sygnał / moc, chyba że masz powód, aby tego nie robić. Ta metoda projektowania jest wypróbowana i prawdziwa i nie widzę powodu, dla którego nie powinieneś jej używać. Myślę, że tak naprawdę nie ma znaczenia, po której stronie umieścisz sygnały.

Będziesz musiał wykonać kilka zworek w płaszczyźnie podłoża, ale nie spowoduje to żadnych problemów, jeśli unikniesz dużych cięć. Zrobiłem szybki i straszny obraz w farbie, aby zilustrować:

Jak wspomniał Neil, twoje ścieżki powrotne do ziemi mają znaczenie, nie powinieneś po prostu uważać ich za ukończone, gdy wejdą na płaszczyznę gruntu.

— Rysował
źródło

14

Jedną z zalecanych przeze mnie metod jest ta, o której nie wspomniałeś.

Ogólnie rzecz biorąc, jakikolwiek arbitralny podział przestrzeni na moc, ziemię, sygnały wywoła u ciebie trochę smutku, ponieważ nie jest konieczne ich dzielenie, ani wystarczające, aby uzyskać dobry wynik.

Gdyby płytka była „trudna”, a więc mieszana analogowo / cyfrowa, z dużymi prędkościami, wysokimi prądami, SMPS, byłoby korzystne rozpoczęcie od pełnej płaszczyzny uziemienia. Ale to nie wystarcza, musisz wiedzieć, gdzie płyną w nim prądy powrotne, ponieważ nadal możesz strzelać w stopę, nawet z płaszczyzną uziemienia.

Poleciłbym układ Manhattan, z siatką gruntu.

Wielką zaletą Manhattanu jest to, że zawsze możesz znaleźć trasę dla swojego toru. Nigdy nie musisz iść na kompromis i odbierać sygnału wijącą się trasą od jego ścieżki powrotnej, ani przecinać samolotu naziemnego, aby przekraść się przez ślad, niszcząc jego integralność.

Routing na Manhattanie polega na wydzieleniu jednej warstwy dla połączeń północ-południe, a drugiej dla połączeń wschód-zachód. Teraz zawsze możesz dostać się z punktu A do punktu B za pomocą zazwyczaj jednego przez i nigdy nie musisz się zastanawiać, jak możesz przejść przez tor.

Teraz masz systemowy sposób prowadzenia swojej planszy, zacznij od siatki. Na jednej warstwie umieść ścieżkę co około 20 mm w kolumnach. Na drugiej warstwie zrób to samo w rzędach. Przez nich razem na każdym skrzyżowaniu. Teraz masz grunt, który jest prawie tak dobry jak samolot i znacznie bardziej użyteczny, ponieważ obie warstwy są nadal dostępne, aby kierować całą twoją moc i sygnały. Przesuń trochę tory naziemne, aby pomieścić swoje układy scalone za wszelką cenę, ale nie rozsuwaj ich zbyt daleko od siebie.

Postscript - płaszczyzna uziemienia kontra siatka uziemienia.

Mam kilka ciekawych komentarzy od Umberto, Scotta i Olin, które sugerują, że nie do końca rozumiem. Być może wyjaśnię powyższe, dokumentując moje rozumowanie poniżej.

Jestem teraz na emeryturze i po całym życiu mentorskich młodszych inżynierów jednym z największych problemów, na jakie napotykają, jest kiepski projekt na desce naziemnej. Wydaje się, że myślą, że płaszczyzna naziemna „zajmie się wszystkimi rzeczami związanymi z izolacją” i przestają myśleć. W wyniku tego przepływają wysokie prądy przez wrażliwe wejścia, a poza tym nie dostrzegają skutków prądów powrotnych.

Aby pomóc im w debugowaniu tych płyt, usuwam płaszczyznę uziemienia i zmuszam je do uwzględnienia wszystkich prądów powrotnych jako dyskretnych przepływów na osobnych torach. Po znalezieniu sprawcy i poprawieniu układu można przywrócić ziemię.

Na 4-warstwowej planszy jest wystarczająco dużo miejsca, aby poświęcić jedną na twardym podłożu. Na dwuwarstwowej planszy jest premia za miejsce na routing. Właśnie dlatego Manhattan, który umożliwia systematyczne prowadzenie trasy od A do B, jest tak przydatny. Jeśli poświęcisz jedną ze swoich 2 warstw na podłoże, każdy niebanalny układ spowoduje powstanie jednej lub dwóch (lub kilku, hej, to tylko jedna) ścieżek rozcinających ziemię, niszczących jej integralność.

Bez płaszczyzny uziemienia kolejną najlepszą rzeczą jest siatka. Jest elastyczny, możesz zwiększyć liczbę ścieżek naziemnych tam, gdzie potrzebujesz. Jest całkowicie kompatybilny z routingiem Manhattan. Kiedy skończysz układ, z pewnością zalej mieloną miedzią. Skończysz z czymś, co jest lepsze od trasy, niż pocięta płaszczyzna naziemna, ponieważ byłeś w stanie pomyśleć o wszystkich tych prądach powrotnych, które w innym przypadku mogły być w porządku.

Dobry projekt planszy to prawie tak samo sztuka jak nauka. Nie możesz uczyć artystów tworzenia, nie możesz uczyć inżynierów, aby „czuli”, gdzie płyną prądy, dopóki ich nie „dostaną”. Projektowanie bez płaszczyzny uziemienia jest jednym ze sposobów przyspieszenia procesu „zdobywania”.

— Neil_UK
źródło

3

Nie jestem pewien, czy rozumiem, dlaczego jest tak dobry jak samolot. To naprawdę zależy od tego, co pobiera prąd w sieci i wydaje się, że zbyt mało uwagi może spowodować powstanie pętli uziemienia.

— Scott Seidman

1

Mogę polecić routing Manhattan. W przypadku konstrukcji o niskiej prędkości (<10 MHz) jest to szybki sposób na wykonanie płyty.

— Jeroen3,

1

@ScottSeidman bardzo uważnie przeczytał moją odpowiedź, mówię „prawie tak samo dobry”. Masz rację, niewystarczająca ostrożność może prowadzić do różnego rodzaju złych rzeczy, bez względu na to, jaki „proces” postępujesz.

— Neil_UK

1

@ScottSeidman Mam tę samą troskę.

— Umberto D.

2

Zgadzam się, że „dobry” projekt z siatką może być skuteczny, ale wierzę, że zły projekt z siatką może być zły i może być trudne dla kogoś, kto nie jest dostosowany do projektu uziemienia, aby wiedzieć, kiedy projekt zaczyna się psuć. Na przykład zepsucie się wysokoprądowym sterownikiem wyjścia audio może być dość katastrofalne. Dość jednak to samo może się zdarzyć w przypadku połamanych samolotów naziemnych.

— Scott Seidman

8

Wszystkie elementy przechodzą przez otwór

Tylko z tego powodu rozważyłbym zastosowanie płaszczyzny uziemienia na dnie, aby elementy mogły być montowane bez obawy o to, czy ich ciała mogą mieć kontakt z uziemioną miedzią.

Biorąc pod uwagę, że jest to skrzynka z efektami gitarowymi z potencjalnie dużą ilością wibracji i ruchu dzięki sterowanym nożnie przyciskom i elementom sterującym, zastanowiłbym się również, w jaki sposób sygnały są kierowane również pod komponentami, aby uniknąć problemu wspomnianego w moim pierwszym akapicie.

Ale po co ograniczać się do dwóch warstw - całkowicie usuń ścieżki sygnałowe z górnej warstwy i użyj 4-warstwowej płyty. Koszt nie byłby znacznie większy, a spokój jest dobrą rzeczą.

— Andy aka
źródło

1

4-warstwowe płyty są droższe w porównaniu do 2-warstwowych. Zakładając, że użyto 2-warstwowej płytki drukowanej, myślę, że płaszczyzna uziemienia i ścieżki zasilania na górze mogłyby być lepsze. Ponieważ używane są większe ścieżki i przelotki, nie widzę zbyt wiele powodów do zmartwień o kontakt. Ponadto lut łatwo przepływa przez ... Co sądzisz?

— Umberto D.

1

Kiedy bierzesz pod uwagę „problemy środowiskowe” i liczbę potencjalnych awarii spowodowanych złym projektem i prawdopodobną utratą wiary klientów oraz kosztów przeróbki / naprawy, musisz przekonać się, że prosty „dodatkowy” koszt PCB jest najlepszym powodem, aby używaj tylko dwóch warstw.

— Andy alias

Prawdopodobnie źle zrozumiałem twoją troskę. Martwisz się niechcianymi kontaktami metalowego korpusu komponentów. Poprawny?

— Umberto D.

1

Tak, i biorąc pod uwagę naturę nadużyć, jakie ten rodzaj produktu otrzymuje u stóp gitarzystów, sensowne jest podjęcie środków ostrożności.

— Andy alias

7

Żaden z proponowanych układów nie jest dobry. Lepszym schematem niż jakikolwiek wspomniany jest użycie części SMD. Ma to wiele zalet:

Dostępna jest znacznie szersza gama części.
Te same części będą tańsze.
Lutowanie elementów na płycie zajmie o wiele mniej problemów i czasu.
Daje to większą elastyczność routingu.

W przypadku płyty dwuwarstwowej połóż części na górze. Użyj górnej warstwy dla jak największej liczby połączeń. Zarezerwuj dolną warstwę jako płaszczyznę uziemienia i używaj jej tylko do krótkich „zworek” innych sygnałów.

Trzymaj te zworki oddzielnie od siebie, aby prądy uziemienia mogły płynąć wokół każdego z osobna. Chcesz zminimalizować maksymalny wymiar dowolnego otworu w płaszczyźnie podłoża, a nie liczbę otworów. Innymi słowy, wiele małych rozproszonych zakłóceń jest lepszych niż jedno duże zakłócenie.

Wykonaj wszystkie połączenia uziemienia osobnymi przelotkami bezpośrednio przy każdym pinie, który musi być podłączony do uziemienia. To sprawia, że każde połączenie uziemiające jest solidne, a także minimalizuje połączenia uziemiające, które przeszkadzają w prowadzeniu innych śladów.

Oczywiście nadal musisz zwracać uwagę na trasowanie śladów sygnału. Audio polega na utrzymaniu wysokiego stosunku sygnału do szumu. Nie kieruj na przykład wzmocnionych śladów wyjściowych w pobliżu wrażliwych śladów wejściowych.

Aby uzyskać więcej informacji, zobacz tę odpowiedź.

— Olin Lathrop
źródło

5

Ach, ale gdybyś był audiofilem, wiedziałbyś, że przez dziury brzmią lepiej! / s Ale poważnie w społeczności budującej pedały gitarowe jest rzecz estetyczna przez dziurę

— głośne

5

@OlinLathrop Poparłem głosowanie z tego powodu, że twoja odpowiedź nie ma nic wspólnego z routingiem Through Hole, o co poprosił OP. Gdyby chcieli zrobić SMT, jestem pewien, że tak. Ta odpowiedź jest raczej „oto moja opinia i oto, jak z niej skorzystać”. To był mój powód. Dla mnie pierwsze zdanie twojej odpowiedzi było niepotrzebne.

— Ciekawy

1

Olin, dlaczego poprosiłeś downvotersów, aby powiedzieli ci, dlaczego oddali głos, jeśli nie zamierzasz odpowiedzieć na odpowiedzi? Według 4 głosów poparcia wydaje się, że @Curious nie był jedyny z tymi myślami

— MCG

1

@Olin, zgadzam się, wandaliczne pogłoski zdarzają się zbyt często! Widziałem cię już kilka razy, kiedy zakładasz, że ludzie robią rzeczy z powodów osobistych lub religijnych ... Nie zawsze tak jest. W przypadku takich rzeczy naprawdę nie ma znaczenia, dlaczego chcą skorzystać z otworu ... Może po prostu wolą, może jest to zadanie, które zostały ustalone, kto wie, to nie ma znaczenia. To, że proszą o pomoc w czymś, co uważasz za niewystarczająco dobre, nie powinno oznaczać, że nie oferujesz żadnej pomocy, a zamiast tego odpowiadasz na podstawie twoich opinii.

— MCG

1

Może jest początkujący. Zacząłem używać dziury od samego początku, kiedy się uczyłem. Miałem tylko bardzo podstawowy sprzęt i nie miałem narzędzi do montażu na powierzchni. Więc zaprojektowałem otwór, dopóki nie było mnie stać na odpowiedni sprzęt. Powinieneś po prostu zaakceptować, że nie każdy powód jest religijny lub osobisty, i przestań zakładać. Jeśli nie zgadzasz się z metodą, nie odpowiadaj na nią! Gdybym był OP i chciałem zaprojektować otwór przelotowy, jest to bezużyteczna odpowiedź. Niektórzy ludzie projektują inaczej niż ty. Jeśli sobie z tym poradzisz, nie musisz sprowadzać wszystkich do swojego sposobu myślenia

— MCG

0

Jeśli zastanawiasz się nad płaszczyznami naziemnymi, musisz zapomnieć przez otwór! Posiadanie dedykowanych warstw uziemienia i mocy polega na utrzymaniu ścieżek o niskiej impedancji dla wszystkich prądów. Komponenty przelotowe mają znacznie większą impedancję tylko od ich dużych rozmiarów i drutów.

Jeśli chcesz trzymać się otworu, polecam planszę, która wygląda podobnie do schematu. Użyj obszarów ziemi zarówno na środku górnej, jak i dolnej warstwy. Użyj długich krawędzi dla ścieżek V + i V-. Twórz „miedziane palce” od ziemi do V + / V- lub odwrotnie, aby uwzględnić elementy promieniowe. Jeśli obwód wzmacniacza potrzebuje trzech lub czterech napięć, użyj górnej warstwy dla jednej pary napięć i tylnej dla drugiej.

Pamiętaj również, że z widoku AC, V +, V- i GND są takie same. Równie ważne jest posiadanie niskiej impedancji V + i V- jak GND.

Wypełnienie dolnego gruntu jest ciągłe, gdy palce V + / V- łamią górny i odwrotnie. Użyj przelotek komponentu THT do połączenia dwóch wypełnień GND. W ten sposób dajesz przelotom powód do istnienia. W razie potrzeby użyj dodatkowych przelotek.

Jest to zupełnie odwrotne od projektu płytki, którego potrzebuje obwód cyfrowy. Teraz wyobraź sobie ból głowy związany z tworzeniem tablicy z mieszanym sygnałem.

— Janka
źródło

1

Nie rozumiem, dlaczego płaszczyzna uziemienia nie jest przydatna, gdy stosuje się komponenty otworów przelotowych. Rozumiem większą impedancję połączenia między samym komponentem a warstwą miedzi spowodowaną przez przewody komponentu (w porównaniu do SMD). Myślę jednak, że samolot Gorunda przyczynia się do obniżenia poziomu szumów w obwodzie, ponieważ poziom gruntu komponentu w prawej górnej części płytki drukowanej byłby prawie taki sam jak uziemienie komponentu umieszczonego w lewym dolnym obszarze PCB, ... Co myślisz?

— Umberto D.

Chodzi o posiadanie dedykowanej płaszczyzny podłoża w porównaniu z wypełnieniem podłoża zarówno na górnej, jak i dolnej warstwie. Oczywiście ten ostatni ma niższą rezystancję wewnętrzną dla najbardziej rozpowszechnionych prądów między sąsiednimi częściami obwodu (ponieważ są to dwie warstwy miedzi).

— Janka