Wie Sie mit den richtigen PCB-Massestrukturen für geringere elektromagnetische Störungen in Mixed-Signal-Systemen sorgen

PCBs auf einem Panel

Leiterbahnen und Kupferfüllbereiche können wie Straßen aussehen.

 

Als ich noch in Philadelphia wohnte, fuhr ich immer eine Stunde zur Arbeit und zurück. Wer langes Pendeln einmal erlebt hat, kennt den Stress und die Aufregung, sobald es auch nur 5 Minuten Verzögerung gibt. Zum Glück ist Philadelphias Stadtplanung dank der Sorgfalt von William Penn besonders effizient. Ohne seine Bemühungen um Verkehrseffizienz würde ich mehr Zeit mit Gestikulieren als mit Lenken verbringen. Manchmal kann sich der Entwurf einer Mixed-Signal-Platine wie städtische Straßenplanung anfühlen. Wenn sie ohne Voraussicht durchgeführt wird, kann es zu PCB-„Stress“ führen und so viel elektrischen "Lärm" wie meine Hupe abgeben. Die richtigen Masseverbindungen für Ihre Platine führen Sie zu einem PCB, das frei von elektromagnetischen Störungen und anderem Stress ist. Hier sind einige Vorschläge für sichere und gute Masseverbindungen Ihrer Platine.

 

Bewährte Verfahren für die Massevrbindung von Mixed-Signal-Schaltungen

 

Wie Sie wissen, benötigen Mixed-Signal-Platinen oft speziell maßgeschneidere Masseverbindungen. Es gibt jedoch mehrere bewährte Methoden, die Ihnen einen Teil der Arbeit abnehmen können.

Beim Design denken Sie bitte daran, die optimale Masseverbindung zu wählen: per Busleitung, Gitter oder Massefläche.

 

Busleitung: Für die meisten Platinen mit Mixed-Signal-Systemen ist eine Busleitung keine gute Lösung, denn ihre Impedanz kann bei den üblichen Systemfrequenzen ziemlich groß sein und dadurch zu hohen Spannungsabfällen führen.

 

Massegitter: Ein Massegitter kann eine ausgewogene Lösung für zweilagige Platinen sein, die nicht genügend Platz für eine volle Massefläche haben, bei denen aber die Spannungsabfälle einer Busleitung nicht hinnehmbar sind. Das Gitte muss kein quadratisches Geflecht sein, sollte aber eine möglichst große Fläche haben. Mehr Fläche reduziert die Impedanz und ermöglicht mehr Leiterbahnverbindungen, was wiederum die Rückstrompfade verkürzt. Achten Sie beim Verwenden eines Gitters bitte besonders darauf, dass sich bestimmte Wechselstrom/Gleichstrom-Rückstrompfade nicht kreuzen.

 

Massefläche: Eine durchgehende Massefläche ist normalerweise die beste Lösung für eine Platine. Ihre Geometrie sorgt für eine möglichst geringe Impedanz und bietet oft die direktesten Rückstrompfade. Zusätzlich wird eine durchgehende Massefläche die Platine besser abschirmen als ein Massegitter. Genau wie bei einem Gitter ist darauf zu achten, dass sich beim Anschluss der integrierten Schaltungen (ICs) an die Massefläche die Rückstrompfade nicht kreuzen. Wie so oft ist die „bessere“ Lösung teurer. Wenn Sie sehr sparsam sind, kann sich die Berechnung der Impedanz bei Verwendung einer Busleitung oder eines Massegitters lohnen.

 

Elektronik-Schaltplan
Die Masseverbindung ist in der Praxis nicht so einfach wie auf Schaltplänen.
 

In bestimmten Mixed-Signal-Designs kann es mit zwei getrennten Masseflächen gelingen, analoge und digitale Schaltkreise zu separieren, um die elektromagnetischen Störungen zu reduzieren. Allerdings kann es bei zwei völlig getrennten Masseflächen passieren, dass sich die Bezugspotenziale für bestimmte Teile der Schaltung unterscheiden, was wiederum zu Fehlern in Ihrer Schaltung führen kann. In Schaltungen mit einem Datenwandler können separate Masseflächen mit einem Ferritkern und Schottky-Dioden verbunden werden. Für allgemeinere Systeme lassen sich die beiden Masseflächen jedoch einfach verbinden, oder es wird nur eine Fläche eingesetzt – Letzteres aber nur, wenn sich die Rückstrompfade nicht kreuzen. Das würde zu „Übersprechen“ führen (wie eine Diskussion, bei der ich schreie, wenn jemand mir das Wort abschneidet). Ich empfehle die Verwendung einer durchgehenden Massefläche, vorzugsweise mit sorgfältig geplanten Rückstrompfaden. Wenn eine durchgehende Massefläche nicht möglich ist, setzen Sie Aussparungen in die Schicht, um Gleich- und Wechselstrom-Bauteile und ihre Rückstrompfade zu trennen. Eine Massefläche mit Aussparungen ist immer noch zusammenhängend und damit nützlich, wird aber in geringem Umfang auch zu Rauschen in den Schaltungen führen. Wenn Sie Aussparungen setzen, führen Sie keine Leiterbahnen über sie hinweg, da die Aussparungen wie Antennen wirken können. Versuchen Sie unabhängig von der verwendeten Methode, die Rückstrompfade so kurz wie möglich zu halten. Dies wird zur Reduzierung der von Stromschleifen abgestrahlten elektromagnetischen Störungen beitragen.

 

Wenn Bypass- oder Entkopplungskondensatoren in Ihrem PCB-Design vorhanden sind, wird deren direkte Verbindung mit der Massefläche zur Reduzierung der elektromagnetischen Störungen beitragen. Die Verbindung dieser Kondensatoren mit der Masse stellt schnell sicher, dass die Rückströme einen sehr kurzen Weg zum Ende der Schleife haben. Wenn die Verbindung des Kondensators zur Masse zu lang ist, könnten die Rückströme eine Abkürzung nehmen und am Ende dort auftauchen, wo sie nicht sein sollen.

 

Extrudierte weiße Mikrochips auf einer Platine
Integrierte Schaltkreise brauchen gute Masseverbindungen

 

Praktische Tipps für Mixed-Signal-ICs

Wie Sie wissen, haben Mixed-Signal-Systeme ihre Komplikationen, aber bei Mixed-Signal-ICs kann es zu weiteren Schwierigkeiten kommen. Weil verschiedene Kombinationen dieser Bauteile unterschiedliche Lösungen erfordern, folgen hier einige Tipps zum Umgang mit Mixed-Signal-ICs.

 

Platinen mit einem Mixed-Signal-IC
Wenn Sie bereits Audio-Schaltkreise entwickelt haben, sagt Ihnen vielleicht die sternförmige Masseverbindung etwas. Beim Design einer Platine, die nur eine Mixed-Signal-Schaltung hat, kann sie eine gute Lösung sein. Die sternförmige Masseverbindung verwendet anstelle einer ganzen Fläche nur einen einzigen Punkt als Referenz. Bei Wandlern und einigen anderen Mixed-Signal-Chips empfiehlt der Hersteller normalerweise, AGND- und DGND-Pins außerhalb des Chips miteinander zu verbinden Diese Verbindung kann als sternförmige Masse fungieren. Wenn Sie zwei getrennte Masseflächen mit einem Mixed-Signal-IC verwenden, können Sie die beiden Masseflächen auch an diesem Punkt miteinander verbinden. Eine Komplikation bei der sternförmigen Masseverbindung ist, dass die Verbindungen zu ihr möglichst die gleiche Länge haben müssen. Wenn diese Konfiguration für Ihren Schaltkreis nicht realisierbar ist, ist eine andere Massestruktur vorzuziehen.

 

Platinen mit mehreren Mixed-Signal-ICs

Wenn Ihre Platine mehr als ein Mixed-Signal-IC verwendet, ist die sternförmige Massestruktur nicht optimal. Das liegt daran, dass Sie die AGND‑ und DGND-Pins sämtlicher ICs direkt neben dem jeweiligen Baustein an der gleichen Stelle verbinden müssten. Nicht einmal William Penn könnte eine solche Kreuzung planen. Wenn Sie eine Platine mit mehreren Mixed-Signal-ICs entwerfen, empfehle ich, eine Massefläche mit Aussparungen zu verwenden, um die Rückströme zu trennen, oder eine Massefläche ohne Aussparungen und mit sehr sorgfältig geprüften Rückstrompfaden.

 

Die Masseverbindung von Mixed-Signal-Systemen erfordert eine sorgfältige Planung des Layouts, da die Rückstrompfade zum Reduzieren von elektromagnetischen Störungen und „Übersprechen“ überprüft werden müssen. Die Layout-Planung ist sehr schwierig, wenn alles gleich aussieht. Ich empfehle, Ihre PCB-Design-Software einzusetzen, um Ihre Bauteile und Netze farblich zu kennzeichnen, damit Sie die Gleich- und Wechselstromsysteme oder Pins visuell unterscheiden können, wenn Sie mit Mixed-Signal-ICs arbeiten. CircuitStudio verfügt über eine Anleitung zum Ändern der Farben auf Ihrer Platine.

 

Manchmal sind verstopfte Autobahnen und Verkehrstress unvermeidlich, aber gegen überlastete Platinen gibt es wirksame Mittel. Ein gutes Layout für die Masseverbindung kann die elektromagnetischen Störungen auf Ihrer Platine reduzieren und Ihnen Ärger ersparen.

 

Haben Sie noch mehr Fragen zum Erdungsdesign? Dann sprechen Sie mit einem Experten von Altium.

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