Heutzutage sind Leiterplatten aus jedem elektronischen Gerät nicht mehr wegzudenken. Wahrscheinlich haben die meisten Menschen, die Hobbybastler sind oder beruflich mit der Embedded-Branche zu tun haben, irgendwann genug von Kabelsalat und oft problematischen Verbindungen auf Steckbrettern, also beschließt er, sein eigenes Board zu entwerfen.
Obwohl moderne Leiterplatten aufgrund des Strebens nach Miniaturisierung und der Notwendigkeit, strenge Standards einzuhalten, als mehrschichtige Leiterplatten konzipiert sind, liegen bei Bastlern immer noch Leiterplatten mit zwei Kupferschichten an der Spitze, auf die wir uns später konzentrieren werden Post.
Warum ist das reibungslose Design von Leiterplatten wichtig?
An dieser Stelle ist es erwähnenswert, dass, wenn Ihre mit dem Steckbrett verbundene Struktur einwandfrei funktioniert, die darin enthaltenen Verbindungen wahrscheinlich für die Signale im System transparent sind.
In diesem Fall müssen Sie sich bei der Vorbereitung des Layouts nur darum kümmern, den Schaltplan richtig vorzubereiten und die Pfade so zu verlegen, dass sie beim ersten Ausführen des Layouts nicht verbrennen.
Wenn Sie jedoch ein System entwerfen möchten, das den EMV-Anforderungen entspricht, oder einfach nur eine gute Designstruktur anwenden möchten, dann ist dieser Beitrag genau das Richtige für Sie.
Widerstand und Rückweg für Ströme im System
Mir ist aufgefallen, dass unerfahrene Designer oft denken, dass der elektrische Widerstand der Leiterbahnen aufgrund ihrer Dicke und Länge nur ohmsch ist. Diese Aussage ist wahr, aber nur, wenn die in ihnen fließende Spannung und der Strom über die Zeit konstant sind.
Bei variablen Signalen und damit auch bei digitalen Signalen müssen wir Pfade hinsichtlich ihrer Impedanz betrachten, die dem Widerstand in Wechselstromkreisen entspricht.
Das Ganze lässt sich als Muster zusammenfassen – So machen Sie es richtig Entwerfen einer Leiterplatte auf zwei Schichten
Der Stromfluss in Leiterplatten
Aus dem Physikunterricht in der Schule wissen wir wahrscheinlich alle, dass der Strom immer den Weg des geringsten Widerstands nimmt. Dies gilt sowohl für den zur Last fließenden Strom als auch für den Rückstrom. Die Tatsache, dass der Strom in einem geschlossenen Stromkreis fließen muss, ist offensichtlich, wird aber oft vergessen.
Und so wie die meisten angehenden Designer ihre Signalwege mit großer Sorgfalt und Ästhetik verlegen, wird ihnen ein solider Rückweg übersehen.
Bei Gleichstrom, der in der Masseebene fließt, ist dies einfach der geometrisch kürzeste Rückweg. Variable Signale auf der Platine kehren über den Pfad mit der niedrigsten Impedanz zurück, was bei Frequenzen über 100 kHz nicht immer bedeutet, dass es sich um den kürzesten Pfad im geometrischen Sinne handelt.
Nehmen wir das folgende Beispiel:
Dabei handelt es sich um eine vereinfachte Schaltung mit einem Mikrocontroller, der ein sich schnell änderndes Signal an den Eingang des Puffers liefert. Beide ICs werden auf der obersten Lage der Platine platziert, darunter befindet sich eine feste Erdschicht. Im Bild unten sind zwei Rückwege markiert, einer für Gleichstrom und einer für Wechselstrom.
Bei Gleichstrom fließt die vom Ausgang des Mikrocontrollers fließende Ladung durch die Siliziumstruktur des Puffers und kehrt dann durch die Durchkontaktierung zur Masseebene zurück, wo sie auf dem kürzesten möglichen Weg zur Masse unseres Mikrocontrollers zurückkehrt.
Während die Schaltung mit einer relativ hohen Frequenz arbeitet (die zuvor genannten 100 kHz sind eher eine willkürliche Grenze), befindet sich der größte Teil des Rückstroms direkt unter dem Signalpfad.
Aufeinanderfolgende Kondensatoren im PCB-Design
Die aufeinanderfolgenden Kondensatoren in dieser Schaltung stellen die Kapazitäten zwischen den unendlich kurzen Abschnitten des Pfades und seiner Referenzebene dar. Induktivität ist die Induktivität eines leitfähigen Materials in Abhängigkeit von seiner Geometrie.
In der Praxis hängen die Werte dieser beiden Elemente von der Breite des Pfades und seinem Abstand von der Referenzebene ab. Der Widerstand symbolisiert den akkumulierten Widerstand der Strecke.
Eine auf einem solchen Weg wandernde Rechteckwellenfront lädt die auf ihrem Weg aufeinanderfolgenden Kondensatoren auf, was dazu führt, dass ein Verschiebungsstrom bzw. Strom durch den Kondensator „fließt“.
Da der Strom entlang des Pfades mit der niedrigsten Impedanz fließen möchte, wird er den Pfad wählen, bei dem der Wert dieser Kapazitäten möglichst groß ist, also direkt unter dem Pfad liegt.
Jede Änderung des Wertes dieser Kapazitäten oder Induktivitäten führt zu einer Änderung der Impedanz unseres Signals und damit zu einer Verschlechterung seiner Qualität. Wenn die Leiterbahn an einer Lücke in der Masseebene verläuft, führen wir automatisch eine Impedanzdiskontinuität in ihren Stromkreis ein, wodurch ihre Induktivität und die Fläche der Rückstromschleife vergrößert werden.
Signalpfad und ungefährer Rückstrompfad
Dies ist eine völlig inakzeptable Situation, da der so geführte Pfad aufgrund der entstehenden Schleife wesentlich mehr Störungen aussendet und deutlich anfälliger für Störungen von außerhalb des Systems wird.
Ich möchte Sie darauf aufmerksam machen, dass die Frequenz eines digitalen Signals nicht von seiner Schaltfrequenz abhängt, sondern von der Anstiegs- und Abfallzeit der Signalflanken.
Wie entwirft man eine Leiterplatte richtig auf zwei Schichten?
Laut Datenblatt des Atmega328P-Mikrocontrollers beträgt die Anstiegs- und Abfallzeit von Signalen in der SPI-Schnittstelle beispielsweise typischerweise 3.6 ns. Das bedeutet, dass wir es bei einem mit 16 MHz getakteten Mikrocontroller mit einer Bandbreite von etwa 97 MHz zu tun haben.
Obwohl Mikrocontroller von einer Gleichspannungsquelle gespeist werden, ist der Strom, den sie verbrauchen, gepulst.
Eine Schleife aus gepulstem Strom, die vom Mikrocontroller gezogen wird
Daraus kann geschlossen werden, dass der Strom, der in den Versorgungspfaden fließt, variabel ist, sodass der Pfad selbst für diesen Strom im Hinblick auf seine Impedanz und nicht nur auf den Widerstand betrachtet werden muss. Theoretisch ist es am besten, wenn ein solcher Pfad über den gesamten Frequenzbereich eine Impedanz nahe Null aufweist.
Die Bereitstellung eines solchen Pfades ist eine der Hauptaufgaben des Designers bei der Vorbereitung des Platinenlayouts. Bedenken Sie, dass in unserem Stromversorgungsnetz entstehende Artefakte auch in den Signalen im System sichtbar sind.
Die Impedanz des Kondensators
Die so ausgedrückte Reaktanz und damit die Impedanz des Kondensators würden mit zunehmender Frequenz des Signals gegen Unendlich tendieren. Leider müssen wir in der realen Welt die parasitären Komponenten des Kondensators, die seinen Frequenzgang beeinflussen, noch berücksichtigen.
ESL entspricht einer Reiheninduktivität und hängt von der Art der Leitungen eines bestimmten Kondensators und der Länge des Pfades auf der Platine zwischen seiner Elektrode und dem Pin ab, an dem er die Spannung filtern soll.
ESR ist der äquivalente Serienwiderstand. Dies hängt von der Art des Dielektrikums ab, aus dem der Kondensator besteht, und von der Frequenz, mit der er arbeitet. EPR ist der Widerstand, der den Gleichstromverlust durch den Kondensator widerspiegelt, und C ist seine Nennkapazität.
An einem solchen Modell können wir eine Simulation durchführen, um zu überprüfen, wie seine Impedanz in Abhängigkeit von der Frequenz des Signals aussieht.
Frequenzschwankungen im PCB-Design
Bis zur Frequenz von ca. 5 MHz, der Spannungsregler und die Kondensatoren, die Ladungen am Ein- und Ausgang des Reglers ansammeln, sind für die Aufrechterhaltung der niedrigen Impedanz des Netzwerks verantwortlich.
Oberhalb dieser Frequenz, bis hin zu Frequenzen von mehreren hundert MHz, sind es die Entkopplungskondensatoren an den Leistungsanschlüssen der Schaltkreise, die für die Bereitstellung eines niederohmigen Pfads für Ströme verantwortlich sind.
Daher müssen die aus der Leitungslänge resultierenden Induktivitäten möglichst klein sein. In der Praxis kommt es darauf an, den Kondensator möglichst nah an den Pin zu bringen, dessen Spannungsversorgung abgekoppelt werden soll. Am besten verwenden wir oberflächenmontierte Bauteile in möglichst kleinen Gehäusen, die wir löten können.
Wenn wir die Platine von Hand löten, scheuen Sie sich nicht, an der Lötstelle des Kondensators Durchkontaktierungen in den Boden einzuführen.
Aufgrund des Rauschens im Netz ist es wichtig, die Hauptimpedanz niedrig zu halten. Sofern die Impedanz nicht über einen weiten Frequenzbereich niedrig ist, erzeugen die hochfrequenten Harmonischen von Impulsstromtransienten Rauschen und sogar Spannungsschwankungen in unserem gesamten Netz.
Referenzebene im PCB-Design
Bei Platinen mit mehreren Schichten ist normalerweise mindestens eine davon vollständig der Grundebene gewidmet. Ein solch homogener Kupferauslauf bietet nicht nur einen hervorragenden Rückweg für Signale, sondern schirmt auch die darüber liegenden Leiterbahnen ab und reduziert die von unserer Platine ausgehenden Störungen.
Selbst bei zweischichtigen Fliesen ist dies mit Abstand die beste Vorgehensweise. Mit einer solchen festen Ebene können wir Verbindungen mit niedriger Impedanz zwischen den Masseleitungen integrierter Schaltkreise und Entkopplungskondensatoren herstellen.
Mir ist aufgefallen, dass viele Leute auch Erde in die leeren Räume auf der obersten Schicht der Platine gießen, weil sie denken, dass diese zusätzliche Erde die Signale besser schützt. Eine gleichmäßige Kupferfüllung auf beiden Seiten der Platine ist für Platinen, die bei hohen Temperaturen betrieben werden, wichtig, da sie eine Verformung der Platine verhindert und die Wärme besser ableitet.
Wenn unsere Struktur keinen extremen Bedingungen ausgesetzt ist, ist es besser, nur eine homogene Masse auf der Unterseite der Fliese zu belassen.
Ein zusätzlicher Massenausfluss auf der obersten Schicht wird die elektrischen Parameter unserer Struktur nicht wesentlich verbessern und kann zusätzliche Probleme verursachen, die uns nicht bewusst sind.
Wenn wir aus irgendeinem Grund eine Masse auf der obersten Schicht haben möchten, sollten wir diese Grundregeln befolgen:
Lassen Sie keine unverbundene Erdung zwischen den Signalpfaden – eine solche Erdung sollte mit der Erdungsebene über Durchkontaktierungen verbunden werden, die sich in einem Abstand von 1/8 der Signalwellenlänge im Pfad befinden. Andernfalls kann es passieren, dass die so verbleibende Masse das Ausmaß des Übersprechens zwischen den Pfaden erhöht.
Wenn wir eine solche Möglichkeit haben, sollte der Platz unter den integrierten Hochgeschwindigkeitsschaltungen auf der oberen Schicht vollständig der Erde vorbehalten sein
Masse unter dem Mikrocontroller
Wenn wir eine Platine mit analogen und digitalen Schaltkreisen entwerfen, besteht keine Notwendigkeit, die Grundebene gemeinsam zu nutzen. Da der Rückstrom der Hochgeschwindigkeits-Digitalschnittstellen genau unter dem Pfad zurückfließt, besteht keine Möglichkeit, dass er empfindliche analoge Signale stört.
Eine falsch geteilte Masseebene kann zur Bildung einer Antenne führen, was zu einem erhöhten Emissionsniveau unserer Platine führt.
Bei zweischichtigen Platten ist es am besten, die untere Schicht für die Grundplatte zu reservieren. Ich schlage vor, die gesamte obere Ebene für die Anordnung der Elemente und die Herstellung von Verbindungen zwischen ihnen zu nutzen.
Ist eine Kreuzung zweier Signalwege erforderlich, kann hierfür ein 0Ω SMD-Widerstand verwendet werden. Wenn wir einen Pfad verpassen wollen, indem wir das Signal durch die untere Schicht der Platine leiten, leiten wir es dort auf dem kürzestmöglichen Weg und kehren damit zum oberen Teil der Platine zurück.
Die Signalpfade haben eine hohe Impedanz, da sie weit von der Masseebene entfernt sind, sodass sie mehr Rauschen aufnehmen. Halten Sie daher den größtmöglichen Abstand zueinander ein.
Zusammenfassung
Wann sind viele Aspekte zu berücksichtigen Entwurf einer Leiterplatte. Es handelt sich oft um die Wahl zwischen verschiedenen Formen des Kompromisses. In dem Artikel habe ich versucht, meiner Meinung nach interessante und nicht ganz offensichtliche Phänomene kurz darzustellen, die hinter der modernen Elektronik stehen und sich erfolgreich auf den Bereich Hobbyprojekte übertragen lassen.
Mir ist klar, dass die in dem Artikel vorgestellten Probleme nur ein Tropfen im Meer von Problemen sind, über die Sie beim Design eines Boards nachdenken müssen. Ich glaube jedoch, dass eine Änderung der Denkweise über das Board und die darauf auftretenden Phänomene immer einen Mehrwert für unsere Designs bringen wird.
