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Die Bedeutung der PCB-Grundebene und effektiver Designtechniken

Views: 819 Autor: Site-Editor Veröffentlichungszeit: 2023-06-27 Herkunft: Site

Beim PCB-Design ist die PCB-Masseebene einer der wichtigen Faktoren, die berücksichtigt werden müssen. Ohne eine gut konzipierte Erdungsebene funktioniert die Leiterplatte möglicherweise nicht wie erwartet und ist möglicherweise anfällig für verschiedene Formen von elektrischem Rauschen und Interferenzen.

PCB-Masseebene

Werfen wir heute einen Blick auf die PCB-Masseebene und erfahren Sie, wie Sie sicherstellen können, dass sie als solide Grundlage für Ihre Leiterplatte dient.

Was ist eine Masseebene in einer Leiterplatte?

Die PCB-Masseebene ist eine wesentliche Komponente im Leiterplattendesign und besteht aus einer Kupferfolienschicht, die direkt mit der Schaltungsmasse verbunden ist. Es dient als Rückweg für Komponenten und Strom im Schaltkreis und vereinfacht das Schaltkreislayout, da keine Erdungsspuren erforderlich sind.

Die Masseebene kann einen kleinen Teil oder eine ganze Schicht der Leiterplatte einnehmen, was eine effiziente Spannungsrückführung, Signalwiederherstellung und Rauschreduzierung ermöglicht. Die ordnungsgemäße Implementierung der Groundplane-Technik ist von entscheidender Bedeutung, um Probleme wie Signalkreuzungen, Erdschleifen und elektromagnetische Störungen zu vermeiden und eine optimale Leistung des Geräts sicherzustellen.

Die Leiterplatten-Masseebene neigt dazu, je nach Leiterplattenmodell verändert zu werden. Beispielsweise wird bei einer zweischichtigen Leiterplatte meist die untere Schicht als Masseebene verwendet. Andererseits wird bei den mehrschichtigen Platinen die gesamte Schicht zur Erdung genutzt, um Erdschleifen, Signalspuren und weitere Probleme zu vermeiden.

Warum ist die PCB-Groundplane wichtig?

Eine Masseebene auf einer Leiterplatte ist normalerweise eine große Metallfläche, die mit der Schaltungsmasse verbunden ist. Dieser Metallbereich macht manchmal nur einen kleinen Teil der Platine aus, oder bei mehrschichtigen Designs kann es sich um eine ganze Platinenschicht handeln. Abhängig von den Anforderungen des Designs kann es sogar mehrere Ebenen einnehmen. Masseebenen dienen in Leiterplatten drei wichtigen Zwecken.

Spannungsrückkehr

Fast jede Komponente auf der Leiterplatte wird an ein Stromnetz angeschlossen, und die Rückspannung wird dann über das Erdungsnetz zurückgeführt. Im Einzel- bzw DoppelschichtplattenFür die Verlegung der Bodennetze werden typischerweise breitere Leiterbahnen verwendet. Bei mehrschichtigen Platinen vereinfacht die Festlegung einer ganzen Schicht als Erdungsebene jedoch den Prozess der Verbindung jeder Komponente mit dem Erdungsnetz. Durch diesen Ansatz entfällt die Notwendigkeit einer umfangreichen Erdungsleiterführung und gewährleistet einen effizienteren und zuverlässigeren Spannungsrückführungspfad.

Ein mehrschichtiger Leiterplattenaufbau mit mehr als vier Schichten erfordert mehr Aufmerksamkeit. Um eine solide Verbindung zwischen den Erdungsnetzen und den Schaltungskomponenten herzustellen, werden hochwertige Materialien verwendet. Dadurch wird sichergestellt, dass die Spannung, die beim Anschluss der meisten Komponenten an das Stromnetz entsteht, ordnungsgemäß über das Erdungsnetz verteilt wird.

Signalrückgabe

Normale Signale benötigen ebenfalls eine Rückleitung, und für Hochgeschwindigkeitsdesigns ist es wichtig, dass sie über einen freien Rückweg auf der Grundebene verfügen. Ohne diesen klaren Rückweg können diese Signale den Rest der Leiterplatte stark stören.

Reduzieren Sie Lärm und Interferenzen

Bei einer Verschiebung der Digitalschaltungsposition wird üblicherweise eine große Energiemenge über den Massekreis entladen. Dieser Vorgang erzeugt Rauschen und Interferenzen, die Sie durch die Integration der Masseebenen vermeiden können.

Power Integrity

Leiterplatten bestehen oft aus elektronischen Bauteilen, die im Betrieb viel Strom benötigen. Daher glätten PCB-Masseebenen die durch diesen Vorgang entstehenden Stromspitzen.

PCB-Designrichtlinien für Grundebenen

Wenn Sie bei Ihrem PCB-Design mit der Erdung arbeiten, finden Sie hier einige Layout-Empfehlungen, die Ihnen dabei helfen, ein möglichst robustes Erdungssystem zu erstellen:

  • Kontinuität wahren: Stellen Sie sicher, dass die Masseebene über die gesamte Leiterplatte hinweg Kontinuität aufrechterhält und Segmentierungen oder Brüche vermieden werden. Dies sorgt für einen gleichmäßigen Erdungspfad und verringert die Impedanz für den Stromrückfluss.

  • Richtiges Layout: Planen Sie die Positionierung und Form der Grundebene im Entwurf sorgfältig ein. Minimieren Sie die Länge der Erdungspfade und die Fläche der Stromschleifen, um die Wirksamkeit der Erdung zu verbessern.

  • Angemessene Erweiterung: Erhöhen Sie nach Möglichkeit die Größe der Masseebene, insbesondere in Hochfrequenz- oder Hochleistungsschaltkreisen. Durch die Erweiterung der Masseebene wird die Stromdichte verringert, wodurch Probleme mit Signalübersprechen und elektromagnetischen Störungen minimiert werden.

  • Vermeiden Sie eine Kopplung zwischen den Schichten: Treffen Sie bei mehrschichtigen Leiterplatten Vorkehrungen, um eine Kopplung zwischen den Schichten zu vermeiden. Verwenden Sie eine geeignete Isolierung und Planung zwischen den Schichten, um Interferenzen zwischen Signalspuren zu reduzieren.

  • Wärmemanagement: Berücksichtigen Sie beim Entwurf der PCB-Grundebene die Wärmeableitung und das Wärmemanagement. Ordnen Sie die Grundplatte so an, dass sie die Wärmeableitung unterstützt und sicherstellt, dass die Temperatur der Leiterplatte in einem angemessenen Bereich liegt.

PCB-Erdungstechniken für das PCB-Design

Hier sind einige gängige Erdungstechniken, die beim PCB-Design verwendet werden:

Grundebene

Eine Masseebene bezieht sich auf einen großen Kupferbereich auf einer Leiterplatte, der mit der Masse verbunden ist. Bei einer zweischichtigen Leiterplatte befindet es sich normalerweise auf der unteren Schicht, während die obere Schicht Leiterbahnen und Komponenten beherbergt. Im Falle einer mehrschichtigen Leiterplatte ist einer der innere Kupferschichten wird normalerweise als Grundebene verwendet.

Um die Nutzung einer Masseebene zu optimieren, empfiehlt es sich, die Signalspuren so kurz wie möglich zu halten und die Masseebene so zu positionieren, dass sie den gesamten Bereich darunter abdeckt. Dieser Designansatz trägt dazu bei, die Bildung einer Leiterschleife zu verhindern, die als Induktor fungiert, und reduziert so die Erzeugung externer Magnetfelder, die zum Auftreten eines elektrischen Erdschleifenstroms führen könnten.

Erddurchgänge

Bei einer mehrschichtigen Leiterplatte sind die Masseebenen auf verschiedenen Schichten über Durchkontaktierungen miteinander verbunden, was den Zugriff auf die Masseebene von überall auf der Platine ermöglicht. Diese Durchkontaktierungen dienen dazu, Erdschleifen innerhalb des Systems zu reduzieren und einen Pfad mit niedriger Impedanz für die Stromrückführung bereitzustellen.

Um die Auswirkungen resonierender Kupferabschnitte zu minimieren, empfiehlt es sich, mithilfe kontrollierter Impedanztechniken möglichst kurze Verbindungen zwischen Komponenten herzustellen. Darüber hinaus kann die strategische Platzierung geerdeter Verbindungsdurchkontakte diese Schwingungen effektiv beseitigen, indem ein kapazitiver Pfad zurück zur Erde geschaffen wird. Als allgemeine Richtlinie wird empfohlen, diese Erdungsdurchkontaktierungen in Abständen von höchstens 1/8 einer Wellenlänge vom entsprechenden Leiter zu positionieren.

Anschlusserdung

Leiterplattenanschlüsse sollten geerdet sein und Signalleiter müssen mithilfe von Erdungsstiften getrennt werden, damit sie parallel verlaufen. Es ist wichtig, sich nicht auf einen einzelnen Anschlussstift zu verlassen, um Impedanzfehlanpassungen und Schwingungen zu vermeiden. Um Stabilität zu gewährleisten und den Kontaktwiderstand zu minimieren, verwenden Sie mehrere Erdungsstifte, die idealerweise etwa 30–40 % der gesamten Anschlussstifte auf der Leiterplatte ausmachen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die PCB-Masseebene ein entscheidendes Element im PCB-Layout ist und ein sorgfältiges Design für optimale Funktionalität und Vorteile für die Leiterplatte erfordert. Die bereitgestellten Gestaltungsrichtlinien und Tipps bieten dabei wertvolle Hilfestellungen. Wenn Sie jedoch vor Herausforderungen stehen, können Sie dies gerne tun kontaktieren Sie uns für fachkundige Hilfe und Unterstützung.

Über den Autor

Ich bin seit 2015 als Leiter für Technik und Vertrieb bei Victorypcb tätig. In den letzten Jahren war ich für alle Messen im Ausland verantwortlich, beispielsweise in den USA (IPC Apex Expo), Europa (Munich Electronica) und Japan (Nepcon) usw. Unsere Fabrik wurde 2005 gegründet 1521, jetzt haben wir XNUMX Kunden auf der ganzen Welt und genießen bei ihnen einen sehr guten Ruf.

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