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Siete alle prese con EMI or signal noise in your Progetti di PCB? A correct ground plane enables electronic devices to operate more quietly and steadily, ensuring a stable signal. The ground plane provides the percorso di ritorno a bassa impedenza per la corrente che assicura una tensione stabile su tutta la scheda.
Questo articolo vi aiuterà a padroneggiare il piano di massa del circuito stampato, introducendo la sua funzione, le linee guida per la progettazione del piano di massa, quando implementarlo e come evitare gli errori tipici. Let’s learn with PCB ELE ora!
Che cos'è un piano di terra?
Il piano di massa di un circuito stampato è un'area speciale in rame collegata alla massa del circuito, che funge da schermo e da autostrada per le correnti di ritorno. Un piano di massa può rappresentare una singola scheda strato in un multistrato designoppure può rappresentare una piccola frazione del consiglio di amministrazione. Fornisce alle correnti un percorso di ritorno robusto ed esteso sulla maggior parte della scheda, anziché una semplice traccia. Inoltre, offre un percorso a bassa impedenza del segnale.
Nodi diversi sul piano di massa di un PCB
I diversi nodi del piano di massa di un circuito stampato sono essenziali per preservare le prestazioni e la stabilità del circuito.
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Nodo di terra di alimentazione: Qui è dove si trovano tutti i alimentazione convergono i rendimenti e serve come punto di collegamento principale per il riferimento di massa del circuito..
- Nodo di terra del segnale: Questo nodo fornisce un canale a bassa impedenza per le correnti di ritorno del segnale collegandosi al piano di massa. Esso riduce il rumore e l'interferenza del segnaleche è importante per i sistemi analogici o alta frequenza comunicazioni.
- Nodo di terra analogico: Per evitare che il rumore digitale influenzi i delicati segnali analogici, questo nodo isola la massa analogica da quella digitale nei progetti che combinano circuiti analogici e digitali.
- Nodo di terra digitale: Questo nodo gestisce le correnti di ritorno dei circuiti digitali. Il l'accoppiamento del rumore tra le parti digitali e analogiche può essere ridotto con un adeguato isolamento dalle masse analogiche.
- Nodo di terra del telaio: Questo nodo serve come percorso di sicurezza per le correnti di guasto e collega il piano di massa del PCB al telaio o all'involucro, proteggendo il circuito dalle interferenze elettromagnetiche esterne.
Funzioni del piano di terra
Anche un semplice PCB a doppio strato è meglio se dotato di uno strato di messa a terra, in quanto il progetto offre diversi vantaggi：.
Soppressione del rumore e delle EMI
I motori, i microcontrollori e qualsiasi altro componente a commutazione rapida portano tipicamente a interferenze elettromagnetiche (EMI). Poiché il piano di massa assorbe le tensioni non uniformi, protegge i circuiti elettronici e impedisce l'ingresso di segnali errati, migliorare la stabilità del segnale. In a drone’s flight controller, the ground plane assists clear communication between the gyroscope and control board by reducing EMI caused by the brushless motors.
Integrità del segnale ad alta velocità
La distorsione dei segnali ad alta frequenza viene impedita da USB e HDMI utilizzando un piano di massa come riferimento stabile. Un piano di massa riduce i problemi causati dalle differenze di impedenza del segnale. Il Raspberry Pi utilizza un piano di massa affidabile per evitare la perdita di qualità video su lunghi cavi HDMI.
Gestione termica
Piani di terra assorbire la maggior parte del calore dal circuito della scheda so that it doesn’t stay there and cause damage. A good example is how LED in car headlights, which depend on the ground plane to dissipate heat.
Riferimento di tensione stabile
La stabilità del segnale dipende dai piani di massa, poiché i segnali vanno dalla sorgente alla sorgente. componente elettronico nel circuito stampato e poi a terra. Ad esempio, un microcontrollore con connessioni wireless e sensori funziona correttamente solo se il collegamento a terra è sempre lo stesso.
Come progettare un piano di terra efficace
Strumenti di progettazione come Altium Designer, KiCad e altri sono tipicamente utilizzati per creare i livelli di terra. Prendendo Altium Designer come esempio, nella sezione seguente ELE descriverà come creare un livello di terra e offrirà alcuni suggerimenti utili.
Fase 1:
Progettazione schematica
Fase 2:
Progettazione del layout della PCB
Collegate i pin dei componenti che richiedono la messa a terra al simbolo di terra (GND) nello schema. È possibile creare un simbolo di terra e denominarlo "GND" utilizzando il comando “Porta di alimentazione“ nel "Luogo" menu.
Posizionare il simbolo di terra in modo appropriato durante la fase di progettazione del PCB, in genere vicino al modulo di alimentazione o al bordo della scheda. Successivamente, si costruisce lo strato di messa a terra utilizzando l'opzione "Poligono" dallo strumento "Luogo" menu. Disegnare un poligono chiuso sul PCB utilizzando lo strumento "Poligono", quindi riempire il layer di messa a terra.
Fase 3:
Collegare lo strato di terra
Passo 4:
Esaminare e migliorare
Collega il simbolo di terra al livello di terra. Per collegare il livello di massa ai pin del componente, usare "Instradamento interattivo" strumento nella sezione "Percorso" iniziando dal simbolo di terra e spostandosi lungo i bordi o l'allineamento interno del PCB.
Per verificare se il progetto dello strato di messa a terra è conforme alle linee guida per la progettazione, utilizzare la funzione "Editor di regole e vincoli" situato nella "Design" menu. È possibile regolare parametri quali la larghezza, la spaziatura e le perforazioni. È inoltre possibile utilizzare il menu "Visualizzatore 3D" nel "Strumento" per visualizzare il modello 3D del PCB e verificare se la disposizione dello strato di messa a terra è ragionevole e se ci sono cortocircuiti, circuiti interrotti e altri problemi.
Suggerimenti pratici per il design
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Piani di terra solidi o piani di terra divisi?
Il piano di massa deve essere separato per gestire le correnti di ritorno o ridurre il rumore? In realtà, è è meglio realizzare l'intero strato come terra e tenerlo più vicino all'isolamento interno della scheda. I dispositivi elettronici che producono alte frequenze e segnali veloci dipendono da un piano solido, quindi la corrente di ritorno può prendere il percorso più semplice possibile.
Se i piani di massa sono separati e ci sono spazi vuoti nel percorso della corrente di ritorno, questo può danneggiare integrità del segnale e aumentare il rumore. Evitate di separare gli strati di terra, a meno che non dobbiate riparare le parti sbagliate o che i dispositivi elettronici siano molto rumorosi.
Consider splitting the ground layer PCB into two sections: digital and analog. I segnali analogici devono essere disposti nella parte analogica e i segnali digitali nella sezione digitale. In questo scenario, la corrente di ritorno digitale rimane al di sotto delle tracce dei segnali digitali ed è assente dalla parte analogica del piano di massa.
Utilizzare le linee di terra in modo strategico
Diversi strati di terra in una scheda multistrato sono collegati tra loro da una terra vias. Quando si cambia il layer in un PCB, per garantire l'efficienza, mettere i vialetti di terra vicino ai vialetti di segnale. Di conseguenza, i progettisti di PCB possono garantire una migliore qualità del segnale e ridurre le EMI.
Attuare una corretta Disaccoppiamento
È molto pratico collocare un condensatore di disaccoppiamento tra le connessioni di terra e di alimentazione della scheda.con conseguente migliore stabilità delle tensioni dei componenti del circuito stampato. I condensatori di disaccoppiamento sono in genere posizionati in prossimità dei pin di alimentazione dei circuiti integrati per ottenere i massimi benefici.
Evitare i loop di terra
I loop di massa si verificano quando sono disponibili diversi percorsi per il ritorno di corrente, causando disturbi, problemi di segnale e distorsioni. Per evitare che ciò accada, collegare il punto di messa a terra a un punto particolare, a volte chiamato messa a terra a stella.
Problemi e soluzioni comuni
Una progettazione irragionevole del piano di massa può provocare segnali instabili, gravi interferenze di segnale e altre interferenze. fallimento. Come riferimento, la tabella seguente elenca i problemi più comuni e le relative soluzioni:
| Problema | Descrizione | Impatto | Soluzione |
| Piani divisi in progetti ad alta velocità |
Le tracce ad alta velocità instradate su piani di massa frammentati interrompono il flusso di corrente di ritorno |
Perdita di integrità del segnale, diafonia e amplificazione EMI |
Utilizzo piano di massa solido sotto le tracce ad alta velocità |
| Posizionamento inadeguato della via |
Vialetti di terra insufficienti o mal posizionati con aree di rame sottodimensionate |
Radiazioni EMI eccessive e spreco di energia a causa dei picchi di impedenza |
Distribuire vialetti multipli di terra attraverso gli strati + utilizzare un piano di massa in rame più grande per percorsi a bassa impedenza |
| Interferenze a segnale misto |
Rumore digitale (dalle MCU) che contamina gli ingressi analogici sensibili (ad esempio, i sensori) |
Letture imprecise dei sensori e corruzione del segnale |
Piano di terra divisorio in sezioni analogiche/digitali + connettersi sotto ADC/DAC |
Conclusione
La padronanza del progetto del piano di massa è essenziale per una Funzionamento senza problemi del PCB. Offrono un percorso eccellente per trasporto delle correnti di ritorno, consentono la rimozione del calore e riducono il rumore elettromagnetico. La creazione di un solido piano di massa garantisce un funzionamento impeccabile dell'intero circuito, sia esso analogico o digitale.
Siete pronti a progettare un piano di massa efficace? Contatto ELE PCB per una revisione del progetto. I nostri ingegneri esperti:
- Verificare l'integrità del piano di massa
- Ottimizzare la collocazione dei passaggi per la producibilità
- Garantire la conformità dell'integrità del segnale
Trasformiamo la vostra visione progettuale in realtà, ottenendo un PCB con piano di massa economico e affidabile!
Domande frequenti
A1: I segnali nei circuiti ad alta velocità e ad alta frequenza devono essere mantenuti e il rumore deve essere ridotto utilizzando un piano di massa nel progetto. Anche se non è un requisito per i circuiti stampati a bassa velocità, la progettazione con un piano di massa migliorerà le prestazioni delle schede e ridurrà il rumore alle basse velocità.
A2: Un piano di massa è un intero strato di rame collegato alla terra, mentre un riempimento di terra è una sezione di rame su uno strato di segnale collegato alla terra.
A3: Sì! Per schede a 2 strati dal costo contenuto:
- Utilizzare versamenti di rame su entrambi gli strati
- Aggiungere la cucitura attraverso ogni λ/10 (λ = lunghezza d'onda del segnale)
- Assicurare una copertura in rame >80% per ridurre le EMI.
A4:
Piano di terra: Strato pieno dedicato (impedenza inferiore)
Colata di terra: Riempimento di rame su strati di segnale (richiede una cucitura)
I multimetri possono mostrare una bassa resistenza tra i punti di massa. A questo scopo si può usare anche l'oscilloscopio per misurare il rumore.
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