Optimieren Sie den Signalrückleitungspfad mit Entkopplungskondensatoren in einer zweischichtigen Platine

Ich entwerfe ein ziemlich komplexes zweilagiges Board - ich sollte mich wirklich für ein vierlagiges entscheiden, aber darum geht es hier nicht. Ich bin mit dem Platzieren und Verlegen von Komponenten fertig und mache den letzten Schliff, z. B. um sicherzustellen, dass die Grundebenen den größten Teil des Bretts bedecken und gut zusammengenäht sind (auch bekannt als Bodengitter).

In bestimmten Bereichen sind Signalspuren (z. B. SPI) über einer Grundebene angeordnet, dann eine Stromspur (14 V) und dann eine andere Masseebene. Ich kann diese Stromspur auf keinen Fall aus dem Weg räumen, daher dachte ich, ich könnte die Signalrückströme durchlassen, indem ich einige Entkopplungskondensatoren (100 nF) zwischen der Stromspur und den Masseebenen direkt unter meinen Signalspuren habe.

Hier ist ein Bild von dem, was ich denke:

Ist dies eine gute Idee, um die Signalschleifenfläche zu reduzieren und die EMI zu steuern?

Ich sehe keinen Sinn für all diese Komplexität und ich bin sicher, dass das Hinzufügen von Kondensatoren das Rauschen der Schaltung erhöht. Digitale Signale, die eine Stromspur durchlaufen, sind nicht kritisch, solange Sie Entkopplungskondensatoren neben den mit Strom versorgten Geräten platzieren. Die digitalen Signale sind relativ schnelle Flanken und sollten die Leistungsspur nicht stark beeinflussen. Die meisten ICs haben auch eine gemeinsame Rauschunterdrückung an ihren Stromversorgungsstiften, so dass dies wirklich keine große Sache ist. Außerdem ist Ihre SPI-Kurve senkrecht zur Leistungskurve, was bedeutet, dass das Übersprechen minimal ist.

— Lucas92

Ich bin nicht so besorgt über die Signalintegrität oder die Kopplung zwischen Spuren, das ist nicht der Punkt meiner Frage. Der Signalrückweg ist ziemlich lang und nicht direkt unter den Signalspuren, was normalerweise empfohlen wird. Ich erinnere mich, dass ich über die Technik gelesen habe, die ich bei USB-Signalen anwenden möchte, und einige Anwendungshinweise empfohlen habe, Kondensatoren zu verwenden, damit der Rückstrom so nahe wie möglich an den Signalspuren auf der anderen Schicht fließt.

Oh, du machst dir Sorgen um den Bodenrückweg. Ich habe die Frage falsch verstanden. Da bin ich mir nicht sicher, werden Sie wahrscheinlich der Stromspur Rauschen hinzufügen, oder?

— Lucas92

Das frage ich mich auch. Die Ströme sind sehr klein und die Stromspur wird in der Nähe jedes angeschlossenen ICs (Bypass-Kappen) gefiltert, sodass ich nicht sicher bin, ob dies ein Problem darstellt.

Aber wenn Sie dies auf diese Weise tun, wie wird die DC-Referenz auf die lokale GND-Masse eingestellt? Sie benötigen eine weitere Ablaufverfolgung für die DC-Referenz?

— Lucas92

Sie haben Recht mit Ihrem Verständnis. Der Rückstrom von jedem Signal möchte dem gleichen Pfad wie das Signal selbst unter Verwendung einer benachbarten Masse oder Leistungsebene folgen. Wenn die Grundebene gebrochen ist, findet sie immer noch einen Weg zurück zur Signalquelle, jedoch auf einem längeren, weniger optimalen Weg, was zu höheren Emissionen und einer schlechteren Immunität führen kann. Ob dies ein Problem in Ihrem Design ist, hängt von vielen Faktoren ab, wie z. B. der Taktrate der Signale und vor allem der Geschwindigkeit ihrer Kanten.

Wenn Sie der Meinung sind, dass dies ein Problem sein könnte (und vermutlich auch), ist die beste Lösung die Verwendung einer 4 oder mehrschichtigen Platte, sodass Sie eine ungebrochene Grundebene haben. Mit einer 2-Lagen-Platine können Sie eine 0805- oder 1206-Null-Ohm-Verbindung hinzufügen, um die beiden Masseebenen an der Stelle zusammenzufügen, an der sie unterbrochen sind, um den aktuellen Rückweg bereitzustellen.

— Steve G.
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Ich dachte auch. Ich könnte mich in der nächsten Iteration meines Prototyps für ein 4-Lagen-Board entscheiden, aber derzeit ist dies keine Option (und die EMI-Konformität ist noch kein Problem). Der durch die Stromspur erzeugte Schlitz ist zu breit, um ihn mit Null Ohm zu überbrücken, daher meine Kondensatorlösung. Ich habe auch dieses Papier gefunden, das darauf hinweist, dass Kondensatorstiche nicht optimal sind, aber für Frequenzen (oder Kantengeschwindigkeiten) von weniger als 100 MHz geeignet sind.

Ich habe vergessen zu erwähnen, dass das oben verlinkte Papier zwei Referenzebenen direkt verbindet, während ich den Signalrückstrom durch eine Zwischenspur "leiten" müsste.

Ich denke nicht, dass Ihre Kondensatorlösung Probleme verursachen wird, ich denke nur nicht, dass es so gut ist, wie die Ebenen direkt mit 0R zu nähen.

— Steve G