Enrutamiento de PCB: ¿aislar los pines de orificio pasante para forzar el enrutamiento a través de condensadores de desacoplamiento?

Soy un principiante en el diseño de PCB y tengo una pregunta sobre cómo desacoplar el enrutamiento de capacitores en diseños de orificio pasante. Sé que en el diseño de SMT, la mejor práctica es colocar los capacitores lo más cerca posible del pin de suministro y enrutar la energía desde su fuente (línea o plano de suministro) primero a través del capacitor y luego al pin, algo así:

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En un diseño de orificio pasante, podríamos comenzar así, antes de verter los planos de potencia y tierra (ejemplo en EAGLE):

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Ahora, cuando vertemos el plano de potencia, obtenemos esto por defecto:

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Tenga en cuenta que, dado que tanto el pin del condensador como el pin de suministro del IC están en la red de +3,3 V, la herramienta de diseño (EAGLE) ha conectado ambos pines al plano. Mis preguntas son:

  • ¿Esto realmente importa? Creo que la mejor práctica estándar es forzar la conexión al suministro para que pase por el capacitor antes de que llegue al pin.

  • Si realmente importa, y creo que sí, ¿hay alguna manera en el software típico de PCB (EAGLE en mi caso) para evitar que conecte el pin de suministro del IC al avión, de modo que el avión solo se conecte al pin del capacitor? y de allí a través de la pista al pin IC? Sé que podría dibujar manualmente un polígono de exclusión para bloquear el vertido del polígono en el área alrededor del alfiler, pero sería un proceso muy tedioso hacerlo a mano para cada alfiler. Mi opinión es que si esto es realmente importante desde el punto de vista eléctrico, la mayoría del software de PCB debería ofrecer una forma de lidiar con esto.

  • ¿Las respuestas a #1 y #2 también se aplican a los pines GND? En este ejemplo, ¿sería mejor (a) conectar los pines GND del capacitor y del IC al plano y no molestarse con un rastro, o (b) rastrear desde el IC al pin GND del capacitor, y conectar el pin GND del capacitor al avión GND?

Creo que el escenario entre el SMD y el diseño de orificio pasante es diferente: el diseño SMD obviamente no tiene un plano VCC o GND en la parte superior, ya que podría ser un diseño de 4 capas, pero el problema sería idéntico en placas de 2 capas. En una placa de 2/4 capas, ¿no sería mejor tener una conexión directa al plano de potencia porque es posible a través de las patas de los componentes y tener una tapa cerca también directamente en los planos de potencia, que tener cables largos y delgados con inductancia parásita? ¿Primero va al condensador que luego se conecta directamente a los planos de potencia? En un diseño SMD será diferente ya que debe tener vías.
¿Cómo es que ha enrutado GND en lugar de que la parte inferior (o capa interna) esté dedicada a GND?
@winny Eso es parte de la pregunta, vea el último punto. Además, estas imágenes son solo para ilustración (las dibujé únicamente para ilustrar la pregunta, no es un diseño real).
@Justme "¿No sería mejor..." No sé, espero que un experto pueda decirme :) Esta pregunta es sobre tableros de más de 4 capas o al menos tableros donde hay planos de energía dedicados. En una placa de 2 capas donde la energía generalmente se enruta en los rastros, esta pregunta no se aplicaría, como usted dice.
En ese caso, dedique al menos una capa a tierra y simplemente ejecute una vía al lado de cada pin GND de cada capacitor e IC a esa capa de tierra. Si tiene una placa de cuatro capas, considere una capa Vcc.
@winny Lo siento, no estoy seguro de seguir. Mi pregunta habla específicamente sobre el orificio pasante en tableros con planos de alimentación y tierra (capas). Por lo tanto, no deberían ser necesarias vías, ¡ya hay agujeros (PTH)! La pregunta es si es necesario aislar los pines de alimentación IC (y tal vez incluso a tierra) de esas capas para forzar la ruta actual a través de la decap para llegar a los pines IC. Y si es así, si hay formas fáciles de hacerlo en el software de diseño (uso EAGLE, pero también me interesaría información sobre Altium, etc.).
¡Oh! Lo siento, te entendí mal entonces. No es necesario enrutar GND a menos que haga un radar, teléfono celular o similar donde podría ocurrir un caso extremo. ¿Por qué estás usando el agujero en 2021?
@winny No, actualmente solo estoy interesado en velocidades de hasta alrededor de 100 MHz ... así que no hay consideraciones de RF de velocidad ultra alta, sé que las cosas se vuelven mucho más complicadas allí. Y se trata más de energía que de conexión a tierra, porque no aislar los pines del IC viola lo que actualmente conozco como la mejor práctica en el mundo SMT, que es enrutar a través de la decap hasta el pin, no al pin y luego a la decap. ¿Por qué TH en 2021? Porque estoy haciendo prototipos de placas y, aunque puedo hacer soldadura SMT simple, preferiría no hacerlo (y definitivamente preferiría no pagar a una casa de placas para que me la ensamble si es posible).
Cada vez que elimina un camino para la corriente, está AUMENTANDO LA IMPEDANCIA. El objetivo del bypass es reducir la impedancia. Esto significa que las vías al plano deben estar lo más cerca posible de las plataformas y deben conectarse al plano. Si la tapa está cerca del pin/pad, entonces pueden compartir una vía. Tanto la almohadilla de tierra como la almohadilla VCC deben estar cerca de los pines del IC. No se concentre en VCC e ignore GND. En caso de duda, agregue más vías o conexiones, no menos.
Básicamente, no, no intentes "forzar" la corriente de derivación para que tome un camino más largo. Deja que fluya hacia el avión por el camino más corto posible.

Respuestas (3)

La verdad del asunto es que realmente no importa si la corriente "golpea" el capacitor antes que el pin del IC o no. Esto se ha debatido durante mucho tiempo y estudios recientes han sugerido que simplemente tener el capacitor colocado cerca del IC es suficiente. Dave Jones del EEVBlog hizo un video para ayudar a ilustrar esto, pero ciertamente no es el único. Creo que Rick Hartley, uno de los principales expertos mundiales en diseño de tableros de alta velocidad, también ha demostrado que realmente no importa el orden en que la corriente "golpea" los pines. En la mayoría de los casos, en realidad se prefiere tener el capacitor conectado al pin IC a través de un plano, ya que es una inductancia más baja que una traza discreta.

Aquí está el video de Dave Jones: https://www.youtube.com/watch?v=1xicZF9glH0

Es un video muy revelador, gracias. He visto algunos de los otros videos de Dave Jones y me encanta su canal. Según este razonamiento (y a partir de la demostración), creo que debería plantar los decaps lo más cerca posible de los pines IC relevantes y permitir que ambos pines entren térmicamente en los planos: la corriente se resolverá sola. No hay rastros explícitos (ya que tenemos energía ininterrumpida/sólida y planos de tierra, ¡al menos tan ininterrumpidos como sea posible dado un diseño de orificio pasante! ¡Ininterrumpido por rastros de señal al menos!). ¿Es esa tu opinión también?
@TypeIA Estoy de acuerdo, no hay necesidad de rastros discretos. En otra nota, nunca los he oído referirse como "decaps". Son condensadores de desacoplamiento . ¿Es "decaps" un término real? Más una pregunta para el resto de la comunidad, de verdad.
Gracias de nuevo. "Decap" es solo jerga, que yo sepa, pero aparece en muchos círculos e incluso en artículos académicos . Übrigens, mir gefällt dein Nombre :)
@DerStrom8 "desencapsular" significa eliminar la encapsulación o el paquete de un IC para examinar el dado directamente. Nunca he oído que se use para desacoplar condensadores.
@mkeith citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/… "Los condensadores de desacoplamiento (desencapsulación) se utilizan a menudo para filtrar el ruido en el sistema de distribución de energía (PDS)".
Esta respuesta sugiere que la diferencia es pequeña: conexión de pin de alimentación IC para inmunidad al ruido y desacoplamiento . He estado investigando este tema durante un tiempo y hay bastante información contradictoria en Stack Exchange.

Lo único que importa es que mantenga baja la inductancia de su arreglo de pista. La inductancia depende del área entre las pistas de un circuito de bucle cerrado (y sin importar qué más se coloque dentro).

Así que lo mantiene bajo enrutando pares de esta manera ][ y no de esta manera [ ].

Esto tiene sentido, por lo que se reduciría a seleccionar la opción que resulte en el área de bucle más pequeña. La corriente sigue la ruta de menor impedancia (compleja), por lo que la conexión a través de un plano presenta la impedancia más baja a lo largo de la ruta en línea recta (área de bucle pequeño) entre los dos pines, o tenemos que forzarla a seguir la línea recta / ruta de área de bucle bajo a través de un rastro? De la respuesta de DerStrom8, supongo que en realidad es lo primero.
Para los materiales, dimensiones y frecuencias (<GHz) involucradas, no hay diferencia. Es posible que desee revisar eso para las pistas de alimentación de la antena, o cuando se trata de piezas de hierro. (Como regla general, no tenga los bucles más delicados alrededor de los agujeros de los tornillos. Pero, de nuevo, no los separe en absoluto).
@TypeIA: "La corriente sigue la ruta de menor impedancia (compleja), por lo que la conexión a través de un plano presenta la impedancia más baja a lo largo de la ruta en línea recta (área de bucle pequeño) entre los dos pines", en general, sí. El inconveniente de este enfoque es que, si tiene cuidado o es paranoico, terminará con una densidad de componentes bastante baja, ya que está manteniendo otros componentes alejados de la probable ruta de retorno.
@WhatRoughBeast Sí, eso también ha estado en mi mente, pero creo que es manejable. Otro colaborador me preguntó "por qué TH en 2021" y la respuesta es que solo estoy haciendo prototipos en este momento donde hay valor en la simplicidad de TH para algunas partes (no todas). Y la baja densidad para un prototipo también está bien. En un diseño de producción, simplemente iría a SMT y los empaquetaría. ¡Gracias por la información!
@TypeIA: según su nivel de paranoia, debe tener en cuenta que el camino de regreso en un plano de tierra no es un camino infinitamente delgado. Más bien, obtiene un nivel de corriente máximo a lo largo del camino más corto, con una corriente decreciente a medida que se aleja de ese camino, pero en principio obtiene alguna contribución arbitrariamente lejos del camino principal. Piense en el avión como un montón de cables más o menos paralelos dispuestos desde el camino más corto. Los caminos más largos tienen mayor resistencia y menos corriente, pero conectan los dos puntos.
@TypeIA: del mismo modo, todas esas rutas paralelas proporcionan una resistencia total más pequeña (después de todo, están en paralelo) que la ruta central más delgada.

Hace mucho tiempo leí "Técnicas de diseño de PCB EMC" de Mark Montrose, y creo que sigue siendo una buena lectura.

En el fondo, la impedancia del bucle de corriente es importante, y eso incluye la inductancia inducida por las trazas que se crean específicamente para garantizar que la carga del condensador se utilice principalmente para el circuito integrado que está desacoplando. Esos rastros en realidad pueden disminuir el rendimiento. Mark Montrose escribe "Maximizar el ancho físico de la conexión desde el condensador a los planos minimiza la inductancia total del bucle". Las vías también agregan inductancia.

Entonces, en el caso general, para fines de desacoplamiento de alta frecuencia, preferiría una conexión plana en lugar de rastros dedicados. La corriente "encontrará" el bucle más corto de todos modos.

Sin embargo, hay un caso en el que agregué un seguimiento dedicado para el desacoplamiento, y en realidad era un problema de "baja frecuencia".

Tenía un circuito que usaba una tarjeta SD para almacenar los resultados de varias mediciones. Por lo que recuerdo, la tarjeta SDC estaba perturbando el circuito cuando se encendió y causó perturbaciones en las mediciones en las que buscábamos cambios muy pequeños en los valores.

Así que terminé agregando una perla y una red para poder enrutar rastros VCC y GND separados hasta la tarjeta SDC directamente desde la salida del LDO.Alimentación de la tarjeta SD

Puede ver las trazas adyacentes en la PCB, la traza GND hasta C33 y la traza VCC hasta L3.

Rastros de energía separados

El LDO está al otro lado del tablero, entre los dos agujeros a la izquierda de "SHDN" en el cuadrado blanco. Es desde esa área que los rastros conducen a la tarjeta SD.

IHMO, este fue un problema de condensador "a granel" de baja frecuencia en lugar de un problema de desacoplamiento de HF.

Moting

Esta técnica consiste esencialmente en crear áreas con un plano de tierra local. Esto es algo que nuestro grupo de diseño solía hacer. Más por razones históricas que por cualquier prueba que yo haya visto. Por lo general, el circuito del oscilador tendría un plano de tierra local separado del resto del circuito, excepto por el área pequeña ("puente") donde pasan todas las señales (en particular, la señal de potencia, tierra y reloj).

Esta disciplina es útil para ayudar a evitar rastrear cualquier línea de señal crítica debajo o cerca de las líneas del reloj, pero no es suficiente. Nos topamos con desórdenes importantes cuando la línea de video analógica verde estuvo al lado de la línea del reloj por unos 10 centímetros. Todo funcionó bien hasta que nos pusimos asíncronos, momento en el que apareció la diafonía.

Bucle de corriente aumentado para evitar corrientes maliciosas

También experimenté un caso práctico en el que teníamos una placa secundaria, con muchos condensadores de desacoplamiento, pero solo unas pocas conexiones GND no distribuidas a la placa principal. La corriente de retorno resultante de los cambios de salida no siguió la ruta GND, sino que usó las líneas de señal en su lugar, lo que resultó en cambios de 2Vpk-pk en ellas. Los 0 se convirtieron en 1 y viceversa en momentos equivocados.
Mejoré eso recreando una conexión de plano GND con la placa principal, antes de resolver el problema reemplazando la conexión del reloj con un cable trenzado.
Eso aumentó el bucle de corriente para la corriente de retorno, de modo que la señal del reloj se mantuvo limpia. El resto ya no importaba ya que todas las salidas cambian después del reloj limpio (ed) y se estabilizan antes del siguiente ciclo de reloj. Nuestros prototipos se arreglaron simplemente agregando este cable trenzado en lugar de la conexión del reloj del conector.

Hay mucho más que contar, pero bueno, para eso hay al menos un libro, varios cursos, etc. ;-), ¡y práctica!