Rutas de retorno a tierra versus bucles a tierra en el enrutamiento de PCB digital

Tengo una PCB de dos capas, donde no tengo la libertad de agregar planos de potencia. (Sin embargo, potencialmente podría agregar tierra o vertidos de energía). Mi problema es que estoy tratando de decidir si debo usar una topología en estrella estricta para enrutar la energía y la tierra a cada IC, o también agregar rutas de retorno a tierra adicionales para la señalización entre los IC.

Para ilustrar mi punto:

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En la imagen, el ROJO corresponde a las trazas de alimentación y el negro corresponde a las trazas de tierra que se encuentran actualmente en la PCB. Los rastros grises (también resaltados en amarillo) son los rastros de tierra adicionales que estoy considerando agregar entre los circuitos integrados para que sirvan como rutas de retorno para la señalización de datos entre los circuitos integrados (principalmente i2c y spi).

Estoy dividido entre agregar estos rastros adicionales debido al potencial de crear un bucle de tierra. Sin embargo, es posible que también deba proporcionar una ruta de retorno para las líneas de datos entre los circuitos integrados.

¿Qué es mejor? ¿Cómo resuelvo este problema de bucles de tierra versus rutas de retorno?

Como pregunta adicional, aunque no es económicamente factible, ¿vale la pena intentar pasar a una PCB de 4 capas? ¿Cuándo determina si debe pasar a la PCB de 4 capas?

¿Tiene componentes ruidosos en esta placa, como una fuente de alimentación conmutada o algo que sea extremadamente sensible al ruido como el analógico? Estoy confundido por qué cree que necesita más rastros de tierra, por lo general, cosas como la MCU tienen múltiples terrenos y límites de desacoplamiento para problemas de ruido. ¿Puedes agregar un esquema real?
Puede suponer que la "isla de alimentación" consiste en una fuente de alimentación conmutada (1-3MHz, junto con los pasivos necesarios, como inductores, mlccs de alto valor, etc.). Cada IC, incluido el MCU, el controlador de pantalla y el IC del sensor, tiene más de 2 pines de conexión a tierra. Básicamente, el suelo se divide para alimentar estos dos pines a medida que se acerca al IC. Cada IC tiene las tapas de derivación adecuadas, según lo recomendado por las hojas de datos, que normalmente son 0,1 uF, 1 uF o 10 uF. Esta es más una pregunta teórica, sin un esquema todavía, solo algo que encuentro y pienso de vez en cuando.
Los rastros de tierra adicionales que estoy considerando agregar son para agregar una ruta de retorno más corta para las líneas de datos que entre la MCU y los otros circuitos integrados.
¿Está diciendo que no necesitan una ruta de retorno (como un plano de tierra debajo) porque no transportan mucha corriente (solo señalización de voltaje)? He oído hablar de tomar nota de las "rutas de retorno" entre los circuitos integrados; siempre pensé que se refería a la señalización... ¿Cuándo debemos preocuparnos por las rutas de retorno en lo que respecta a la señalización entre los circuitos integrados?
Sigo creyendo que, en términos de SPI e I2C, las rutas de retorno siguen siendo relevantes. Consulte esta pregunta y respuesta: electronics.stackexchange.com/questions/259304/…
@RonBeyer todo tiene una 'ruta de retorno', pero para cosas de baja velocidad como I2C, la importancia de tener una ruta de retorno intrincada demasiado larga no suele causar problemas, es decir, 'debería estar bien' suele ser cierto. El hecho de que la mayoría de la gente se salga con la suya no es una razón para decir que no importa. Divertidamente, las señales diferenciales son donde no necesita una ruta de retorno (tierra), ya que la salida y el retorno están integrados en el medio de señalización de dos pistas enrutadas juntas. Por favor, no confunda el OP, ya hay suficiente confusión.
@RonBeyer si una señal no tiene una ruta de retorno, ¿qué le sucede cuando llega a su destino? ¿Simplemente anda por ahí fumando un cigarro? He visto de primera mano cuando EMC prueba cuán importantes son las rutas de retorno, incluso para señales de un micro que solo controlaba algunos interruptores analógicos; las señales se enrutaron sobre un espacio entre dos planos de tierra. Simplemente uniendo los dos aviones debajo de las vías para dar un camino de regreso más corto cambió el tablero de fallar a pasar. Neil da muy buenos consejos.
El problema con las líneas diferenciales es que el tipo habitual de cosas como LVDS no están tan bien balanceadas o tan diferenciales, IIRC LVDS solo garantiza un voltaje de modo común aproximadamente 20dB por debajo del voltaje diferencial, que es mucho mejor que nada, pero aún así radiar si no proporciona un retorno a través de un plano de referencia.

Respuestas (1)

Si las señales entre los circuitos integrados digitales son de "alta velocidad", entonces sí, debe ejecutar las conexiones de datos y una conexión a tierra muy cerca una de la otra, o tener una diafonía considerable entre las partes de la placa y correr el riesgo de corrupción de datos. . Si 100kHz I2C calificaría para 'alta velocidad' es discutible, probablemente se salga con la suya, depende del tamaño de la placa.

Una forma de hacer esto es, como sugiere, ejecutar las líneas de datos directamente entre los circuitos integrados y ejecutar líneas de tierra con los datos.

Otra forma de hacerlo es ejecutar su sistema de tierra estelar original y ejecutar las líneas de datos a lo largo de las rutas de las conexiones a tierra reales.

Donde no tengo el lujo de un plano de tierra, y me mantendría absolutamente alejado de los "vertidos de tierra" si es posible, ya que son los peores de todos los mundos, utilizo un sistema de tierra cuadriculado. Esto es casi tan bueno como un plano de tierra. Las pistas de tierra (ya menudo Vcc) corren de este a oeste en la parte superior del tablero, de norte a sur en la parte inferior, y están conectadas en cada intersección por una vía. Esto hace que la conexión a tierra sea relativamente rígida, donde es fácil enrutar pistas de señales cerca de los conductores de tierra en todo momento.

Algunas personas le dirán que I2C no utiliza una ruta de retorno. Esto no tiene sentido, toda la señalización digital tiene que usar una ruta de retorno. La única pregunta es si la ruta de retorno está estrictamente controlada para funcionar con la señal, o si se permite que se desplace por el tablero y provoque posibles problemas.

Es cierto que con un sistema lo suficientemente lento, por lo general hay tiempo para que los malos transitorios se asienten antes de que se muestreen las líneas, por lo que podría salirse con la suya sin saberlo. Es más probable que se salga con la suya cuando el sistema es lento y muestreado, como I2C con bits. Es más probable que tenga problemas cuando el sistema está cronometrado en la interfaz, como SPI, ya que múltiples transiciones en la línea de reloj desplazarán bits de datos adicionales e incorrectos a los registros RX.

Gracias por tu gran respuesta. Mi otra preocupación es que después de agregar las trazas de tierra adicionales, también estoy creando más bucles de tierra, ¿puede ser esto un problema? Miraré en el suelo cuadriculado como sugeriste. ¿Cuánto espacio entre cada rejilla se recomienda? ¿Solo es necesario donde potencialmente podría ejecutar señales? ¿Es mejor ejecutar señales al lado de las huellas de tierra en la misma capa o directamente opuestas en otra capa?
'evitar bucles de tierra' solo es realmente un problema en el audio, donde la diafonía es detectable a un nivel muy bajo. En las tarjetas digitales, la tolerancia al ruido evita que sucedan cosas malas con los bucles, pero asegúrese de que cada señal tenga un retorno local. El espacio de la cuadrícula solo es necesario donde ejecuta señales y energía, aunque más cerca no duele. Adyacente o debajo realmente no importa para cosas de baja velocidad y alta velocidad como 10MHz SPI, pero cuando vas a 100s de MHz, optarías por una impedancia controlada, que es más práctica con rastreo sobre tierra.
Los bucles de tierra son significativos en cualquier cadena de señal donde la SNR se vuelve inadecuada debido a las corrientes y campos que interactúan. Deberá DIBUJAR los flujos de corriente y las rutas de retorno, y calcular las caídas I R y I Z, y los errores inducidos magnéticamente. Por lo tanto, a la gente le gustan los aviones, tal vez aviones con algunas rendijas colocadas inteligentemente que desvían las molestas corrientes lejos de las regiones delicadas, como cadenas de señales. Para digital de baja frecuencia, utilice la red densa como recomienda Neil_UK. Hace 25 años, vi a un tipo fabricar una placa de circuito impreso con enrutamiento automático para LPSTTL. Su camino de tierra era una cadena de margaritas.
Rutas de retorno a tierra versus bucles a tierra en el enrutamiento de PCB digital
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