¿Una red Vdd en forma de estrella reducirá las oscilaciones del suelo?

No veo ningún defecto en la lógica de esa publicación. Las corrientes de retorno de alta frecuencia se limitarán al área debajo del punto de estrella (la publicación se refiere a él como un plano local). No puedo decir nada acerca de que EMI se cancele entre sí, pero la longitud reducida de la antena definitivamente reducirá su ganancia.

Dicho esto, el autor de esa publicación ignora repetidamente los peligros del diseño de alta velocidad con esta topología. Por definición, si todos los elementos de alta frecuencia están aislados de la MCU, las señales de alta velocidad que salgan de la MCU tendrán velocidades de respuesta terribles y es probable que no cumplan con los requisitos del diagrama de ojo. Admite que solo las señales cercanas a DC dejarán el avión.

Como alguien comentó, no hay almuerzo gratis. Debe haber una advertencia general de que esto solo es adecuado para baja velocidad. En pocas palabras, si alguna de sus señales de comunicación requiere control de impedancia, evite esta topología.

No está muy claro lo que estás preguntando:

Está usando un diseño de estrella en el plano Vdd

La estrella y el plano son mutuamente excluyentes.

(con un suelo vertido a su alrededor)

Entonces, ¿ahora tienes Vdd conectado en estrella pero dentro del plano de tierra?

y dejando intacto el plano de tierra adyacente

¿Cómo es esto posible cuando ya introdujiste esta estrella Vdd que el suelo se vierte "alrededor"? Eso "rompe" el plano de tierra, o al menos deja una isla significativamente grande en él. De cualquier manera, ya no tienes un "avión" de tierra. Tu pregunta no tiene sentido.

Parece que puede estar preguntando acerca de la distribución de energía en una estrella versus alguna otra forma, como encadenada o alguna topología de ramificación arbitraria que se le ocurrió al enrutador automático. Hablaré de eso.

Lo primero para un buen rendimiento de EMI es tener un buen plano de tierra. Todas las fuentes de alimentación deben pasarse por alto localmente de todos modos. Estos bucles cortos desde el pin de alimentación del chip, a través de la tapa de derivación y de regreso al pin de tierra del chip transportan las corrientes de alta frecuencia producidas por el chip. Para un buen rendimiento general de EMI, estos bucles deben ser pequeños y esta corriente de bucle debe estar fuera del plano de tierra principal.

Para chips pequeños con pines de alimentación y tierra únicos, coloque la tapa de derivación lo más cerca posible de estos dos pines y dirija las conexiones directamente sin ir al plano de tierra principal. De todos modos, esto hace una mejor conexión ya que no hay vías en el bucle. Luego agregue una vía al plano de tierra principal, preferiblemente cerca del pin de tierra del chip.

Para chips más grandes con múltiples pines de tierra, conecte todos los pines de tierra entre sí y el lado inferior de todas las tapas de derivación, luego conéctelo a la tierra principal en un punto. Puede ser un plano local en una capa separada, pero no es necesario. En la mayoría de los casos, una configuración en estrella con la vía al suelo principal en el punto de estrella es lo suficientemente buena. Si el chip tiene un pin de tierra "principal", coloque la estrella y la conexión a tierra principal cerca de ese pin.

Una excepción a esto es si el chip tiene pines de tierra de "alimentación" y "señal" separados. De lo que hablo anteriormente es para manejar las importantes corrientes de energía de alta frecuencia producidas por el chip. Esto se aplica a los pines de "alimentación". Un pin de tierra de "señal" separado está diseñado como una referencia limpia y/o de alta frecuencia solo para señales. Eso debería estar conectado al plano de tierra principal con su propia vía cerca de ese pin. La intención es que las corrientes a través de este pin sean retornos de señales que van o vienen de otro lugar, por lo que no son locales en primer lugar. Esta referencia de tierra en toda la placa es una de las cosas para las que sirve el plano de tierra.

Nada de esto aborda directamente el problema, que se trata de la distribución de energía en toda la placa. Sin embargo, para comprender ese problema, la estrategia de puesta a tierra primero debe ser clara.

Con las alimentaciones de energía desviadas localmente como se describe anteriormente, las propiedades de alta frecuencia de la alimentación de energía global se vuelven menos importantes. Un beneficio adicional del diseño limpio de EMI es que se imponen menos demandas al sistema de alimentación de energía global. Puede evaluarlo sin preocuparse por el rendimiento de alta frecuencia, porque eso ya se soluciona con la derivación local.

Entonces, ahora el problema se reduce a la distribución de energía en frecuencias bajas a medias. Desde un punto de vista puramente DC, una estrella será mejor, pero tan poco que en la mayoría de los casos prácticos no importa.

Habrá un punto en la red de distribución de energía que esté bien regulado. Aquí es de donde el regulador toma su señal de retroalimentación. Por lo general, esto se encuentra en la salida inmediata de la fuente de alimentación o del chip regulador. Todo después de eso tendrá una caída de voltaje proporcional a la resistencia de CC del punto regulado y la corriente.

En una topología en estrella, el punto de estrella puede ser el punto bien regulado. Eso minimiza las dependencias de una caída de voltaje causada por un dispositivo en todos los demás. Si los rastros son lo suficientemente delgados y largos, y los dispositivos consumen suficiente energía, entonces esto es algo a considerar. Sin embargo, en la mayoría de los casos comunes, no vale la pena la restricción de enrutamiento adicional. Busque la resistencia de CC de, digamos, una traza de cobre de 20 mil de unas pocas pulgadas de largo. Ahora multiplique eso por el peor de los casos actual de su microcontrolador o lo que sea que dibuje. El resultado es la caída de tensión en el micro en relación con la salida de la fuente de alimentación. Esto es tan poco en la mayoría de los diseños ordinarios que no importa. Una diferencia de unos pocos mV en el voltaje de alimentación entre chips digitales en una placa no es significativa.

Por lo tanto, la respuesta es que, si bien una estrella pura es mejor para mantener la menor caída de energía en cada punto de uso, no vale la pena el costo de la restricción de enrutamiento adicional y la complejidad para la mayoría de los diseños comunes. En cualquier caso, no se trata de EMI, ya que eso se soluciona con una buena derivación local en cada punto de uso.

Por supuesto, no tiene por qué ser todo de una forma u otra. Acabo de hacer una placa de 5" x 9" con tres microcontroladores y un montón de otros circuitos a su alrededor. Esta placa también incluía una pantalla con luz de fondo que extrae 300 mA del suministro de 3,3 V. En este caso, ejecuté un seguimiento separado directamente desde la salida de la fuente de alimentación de 3,3 V a la luz de fondo, pero dejé que el enrutador automático conectara los otros puntos de uso de 3,3 V a través de cualquier ruta tortuosa que soñaba. Por supuesto, especifiqué que las líneas de alimentación de 3,3 V debían ser lo suficientemente anchas para manejar la corriente sin una caída significativa del voltaje. En este caso, 20 mil fueron lo suficientemente buenos. La luz de fondo consume más corriente que todos los demás dispositivos combinados.

Señales de alta frecuencia

Veo que una de las otras respuestas se opone a este esquema para señales de alta frecuencia. Creo que el problema es que se malinterpretó lo que estaba recomendando.

La señal de alta frecuencia entre chips o subsistemas tendrá sus corrientes de retorno a través del plano de tierra. Para eso está el plano de tierra. Afortunadamente, los componentes de mayor frecuencia de estas señales seguirán automáticamente en el plano de tierra directamente debajo de las trazas de la señal, minimizando así el área general del bucle. A veces la física funciona a tu favor.

Esta es una razón por la que desea un plano de tierra , no solo un montón de puntos de tierra conectados. Con un avión, las corrientes de retorno pueden tomar el camino que quieran, que resulta ser el camino óptimo de todos modos. Esto también señala la métrica de un buen plano de tierra. Las vías y, a veces, los "puentes" cortos son agujeros en el plano de tierra. Lo que desea minimizar no es tanto el número de estos agujeros, sino su mayor dimensión. Con un montón de pequeños agujeros separados, las corrientes de retorno pueden fluir a su alrededor y aun así seguir en gran medida su camino preferido. Con algunos agujeros grandes en el plano de tierra, las corrientes de retorno tienen que salirse más de su camino para sortear los agujeros, lo que aumenta el área general del bucle de señal y la EMI que la acompaña. Peor de los casos,

Volvamos a las señales de alta frecuencia y al método de tierra local. La red de tierra local es para contener las corrientes de bucle de alta frecuencia locales. Las corrientes de retorno para señales externas tienen que entrar/salir de la red local. Para señales de alta frecuencia, la conexión de la red local a la tierra principal, por lo tanto, no debe tener una impedancia significativa. La forma en que esto se soluciona es mediante una buena ubicación de la vía que conecta la tierra local con la tierra principal.

Cuando la vía local a tierra principal está al lado del pin de tierra, obtienes lo mejor de ambos mundos. Tenga en cuenta que si no estuviera usando una red de tierra local, también colocaría una vía al lado del pin de tierra. La ruta de retorno de las señales es la misma en ambos sentidos. Una red terrestre local no resta valor al rendimiento de la señal de alta frecuencia, ya que esas señales toman el mismo camino con cualquier estrategia de diseño.

La diferencia entre las dos estrategias de diseño es el camino que toman las corrientes eléctricas locales de alta frecuencia . El método de tierra local los mantiene fuera del plano de tierra global, evitando que sea una antena de parche alimentada por el centro. Las corrientes de tierra de la señal van directamente desde el pin de tierra, a través de una vía, a la tierra principal de cualquier manera.

Las redes de tierra locales permiten el mismo rendimiento de la señal de alta frecuencia que conectar todo a la tierra principal con su propia vía.

La potencia en forma de estrella Vdc no afecta la resonancia del plano de tierra. Pero puede reducir la longitud de la ruta en Vdc. La inductancia está determinada por la relación largo/ancho y Zo está determinada por la relación entre el ancho del conductor y el espacio del plano de tierra.

Los planos de potencia son inútiles si hay un gran contribuyente dI/dt colocado sin cuidado en el tablero. Debe estar más cerca de la entrada de fuente desacoplada de ESR y ESL bajo que el desacoplamiento de LC distribuido al resto de la placa mediante trazas o a través de inductancia de estrangulador y tapas referenciadas al plano de tierra en el chip.

Los planos de potencia son útiles cuando las cargas de capacitancia conmutadas por FET causan ruido transitorio, cuando se distribuye ampliamente con alta potencia.

Algunos chips e híbridos de RF aún pueden requerir blindajes si las dimensiones de la placa son > 1/10 de longitud de onda y los planos de tierra se convierten en radiadores no intencionales.

La inductancia de traza de potencia siempre está determinada por la relación de aspecto, por lo que un área cuadrada de Cu es siempre la misma, sin importar cuán grande o pequeña sea, y la capacitancia de acoplamiento puede brindar la ESR más baja cuando el dieléctrico es más delgado. Pero estos son casos especiales con placas base grandes y complejas que necesitan planos de potencia.

Cuando se utilizan varias capas para poner a tierra varias vías por alimentación, reduzca el ESL de ~ 1 nH de la vía cuando el ancho de banda espectral es grande. Más microvías son mejores que una grande y deberían ser cada 1/10 de longitud de onda considerando lambda para f=1/3Tr con tiempo de subida, Tr. Esto también es común en diseños de radio >1GHz.

Los métodos de diseño Stripline y Microstrip reducen la impedancia de la pista y reducen el acoplamiento errante a las señales cercanas (muchos métodos diferentes).

Así que determine dónde está el radiador no intencionado dI/dt más grande y el receptor susceptible de impedancia más alta y cree protectores de tierra para absorber las corrientes capacitivas e inductivas perdidas al plano de tierra. Use protección activa en las señales para reducir la capacitancia y el ingreso de EMI.

Use barras colectoras cuando sea apropiado para alimentar cargas de alta corriente conmutada. Use redes de energía en estrella o vertidas con la red lo más grande posible cerca de la fuente del regulador que está a su vez cerca de la entrada de energía al tablero. cuyas entradas están desacopladas por estranguladores en serie o perlas de ferrita para minimizar dI/dt.

Hay efectos de campo cercano de diafonía y efectos de campo lejano para restricciones EMI. Ambos deben ser considerados en cualquier diseño simultáneamente

Todos los huecos, ranuras y trazas se consideran antenas para las señales que transportan.