Dudas sobre planos de tierra analógicos y de potencia

Al trabajar en una placa nueva, debo enfrentar algunos requisitos para garantizar el rendimiento de todo el sistema una vez fabricado. El PCB es de 4 capas y tiene componentes tanto analógicos como digitales. Pero el problema principal se debe a la conexión a tierra debido a la necesidad de tener convertidores de CC, un reductor (reductor, cuadrado rojo) y un elevador (boost, cuadrado rosa). Los PCB se dividen en:

  • L1: rastros de potencia y algunos rastros de señal.
  • L2: TIERRA.
  • L3: Huellas pignales.
  • L4: GND y un rastro de potencia que rodea la PCB (para evitar dividir el plano GND tanto como sea posible).

Vista inferior 3D

Bueno, las dudas vienen en la colocación de planos de tierra. Deben ser planos separados (analógicos y de potencia), pero al mismo tiempo deben estar unidos en un punto cercano a los circuitos integrados (convertidores de CC).

Entonces, ¿cuál sería la mejor opción para reducir el ruido ?

He pensado de dos maneras diferentes.

  1. Planos de tierra de alimentación en L1, rodeados por un plano de tierra analógico. Al mismo tiempo, conectados entre ellos a través de la matriz de vías thermpad de IC, en las capas L2, L3 y L4.
  2. Planos de tierra de energía en L1 y L2, rodeados por un plano de tierra analógico. Y conectado a los planos de tierra L3 y L4 a través de la matriz thermpad.
  3. Las mejores propuestas de solución son bienvenidas.

Además, el diseño incluye un cargador de Li-Ion más un indicador de combustible que, por el momento, están conectados al plano de tierra analógico.

  • Aprovechando este hilo, ¿sería mejor agregar escudos EMI para convertidores de CC para reducir la radiación?

EDITAR:

Entonces, atendiendo a sus sugerencias las mejores opciones son las siguientes:

Vista inferior 3D. Plano de tierra agregado

La placa tiene un plano de tierra completo, conectado a otros planos de tierra de capas con un montón de vías, separadas una distancia inferior a 2,54 mm ( < lambda/20 ). El ruido debe reducirse al mínimo.

Hay señales digitales (polígono amarillo) en la parte analógica. ¿Afectarían la adición de ruido a la parte analógica? [Lo siento, los rastros son de color naranja y no se muestran correctamente en la imagen]

Dar forma a las capas del plano puede no ser la mejor opción aquí porque necesito separar los planos de tierra analógicos y digitales en ambos circuitos integrados, por lo que debido a la ubicación real de los componentes, casi dividiré el plano de tierra en dos.

Vista inferior 3D. Planos de modelado

Eche un vistazo a las líneas moradas, habrá una ranura para 'conectar' ambos planos de tierra, lo que podría aumentar los bucles de corriente a través de él. No parece una solución inteligente en este caso.

¿Cuál consideras como la mejor opción ?

Según lo que se enseña en la universidad en este momento, no se deben dividir los planos entre analógico y digital. ¡Haz un gran avión! De esta forma, la corriente puede encontrar el camino más corto y los bucles (con el ruido capturado) se hacen lo más pequeños posible. Si decide dividirlos, no cruce el espacio con ninguna señal a menos que esté exactamente encima de la articulación.
Hola @Botnic, ese es el punto por el que he colocado el trazo cerca del borde del tablero, para evitar dividir el plano de tierra tanto como sea posible. Quizá no sea la mejor manera, ya que está cerca de conectores con diferentes tipos de señales.
@Yolco - ¿Tiene acceso a un analizador de espectro? Sería interesante ver de dónde viene el ruido.
¿Qué harías si te rompieras el brazo y el médico te dijera: "Toma, estas pastillas para la presión arterial alta lo arreglarán"? Lo mismo se aplica aquí. Encuentre la fuente del ruido, luego puede decidir cómo solucionarlo. Te garantizo que dividir el plano de tierra no es la respuesta.
Hola a todos, tienen razón, primero se necesita encontrar la causa raíz, pero aquí, todavía no hay ruido, debido a que estoy en la etapa de diseño. Estoy tratando de hacer todo lo posible para aprender cómo evitar (tanto como sea posible) el ruido futuro en los circuitos de señal mixta. Una vez que los protos estén ensamblados, si aparece ruido, luego haré un estudio para saber por qué sucede y cómo solucionarlo.

Respuestas (1)

A menos que haya una razón de peso en contrario, uso el mismo terreno en todas partes .

No ha dicho exactamente qué circuitos digitales se utilizan, pero si es moderno, es muy probable que sea rápido. La forma de asegurarse de que las partes analógicas y digitales no interfieran entre sí es dando forma a las capas planas . Esta forma se aplica tanto a los rieles de alimentación como a tierra.

Si tiene circuitos analógicos sensibles, haga el plano de tal manera que no haya una ruta de retorno de corriente desde ese punto, excepto volviendo a pasar por debajo de la sección digital .

Single Point Ground del Dr. Howard Johnson es un excelente artículo sobre la planificación de los aviones.

El objetivo del ejercicio es hacer que las corrientes de retorno fluyan hacia donde usted quiere que vayan, no hacia donde irían si no estuvieran controladas . Recuerde que la corriente fluye en un bucle[nota]; controlar dónde va ese bucle.

Si tiene una parte de señal mixta (como un ADC), el uso de planos separados unidos en algún lugar relativamente remoto es un problema. Puede encontrar otro gran artículo ADC Grounding sobre este tema del mismo autor.

En los convertidores de modo de conmutación, siga las instrucciones de la hoja de datos (o mejor aún, el diseño de un kit de evaluación, si hay uno disponible). Algunos fabricantes son mejores que otros para esto. Como ejemplo, consulte la página 19 de esta hoja de datos del convertidor reductor LTC3630 para obtener orientación, o los archivos de diseño para su circuito de demostración .

[nota] No estoy tratando de insultar a nadie aquí, esto parece olvidarse, pero es el factor crítico en el diseño exitoso del avión.

Además, con respecto a los planos separados:

Hay algunos casos en los que son apropiados planos separados con un punto de estrella. Uno de mis diseños tenía tres LED de alto brillo, cada uno con su propia fuente de alimentación. El ruido en cada uno de estos fue lo suficientemente alto como para usar una tierra separada para cada uno y unirlos en la entrada de alimentación de la placa principal.

El ruido fue insuficiente para perturbar la lógica de control, pero habría inducido una diafonía muy ruidosa a través de los LED sin una gran cantidad de problemas y esfuerzo en el diseño con un solo plano; en este caso. los terrenos separados tenían sentido.

Algunas orientaciones sobre cómo dar forma a los planos:

Haz que el suelo siga este camino lógico:

Power Converter <<<< Digital <<<< Analogue

Para la potencia, si está alimentando tanto digital como analógico desde un solo riel de alimentación, normalmente haría esto:

Power converter >>> Digital >> Ferrite Bead and Decoupling >>> Analogue

Así es como logré dar forma al plano en una grabadora de video:De uno de mis diseños.

La corriente de retorno solo puede fluir en la dirección de la flecha, y el retorno digital no tiene un camino de regreso a la fuente de alimentación a través del área analógica, por lo que no fluyen corrientes digitales en el área analógica.

Tenga en cuenta cómo he cortado vacíos juiciosos en el plano de tierra para obligar a la corriente a fluir donde quiero que fluya.

Hola @peter-smith, gracias! El circuito digital es rápido como dijiste. Todas las capas tienen forma de suelo. Pero como dijiste, siguiendo las recomendaciones de los fabricantes para placas multicapa, los planos de tierra separados son la mejor manera de reducir el ruido. El punto es cómo puedo dividir los planos de tierra para controlar la ruta del bucle.
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