อะไรคือข้อดีของการมีพื้นดินสองเท?

ฉันเคยเห็น PCB แบบ 2 ชั้นจำนวนมากที่มีพื้นเทลงบนทั้งชั้นบนและชั้นล่างฉันสงสัยว่าทำไมถึงทำเช่นนั้น? และมันจะดีกว่าหรือไม่ที่จะใช้ชั้นบนสุดสำหรับพลังงานและสัญญาณและชั้นล่างสำหรับพื้นดินเพื่อทำให้การกำหนดเส้นทางง่ายขึ้นและยังใช้ประโยชน์จากความจุระหว่างระนาบ?

pcb pcb-design ground

— MUX
แหล่งที่มา

นี่ไม่ใช่คำตอบที่มากนัก แต่ฉันขอเสนอว่าเหตุผลที่คนส่วนใหญ่ทำนั้นเป็นเพราะพวกเขาคิดว่ามันดีที่จะเสียพื้นที่อย่างอื่น ฯลฯ คุณสามารถเชื่อมต่อกับพื้นได้อย่างอิสระโดยคิดว่ามีอย่างน้อย หนึ่งอันผ่านการเชื่อมต่อกับระนาบกราวด์ล่างของคุณหรือถ้าเลเยอร์ด้านบนสามารถกดแผ่นสำหรับพินผ่านรูที่เกิดขึ้นได้ .. หรืออย่างที่แลงกล่าวว่า ... ศาสนาเป็นรากฐาน :)

— Toby Lawrence

ใช่ฉันไม่สามารถนึกถึงเหตุผลที่ดีสำหรับสิ่งนั้นได้ถ้ามันเป็นเครื่องบินพลังงานดีแล้วอาจจะเป็นความจุ แต่สิ่งที่ดีสองชั้นพื้นดินคืออะไร? โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่หนึ่งด้านบนเป็นส่วนใหญ่มีแนวโน้มที่จะสับไม่ดีที่มีส่วนประกอบทั้งหมดที่อยู่ด้านบนดังนั้นฉันคิดว่าฉันถาม :)

— MUX

เหตุผลหนึ่งที่ดีสำหรับระนาบทั้งสองด้านคือการรักษาปริมาณทองแดงในแต่ละด้านของ PCB ให้เท่ากัน หากด้านหนึ่งมีทองแดงมากกว่าอีกด้านหนึ่ง PCB จะมีแนวโน้มที่จะแปรปรวนมากขึ้น นี่คือเหตุผลหนึ่งว่าทำไม PCB หลายชั้นมักจะมีความสมมาตรบนชั้นซ้อนทับของพวกเขา ความเสี่ยงที่แน่นอนของการแปรปรวนไม่ชัดเจนสำหรับฉัน แต่ฉันมี บริษัท PCB ให้ความเห็นเมื่อฉันไม่ได้ทำมันค่อนข้างถูกต้อง

นอกจากสิ่งที่ดาวิดกล่าวไว้ร้านทัวร์มีจำนวนทองแดงมากที่สุดในทุกชั้นเพราะมันช่วยลดอัตราการใช้มารยาทที่น้อยลง ถ้าปริมาณของคุณไม่สูงมากมันไม่สมเหตุสมผลสำหรับคุณในฐานะผู้ออกแบบที่ต้องกังวลเกี่ยวกับสิ่งนี้

— โฟตอน

คำตอบ:

รูปแบบและพื้นดินที่ดีดูเหมือนจะเข้าใจได้ไม่ดีดังนั้นศาสนาจึงตั้งหลัก คุณพูดถูกมีเหตุผลน้อยมากที่จะใช้ทั้งบนและล่างของบอร์ดสองชั้นสำหรับกราวด์

สิ่งที่ฉันมักจะทำสำหรับสองเลเยอร์บอร์ดคือการเชื่อมต่อระหว่างกันให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้บนชั้นบนสุด นี่คือที่ที่หมุดของชิ้นส่วนอยู่แล้วดังนั้นเป็นชั้นตรรกะที่จะใช้ในการเชื่อมต่อพวกเขา น่าเสียดายที่คุณไม่สามารถกำหนดเส้นทางทุกอย่างในเลเยอร์เดียว การเอาใจใส่และคิดอย่างถี่ถ้วนเกี่ยวกับการจัดวางชิ้นส่วนจะช่วยได้ แต่ในกรณีทั่วไปมันเป็นไปไม่ได้ที่จะกำหนดเส้นทางทุกอย่างในระนาบเดียว ฉันใช้ระนาบด้านล่างสำหรับ "จัมเปอร์" สั้น ๆ เฉพาะเมื่อจำเป็นเพื่อให้การกำหนดเส้นทางทำงาน ระนาบด้านล่างเป็นอย่างอื่นพื้นดิน

เคล็ดลับคือการทำให้จัมเปอร์เหล่านี้อยู่ที่ชั้นล่างสุดสั้นและไม่ติดกัน ตัวชี้วัดของความดีของระนาบกราวด์ที่เหลืออยู่คือมิติเชิงเส้นสูงสุดของหลุมไม่ใช่จำนวนรู กลุ่มของร่องรอยสั้น ๆ 200 ล้านกระจัดกระจายที่เกี่ยวกับจะไม่ทำให้ระนาบพื้นดินจากการทำงาน อย่างไรก็ตามจำนวนเท่ากัน 200 ล้านร่องรอยรวมตัวกันเพื่อทำให้เกาะแห่งหนึ่งมีขนาดนิ้วเพิ่มขึ้นอย่างมาก โดยพื้นฐานแล้วคุณต้องการให้พื้นไหลรอบ ๆ สิ่งรบกวนเล็กน้อยทั้งหมด

ตั้งค่าต้นทุนเราเตอร์อัตโนมัติสำหรับชั้นล่างสุดและอย่าลงโทษสำหรับจุดแวะ สิ่งนี้จะทำให้การเชื่อมต่อระหว่างกันส่วนใหญ่อยู่บนเลเยอร์ด้านบนโดยอัตโนมัติ น่าเสียดายอัลกอริธึม auto-router ที่ฉันเห็นไม่สามารถถูกปรับแต่งได้เนื่องจากไม่ได้รวมกลุ่มจัมเปอร์ ตัวอย่างเช่นใน Eagle มีพารามิเตอร์การกอด แม้ว่าคุณจะปิดการใช้งานนี้คุณยังคงได้รับจัมเปอร์จัมเปอร์ ปล่อยให้เราเตอร์อัตโนมัติทำการเสี้ยงฮึดฮัดแสดงความไม่พอใจจากนั้นให้คุณทำความสะอาดหลังจากนั้น บางครั้งคุณสามารถมองเห็นกรณีที่การจัดเรียงใหม่สามารถกำจัดจัมเปอร์ทั้งหมด อย่างไรก็ตามเวลาส่วนใหญ่ของคุณจะใช้เวลาในการย้ายจัมเปอร์ออกจากกันเพื่อไม่ให้เกาะใหญ่

สำหรับเครื่องบินพลังนั้นส่วนใหญ่เป็นศาสนาที่ไร้สาระ จัดเส้นทางพลังงานเช่นเดียวกับสัญญาณอื่น ๆ แม้ว่าในกรณีนี้คุณจะต้องพิจารณาแรงดันไฟฟ้าตกเนื่องจากความต้านทานการติดตามเนื่องจากร่องรอยการใช้พลังงานนั้นน่าจะจัดการกับกระแสไฟฟ้าที่สำคัญ โชคดีที่แม้กระทั่งร่องรอยทองแดง 1 ออนซ์บน PCB ก็มีความต้านทานค่อนข้างต่ำ คุณสามารถสร้างพลังการติดตาม 20 ล้านหรืออะไรก็ตามแทนที่จะเป็น 8 ล้านสำหรับการติดตามสัญญาณ ไม่ว่าในกรณีใดก็ตามประเด็นคือความต้านทานกระแสตรงมีความสำคัญ แต่มักจะไม่เป็นปัญหามากนักเว้นแต่คุณจะมีการออกแบบกระแสสูง

อิมพีแดนซ์ AC ไม่ใช่สิ่งที่เกี่ยวข้องทั้งหมดซึ่งคนในศาสนาดูเหมือนจะไม่ได้รับ นี่เป็นเพราะตัวป้อนพลังงานถูกบายพาสภายในเครื่องไปยังระนาบกราวด์ในแต่ละจุดที่ใช้งาน หากคุณมีระนาบกราวนด์ที่ดีคุณไม่จำเป็นต้องมีระนาบพลังงานแยกต่างหากสำหรับการออกแบบทั่วไปส่วนใหญ่เพียงแค่บายพาสที่กำลังนำแต่ละส่วนของแต่ละส่วน หมวกบายพาสเชื่อมต่อโดยตรงระหว่างหมุดพลังงานและกราวด์จากนั้นจะมีทางขวาที่พินกราวน์เพื่อเชื่อมต่อกับระนาบกราวด์ที่ชั้นล่าง

กระแสไฟฟ้าความถี่สูงของชิ้นส่วนควรออกจากพินพาวเวอร์, ผ่านทางบายพาสและกลับไปที่พินกราวด์โดยไม่ต้องวิ่งข้ามระนาบกราวน์ ซึ่งหมายความว่าคุณไม่ได้ใช้งานแยกต่างหากสำหรับด้านกราวด์ของหมวกบายพาส เชื่อมต่อโดยตรงกับหมุดภาคพื้นดินที่ด้านบนจากนั้นเชื่อมต่อตาข่ายนั้นกับระนาบกราวด์ด้วยการผ่านที่จุดเดียว เทคนิคนี้จะช่วยได้มากกับการปล่อย RF และความสะอาดโดยทั่วไป

— แลงทรอฟ
แหล่งที่มา

นี่เป็นคำตอบที่ดีมากขอบคุณมากดังนั้นถ้าฉันเข้าใจถูกต้องโดยเฉพาะจากย่อหน้าสุดท้ายฉันไม่ควรใช้ราดที่ชั้นบนสุดเลยใช่ไหม มันไม่มีประโยชน์อะไรเหรอ? นอกจากนี้ฉันควรใช้จัมเปอร์สั้นที่ชั้นล่างแม้ว่ามันหมายความว่าสัญญาณบางอย่างจะไม่ใช้เส้นทางที่ตรงที่สุด?

— mux

@mux: ใช่สำหรับกรณีส่วนใหญ่ ข้อยกเว้นเป็นสัญญาณความเร็วสูงพิเศษสัญญาณที่ต้องควบคุมความต้านทานสัญญาณที่ต้องจับคู่กับการหน่วงเวลา ฯลฯ อย่างไรก็ตามโดยทั่วไปคุณจะไม่พบสิ่งเหล่านี้บนบอร์ดเลเยอร์ 2 สิ่งเหล่านี้มักจะหมายถึงค่าใช้จ่ายอื่น ๆ เช่นการไป 4 เลเยอร์หรือมากกว่านั้นเป็นค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมเล็กน้อย

— Olin Lathrop

@OlinLathrop ฉันไม่เข้าใจจริงๆ ใช่แคปแยกตัวให้เส้นทางความต้านทานต่ำมากแล้ว สมมติว่าเราละเลยการเหนี่ยวนำทั้งหมดของร่องรอยทั้งหมด จากนั้นเราจะเหลือเพียงแค่ความต้องการในปัจจุบันอย่างฉับพลันโดย IC (สมมุติ) ตกลงฝาครอบแยกชิ้นจะให้สิ่งนั้น แต่อย่างไรและผ่านจุดที่ decoupling นั้นจะเติมเงินสำหรับความต้องการในทันทีต่อไปได้อย่างไร จะมีเวลาชาร์จหรือไม่ ฉันสับสนจริงๆ

— abdullah kahraman

@Nick: มันไม่สำคัญว่าที่พื้นผ่านไปตามเส้นทางจากพินกราวด์ไปยังด้านกราวด์ของฝาครอบ decoupling เนื่องจากเส้นทางนั้นควรจะสั้น จุดสำคัญคือลูปมีอยู่โดยไม่ต้องระนาบกราวด์ นั่นทำให้กระแสความถี่สูงวนออกจากระนาบกราวน์ซึ่งอาจเป็นเสาอากาศปะกลางที่เลี้ยงด้วย ผมเข้าไปดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้ที่electronics.stackexchange.com/a/15143/4512

— Olin Lathrop

@abdullahkahraman: นั่นคือที่ซึ่งมีตัวพิมพ์ใหญ่หลายตัวสามารถเข้ามาได้ขนาดเล็กที่สามารถจัดการกับความถี่สูงของแหลมและใหญ่กว่าที่สามารถจัดการความถี่ต่ำ การอยู่ใกล้ ๆ ตัวที่ใหญ่กว่าก็สามารถชาร์จตัวเล็กได้เร็วกว่าแรงดันไฟฟ้า

— Nemo157

การมีระนาบพลังงานที่ด้านบนและพื้นดินที่ด้านล่างแทบจะไม่ให้ความจุใด ๆ

$C = k \cdot \epsilon_0 \cdot A / d$

ที่ k คือญาติ permittivity ประมาณ 4.5 สำหรับ FR4,คือ permittivity ของพื้นที่ว่าง 8.85 pF / m,คือพื้นที่ในตารางเมตรและคือระยะทางในเมตร PCB ขนาด Eurocard มีขนาด 160 mm 100 mm ที่ความหนา 1.6 mm $\epsilon_0$ $A$ $d$ $\times$

$C = 4.5 \cdot 8.85 pF/m \cdot 0.016 m^2 / 0.0016 m = 400 pF$

ตัวเก็บประจุแบบแยกตัวจะทำให้คุณได้มากขึ้น นอกจากนี้การแยกส่วนอย่างถูกต้องมันไม่สำคัญว่าคุณจะใช้สายดินหรือพลังงานสำหรับเททองแดง สำหรับ HF พวกเขาควรจะเหมือนกัน โดยทั่วไปจะเลือกกราวด์เนื่องจากตาข่ายนั้นจะมีการเชื่อมต่อมากที่สุดและจะง่ายกว่าในการเชื่อมต่อทองแดงที่แยกได้ที่อยู่ด้านบนกับทองแดงที่เทลงที่อีกด้านหนึ่ง

— stevenvh
แหล่งที่มา

ใช่ แต่ 400 pF นั้นสำคัญมากที่ความถี่สูงสุดที่ต้องแยกออก - เช่นความต้านทาน 4 โอห์มที่ 100 MHz - และความจุนี้มีความต้านทานอนุกรมและการเหนี่ยวนำน้อยที่สุด สำคัญมากในการออกแบบความเร็วสูง แต่ถ้าคุณทำงานประเภทนั้นคุณอาจใช้เลเยอร์มากกว่าสองเลเยอร์และระยะห่างระหว่างระนาบน้อยกว่า

— Dave Tweed

@Dave - เห็นด้วย แต่ 400 pF สำหรับ PCB นั้นประกอบด้วยทองแดงเทเท่านั้น เส้นทางแม้ว่ามันจะลดพื้นที่อย่างมีนัยสำคัญและการเชื่อมต่อระหว่างเกาะจะมีการเหนี่ยวนำของพวกเขาเช่นกัน สำหรับ HF ฉันจะไปแบบ 4 เลเยอร์และใช้เลเยอร์ด้านในสำหรับระนาบกราวด์และพลังงาน ระยะทางจะน้อยลง = ความจุที่สูงขึ้นและจะไม่มีการตัดมากนัก

— stevenvh

ดังนั้นความจุจึงไม่มีนัยสำคัญอย่างน้อยสำหรับ PCB แบบ 2 ชั้นดังนั้นนอกเหนือจากการเชื่อมต่อภาคพื้นดินจำนวนมากไม่มีเหตุผลที่ดีจริงๆสำหรับการใช้กราวด์เทลงบนชั้นบนสุด? ถูกต้องไหม

— mux

@mux - ไม่จริง: คุณต้องการตัดให้น้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้ผ่านระนาบกราวด์ชั้นล่างซึ่งหมายความว่าการกำหนดเส้นทางทั้งหมดในเลเยอร์ด้านบนจะทำให้ระนาบกราวน์น้อยเกินไป OTOH การวางทองแดงลงที่นั่นจะไม่เจ็บและถ้าเป็นพื้นคุณสามารถเชื่อมต่อเกาะที่แยกจากกันผ่านจุดแวะ ถ้าคอปเปอร์คอปเปอร์คือ Vcc ที่เชื่อมต่อหมู่เกาะอาจจะยากกว่าและอาจไม่สมเหตุสมผล แต่เดฟไม่เห็นด้วยอย่างสมบูรณ์ฉันกลัว :-)

— stevenvh

@DaveTweed โปรดจำไว้ว่าหมายเลข 400 pF ที่ Stevenvh กล่าวถึงนั้นมีไว้สำหรับ PCB ขนาด 160x100 มม. ฉันหวังว่าเส้นทางการส่งคืนความถี่สูงสำหรับสัญญาณใดก็ตามจะไม่ "ผ่าน" PCB ทั้งหมดและดังนั้นคุณจะไม่ได้รับประโยชน์จากทั้ง 400 pF