Efektywne uziemienie to fundamentalny element każdego układu elektrycznego, a jest szczególnie istotne podczas pracy z Płytami Obwodów Drukowanych (PCB) ze względu na ich złożoną konstrukcję komponentów elektronicznych. Ten przewodnik omówi znaczenie warstwy masy w PCB oraz dostarczy istotnych zasad projektowania, aby włączyć ją sprawnie.

Warstwa masy w PCB to warstwa miedzianej folii, która tworzy część układu warstw płyty. Ta warstwa miedzi jest bezpośrednio połączona z masą obwodu, zazwyczaj z jednym z biegunów źródła zasilania. Jej główną rolą jest pełnienie ścieżki powrotnej dla większości komponentów i prądu w obwodzie.

Warstwa masy może obejmować małą część PCB lub zajmować całą warstwę płyty. W niektórych przypadkach może obejmować nawet wiele warstw. Wybór warstwy masy na jednym poziomie ma istotną zaletę, ponieważ uprości układ obwodu. Jako projektant, możesz łączyć masy komponentów elektronicznych bez potrzeby stosowania dedykowanych ścieżek masy. Zamiast tego, piny masy komponentów mogą być prowadzone przez otwór, aby uzyskać dostęp do połączenia masy na innej warstwie.

Jak już wspomniano, warstwa masy to znaczny segment miedzianej folii, który zajmuje miejsce bez ścieżek lub komponentów. W układzie dwuwarstwowym PCB zaleca się umieszczenie warstwy masy na dolnej warstwie, pozostawiając górną warstwę dla ścieżek sygnałowych i komponentów elektronicznych.

Aby zapewnić optymalne zaprojektowanie, należy starać się utrzymać ścieżki sygnałowe jak najkrótsze i umieścić warstwę masy tak, aby pokrywała całą przestrzeń pod nią. Taka strategia projektowania pomaga uniknąć tworzenia pętli przewodzących, które działają jak cewki, tworząc zewnętrzne pola magnetyczne, które mogą prowadzić do prądów pętli masy.

Konfiguracja dwustronnej warstwy masy również jest skuteczna. Jedna warstwa może znajdować się po stronie komponentów, podłączona do napięcia zasilania, podczas gdy druga jest połączona z masą. Taki projekt zapewnia jednolite poziomy napięcia masy na całej płycie.

W przypadku dwuwarstwowej płyty, stosowanie wielu niezależnych warstw miedzianej masy jest skuteczne. Taka konfiguracja unika pętli masowych i utrzymuje oddzielenie między warstwami.

Przewody do masy tworzą połączenia między warstwami masy na różnych warstwach PCB w konfiguracji wielowarstwowej. Te przewody umożliwiają dostęp do masy elektrycznej z dowolnego miejsca na PCB i oferują krótszą drogę dla prądu, co pomaga uniknąć problemów związanych z impedancją.

Aby zapobiec potencjalnemu rezonansowi arkusza miedziowego na ćwierć częstotliwości przepływającego prądu, umieszczanie przewodów do masy (tzw. stitch vias) strategicznie wokół warstwy masy eliminuje takie oscylacje. Przewody te tworzą ścieżkę kondensacyjną z powrotem do masy.

Ogólna zasada mówi, żeby umieszczać przewody do masy w odległości jednej ósmej długości fali lub mniej od przewodnika. Ich implementacja wymaga wiercenia PCB, przewleczenia cienkich drutów miedzianych i lutowania z obu stron.

Zintegrowane układy scalone wbudowane w PCB wymagają źródła zasilania. Te układy posiadają piny zasilania podłączone do zewnętrznego źródła zasilania i piny masy połączone z warstwą masy.

Kondensatory rozładowcze umieszczane są między pinami zasilania a masą, aby stabilizować oscylacje napięcia, które mogą występować na układzie scalonym. Kondensatory te przechowują ładunek, aby zaspokoić dodatkowe wymagania układu scalonego w zakresie prądu poprzez ścieżkę o niskiej indukcyjności. Najlepiej umieścić kondensator blisko pinu zasilania układu scalonego.

Dodatkowo kondensator pomaga w redukcji Zakłóceń Elektromagnetycznych (EMI) i minimalizacji hałasu, który mógłby przeniknąć do połączenia zasilania i masy. Źródłami tego hałasu mogą być sytuacje, gdy:

Kondensator rozładowczy nie jest w stanie dostarczyć wystarczającego prądu, co powoduje spadek napięcia na pinie zasilania układu scalonego.

Płyta obwodów zawiera wiele komponentów, z których ponad 90% jest podłączonych do sieci podczas pracy. Dlatego napięcie pojawia się poprzez sieć masy. Dla wielowarstwowych płyt z mniej niż czterema warstwami projektanci muszą używać szerszych ścieżek.

Wielowarstwowe układy PCB z więcej niż czterema warstwami wymagają większej uwagi, dlatego producenci muszą używać wysokiej jakości materiałów do warstwy masy. Celem jest ustalenie niezawodnego połączenia między siecią masy a komponentami obwodu.

Jeśli dwie ścieżki sygnałowe biegną równolegle, jedna ścieżka może oddziaływać na drugą poprzez indukcję elektromagnetyczną. To połączenie tworzy zakłócenia elektromagnetyczne, ponieważ brak jest wyraźnej ścieżki powrotnej dla sygnału. Jednak przewód masy zapewnia, że sygnał elektryczny wraca bez ingerencji w inne komponenty obwodu.

Gdy cyfrowe obwody są niewłaściwie rozmieszczone, zwykle uwalniana jest duża ilość energii przez obwód masy. To działanie tworzy hałas i zakłócenia, które można uniknąć, integrując warstwę masy.

Komponenty na płycie obwodu zużywają dużo energii podczas pracy. Warstwa masy pomaga w wyrównywaniu skoków napięcia powstałych podczas tej pracy.

Trasuj warstwę masy przy użyciu najszerszej ścieżki na płycie jednowarstwowej. Zaleca się zaprojektowanie warstwy masy w taki sposób, aby zapewnić korzyści elektryczne.

Wielowarstwowe płyty wymagają układu warstw z odpowiednią konfiguracją warstwy masy i szerokością dla poprawnego trasowania. Dodatkowo można zaprojektować efektywną warstwę masy PCB jako pozytywny lub negatywny obraz oraz dostarczyć dodatkowe wypełnienie obszaru dla masy.

Ścieżka padu SMT do masy przez otwór (via) powinna być wystarczająco szeroka, aby zmniejszyć jej indukcyjność. Unikaj jednak stosowania szerokich ścieżek na małych, dyskretnych częściach.

Upewnij się, że wszystko jest połączone, a wszystkie otwarte przestrzenie są wypełnione miedzią i otworami (vias), które łączą się z warstwą masy.
Zachowaj integralność warstwy masy, aby uniknąć pętli prądowych.
Miej jedno miejsce uziemienia, takie jak obudowa płyty, metalowa rama lub dedykowana warstwa masy.
Ogranicz stosowanie vias szeregowych na ścieżce masy, ponieważ tworzą one impedancję.
Przeprowadź dobre projektowanie uziemienia przed rozpoczęciem trasowania, ponieważ stanowi to podstawę procesu trasowania.
Zrozum, jak płynie prąd w płycie obwodu, aby zapewnić odpowiednie uziemienie.
Podczas planowania uziemienia, miej na uwadze analizę sygnałów analogowych i cyfrowych.
Planuj dynamiczne zmiany przy trasowaniu połączeń masy między płytami w wielowarstwowej PCB.

Uziemienie w płycie obwodu jest bardzo ważne, projektanci powinni znać wszystko o uziemieniu przed przystąpieniem do projektowania, a następnie stosować zasady uziemienia do projektowania. Ten artykuł jest dostarczany przez TechSparks. Jeśli jesteś zainteresowany tym tematem, możesz odwiedzić moją stronę internetową, aby dowiedzieć się więcej interesującej wiedzy z dziedziny elektroniki.