ground plane


rob040

Golden Member

Op 25 november 2021 19:29:09 schreef SparkyGSX:
[...]Als je relatief trage schakeling maakt gaat dat wellicht nog goed, maar op die manier heb je geen controle over waar je ground stromen lopen; als je pech hebt moet alles over één smal stukje, en/of met grote omwegen.

Dat klopt natuurlijk helemaal.
Mijn PCB zijn tot nu toe 90-100% THT en 95% van de sporen ligt aan de soldeerzijde.
Maar als je met (veel) SMD werkt, dan neemt de hoeveelheid koper aan de topzijde snel af en inderdaad heb je een grote kans op wat jij en Marcob noemen.

Voor iets complexere/grortere printen gebruik ik meestal een 4 layer. Niet veel duurder, maar wel veel beter en handiger.
(ik heb dan 2 inner layers voor Gnd en Vcc, en de rest blijft vrij voor traces)

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - hard en software ontwikkeling: www.arcovox.com

@rob040: als je TH ontwerpt, zijn de lagen eigenlijk omgewisseld, dus netto heb je nog steeds één redelijk dicht groundvlak aan de bovenkant, en de sporen op de onderkant.

@Arco: ik vind het meestal wel een uitdaging om het bij 2 lagen te houden, maar als dat niet gaat, kies ik ook snel voor 4 lagen; meestal dan hetzelfde als jij, de ground op de eerste binnenlaag, de tweede binnenlaag helemaal 3v3 of met sporen of vlakken voor verschillende voedingsspanningen, als dat nodig is, en de signaalsporen op de buitenlagen. Het voordeel van sporen op de buitenlagen, zeker bij proto's en one-offs, is dat ze veel gemakkelijker te patchen zijn; bijna elk board heeft wel één of een paar fuck-ups.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken

Ha SparkyGSX,

Ik probeer @TS er op te wijzen dat je zeer voorzichtig moet zijn met het transporteren van snelle signalen.
Ik begreep dat het daar overging !
Daarbij is snelle signalen voor mij nog niet direct een gegeven voor een alleen maar digitale structuur.

Ik denk dat je over het algemeen met digitale systemen werkt in de mix of analoge techniek,
gaat een goot kopervlak absoluut niet werken....
Er zijn heel veel componenten denk aan een spoel daar wil je geen koper onder hebben.
Maar ook een te kleine afstand tussen je signaal baan en het grondvlak kan nadelige gevolgen hebben.

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.
trix

Golden Member

het is (wat ik al wel wist) een moeilijke materie, waar niet 1 simpel antwoord op te geven is.
ik ga er nog eens over denken of ik wel een ground plane wil, zonder werkt het ook dat is al lang getest. maar ik kan natuurlijk ook geen EMC straling meten, ik heb er ook veel te weinig kennis van.
tnx.

eigenwijs = ook wijs

Ha trix,

Dat is een goede ik weet niet wat je in de toolbox heb,
je kunt vrij simpel een zeer goede near field probe maken.
Is je ontwerp digitaal of analoog of misschien wel een mix ?

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.

Tja wat is snel, de vroegere computers zoals bv een C64 werkte het geheugen op 2Mhz maar daar zag je wel al veel afscherming maar nog geen gekke dingen op de PCB.

Maar als je naar een modern moederboard kijkt naar bv de bannen naar het geheugen dan ziet dat er toch wel anders uit en dan moet de looptijd (trace lengte) van elk spoor gelijk zijn. Maar ook de impedantie speelt dan een hele grote rol.

Voor bv USB data sporen zie je dan dat de D- en D+ altijd even lang zijn en parallel lopen met daar een groundplane omheen. Maar USB zijn dan echt snelle signalen.

OP mijn eigen eerste zelfgemaakt PCB heb ik van linkboven naar rechts onder 2 sporen voor I2C naar mijn lcd display. Dat is bij op 400kHz en dat valt dacht ik nog niet onder snelle signalen. In ieder geval werkt dat goed zonder storing terwijl ik daar niet echt veel bijzonders mee gedaan hebt maar wel zoveel mogelijk parallel.

Dus ik denk dat alles onder de 1Mhz niet heel erg spannend is.

Er is een simpele vuistregel: Alles korter dan 10% van stijgtijd*lichtsnelheid (oftewel, korter dan 10% van de golflengte1) gedraagt zich Ohms/volgens Kirchhoff, en je kunt alle HF dingen (reflecties, overspraak, etc) negeren.

Zonder verder in de preciese geometrie te duiken is een continu groundvlak bijna altijd een goede oplossing. Er zijn inderdaad situaties waarin het niet ideaal is, maar die zijn zeldzaam, en het risico dat je om verkeerde redenen het groundvlak onderbreekt en meer problemen introduceert is groter.

Ethernet, USB etc: Alles onder de 1Ghz doet het prima op normaal printmateriaal met een continu groundvlak. Wel je spoorbreedte goed kiezen, zodat je de correcte impedantie hebt.

1Ja, daar zit een factor 2π verschil tussen. Nee, dat maakt inde praktijk niet uit, het gaat om het aantal nullen achter de komma, niet om welk cijfertje er staat

@Electron920: bedoel je onder een luchtspoel? Dat zou kunnen, doe heb ik nog nooit gebruikt, ik bouw geen zenders e.d.

Ik ben nu toevallig bezig met een ontwerp met digitale signalen van ruim boven 1GHz, net stijgtijden in de picosecondes, die zo'n 10cm over het board moeten lopen; dat worden die differentiële signalen, met de correcte impedantie, terminatie, en gelijke lengte, boven een ononderbroken groundvlak.

Het is toch een raar idee dat het signaal nog niet aan de ene kant van een spoortje bijna een hele clockperiode achterloopt bij de andere kant van het spoortje.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken

@trix: bij een product ontwerp is niet alleen de EMC straling een issue maar ook de gevoeligheid als er ingestraald wordt. Dit is bijvoorbeeld doordat er ergens een inductieve load ingeschakeld wordt.
Als jouw circuit ergens gevoelig is (circuit design en/of PCB) dan zal dat mogelijk een probleem kunnen geven.

Kort door de bocht, als je ontkoppeling plaatst waar het nodig is, gevoelige sporen kort houden en een grounplane hebt dan zit het doorgaands wel goed.

fatbeard

Honourable Member

Als het product gevoelig is voor EM-storing van buitenaf (bijv. die inductieve load waar @Al_Bundy het over heeft) is de kans wel heel groot dat het ook zelf EM zal uitstralen...
In hoeverre dat een probleem vormt zal door metingen moeten worden vastgesteld.

Een goed begin is geen excuus voor half werk; goed gereedschap trouwens ook niet. Niets is ooit onmogelijk voor hen die het niet hoeven te doen.

In theorie is het symmetrisch. Maar je kan natuurlijk een "suf traag spoor" hebben wat omdat het suf traag is niet afgeschermd en lang is op je PCB. Maar omdat het heel hoogimpedant is wel heel gevoelig.... Dan merk je dus van de instraling meer dan van de uistraling. Zo was er een raspberry pi die gevoelig was voor instraling met 300THz. Niemand die klaagt als er wat uistraling is in die band, maar hij was wel gevoelig voor de instraling.

@sparky: Niet vergeten af te sluiten. Dat gaat dan zeker uitmaken. :-)

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/
fatbeard

Honourable Member

Dus die RasPi was gevoelig voor infrarood? >:)

Een goed begin is geen excuus voor half werk; goed gereedschap trouwens ook niet. Niets is ooit onmogelijk voor hen die het niet hoeven te doen.

Hoewel iedere antenne per definitie reciprook is (en dus even goed ontvangt als zend) is EMC dat niet.

Ik heb wel eens aan apparatuur voor naast een radar zand mast gewerkt. Dan is uitstraling absoluut geen probleem meer, nadat je je product beschermd hebt tegen velden van 200V/m....

Andersom, mijn opa's boormachine met zonder ontstoorfilter had nergens last van, maar als de goede man een schilderijtje ophing had de hele straat geen TV beeld meer....

Op 26 november 2021 11:18:51 schreef fatbeard:
Dus die RasPi was gevoelig voor infrarood? >:)

Ja, dat klopt! Het probleem was dat een spanningsregeling in een behuizing zat die transparant was voor IR licht, waardoor de referentie ging afwijken. Een druppel tip-ex o.i.d. was genoeg om het probleem op te lossen.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken

Bij sommige problemen kun je lang naar de oorzaak zoeken...

In het verleden hebben we 2716 eproms van Fujitsu gebruikt, die maar niet te programmeren waren.
Bleek dat ze enkel geprogrammeerd wilden worden als er een afdekstikkertje over het raampje zat.

Schijnbaar was iets in de schakeling onder het raampje lichtgevoelig en verdomde bij opvallend licht de boel te programmeren... ;)

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - hard en software ontwikkeling: www.arcovox.com

Op 25 november 2021 17:34:49 schreef Arco:
Uiteraard moet een groundplane aan ground (anders is het geen groundplane... ;) )
Kleur van PCB heeft niets met traces of powerplanes te maken. Kleur van pcb is degene die je bestelt.

Ondanks dat een 'ground plane' niet aan aarde ligt kan deze toch enorm bijdragen aan het verminderen van emissie. Een geleidend oppervlak wekt immers wel stromen in tegenfase op als gevolg van magnetische velden. Uiteraard werkt het als referentievlak voor de 'retourstroom' de laagste emissie op. Nadeel van een 'los liggend referentievlak' is dat het capacitief kan koppelen en zelfs op zijn natuurlijke resonantiefrequentie zeer goed wil stralen.

This is the world we know best, the world of madness

Op 25 november 2021 20:34:10 schreef Arco:
Voor iets complexere/grortere printen gebruik ik meestal een 4 layer. Niet veel duurder, maar wel veel beter en handiger.
(ik heb dan 2 inner layers voor Gnd en Vcc, en de rest blijft vrij voor traces)

Ik gebruik zelden nog tweelaags printen, de meerprijs voor een multilayer is dusdanig klein ik het mij niet kan veroorloven om te riskeren dat ik tijdens de EMC test nat ga. Als de kostprijs echt kritisch wordt dan is het natuurlijk een kwestie van wikken en wegen en voor massafabricage gaan de kosten van een nieuwe meting en redesign natuurlijk in het niets vallen van de extra kosten door het gebruik van een multilayer.

Dus ik hanteer de stelregels"

Zit er iets digitaals op met steile flanken? -> multilayer
Zit er iets met snel schakelende vermogensmosfets of switchers op? -> multilayer.
Zit er iets op wat met de buitenwereld verbonden is met lange kabels? - > multilayer.
Zit er een radiomodule of iets dergelijks op? -> multilayer
Zit er iets op met low noise, low leakage? -> multilayer
Zit er iets HF, VHF of UHF op? -> multilayer
Moet ik het snel kunnen routen met een minimaal afbreukrisico voor redesign? -> multiplayer.

Misschien ben ik gewoon een hele luie ontwerper maar het is gewoon een goed werkend concept ;)

This is the world we know best, the world of madness

OP zich leuk maar voor een hobbiist heb je bij mijn weten geen gratis software die multilayer kan. Nu mag het voor de hobby ook wel wat geld kosten maar om nu bv 400,- per jaar te gaan betalen voor een keer dat multilayer echt nodig is vind ik dat net wat te gortig.

Op 26 november 2021 22:03:21 schreef benleentje:
OP zich leuk maar voor een hobbiist heb je bij mijn weten geen gratis software die multilayer kan. Nu mag het voor de hobby ook wel wat geld kosten maar om nu bv 400,- per jaar te gaan betalen voor een keer dat multilayer echt nodig is vind ik dat net wat te gortig.

Kicad kan gewoon multilayers doen en er zijn diverse pcb shops die voor weinig geld jou 4 laags print kunnen fabriceren. Ik ga zelf niet meer aan de slag met etsmiddel en dure printboortjes.

Roomsers dan de paus hoeft een mens natuurlijk ook niet te zijn en wie de weg weet heeft zo diverse stukjes software op de PC draaiende zonder de benodigde legale afdrachten. Ik zeg natuurlijk niet dat ik niet Roomser dan de paus ben.

This is the world we know best, the world of madness
rob040

Golden Member

Sprint-Layout kan ook 4-laags multilayers. Niet gratis, maar ook niet duur.

EasyEda doet ook gewoon multilayer. En JLCPCB ondersteunt i.i.g. tot 6 layers.

Waar het moederbord het meeste rookt, loopt ook de meeste stroom!
Hoeben

Golden Member

Op 25 november 2021 17:18:04 schreef trix:
[...] ground plane [...] goed om EMC perikelen tegen te gaan.

het idee is toch dat er tegen over de sporen met snelle signalen, aan de andere zijde v/d PCB een ground plane zit ?

als ik een ground plane toevoeg, dan hangt deze niet aan de ground, het is eigenlijk een heel groot eiland . moet je die dan nog ergens zelf aan de ground hangen ?

Even helemaal terug naar de originele vraag:

Eerst EMC behandelen:

EMC kan uitstraling zijn

Door het leggen van een ground plane (zonder onderbreking daarin) maak je het oppervlak van de signalen kleiner. Hierdoor veroorzaak je minder magnetisch veld. Het hele plane heeft ook een goed lage impedantie waardoor e.e.a. aan filtering beter werkt. "Strooi" hier en daar wel ontkoppelcondensatoren over de PCB. Je ground plane moet hier het retourpad van je GND zijn, je legt dus geen GND sporen tussen je componenten.

EMC kan gevoeligheid voor instraling zijn

Als je de afscherming van een binnenkomende kabel aan de plane legt en de afscherming van een uitgaande kabel ook, gaan de mantelstromen door de plane lopen in plaats van door je elektronica.

Een bekende is het kartonnen bord met daarop aluminium folie in de jaren 80 Commodore 64, vast wel on internet wat over te vinden.

In feite is dit wat je ook met een afgeschermde behuizing doet. Je legt in een behuizing (of schakelkast etc, allemaal hetzelfde) de afscherming aan de behuizing waar je de de behuizing./kast binnenkomt.

Ground planes kunnen ook zorgen voor beter signal integrity

Zie hierboven, doordat het oppervlak wat je snelle signalen omvatten kleiner is, heb je een kleinere lus en minder induktie. Je stijgtijd gaat omhoog, je veroorzaakt waarschijnlijk minder storing, looptijden gaan omlaag. Wel gaan hogere frequenties in het spectrum komen.

Ik zie 2 functies voor ground planes:

  • EMC
  • Betere signalen

In de praktijk doe je het vooral voor betere signalen.

Ik zie nog een derde functie voor een groundplane layer: de routing voor complexe pcb's wordt korter, simpeler en overzichtelijker... (minder via's)

Arco - "Simplicity is a prerequisite for reliability" - hard en software ontwikkeling: www.arcovox.com
Hoeben

Golden Member

Op 27 november 2021 11:09:30 schreef Arco:
Ik zie nog een derde functie voor een groundplane layer: de routing voor complexe pcb's wordt korter, simpeler en overzichtelijker... (minder via's)

Het maakt het inderdaad een stuk eenvoudiger. En nog meer als je meerdere planes gebruikt, een voeding-plane en een ground-plane. Je zou zelfs nog een onderste plane kunnen maken die je afscherming is zoals in mijn vorige post.