ground plane

trix

Golden Member

hallo,
ik ben een PCB aan het ontwerpen met sprint-layout. daar zit een optie in om een ground plane toe te voegen, nu had ik al ergens begrepen dat dit goed is om EMC pericelen tegen te gaan.
nu had ik een paar vragen ?

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 ?

als de ground plane aan de zichtzijde zit, en ik bestel b.v. een blauwe PCB, is de PCB dan nog steeds Blauw ?

eigenwijs = ook wijs

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.

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

Ha trix,

Ik ken dat programma niet, maar bedoel je dat het zelf een grondvlak toevoegt :?
Dat gaat mijn inziens altijd fout je programma kan dit niet goed bepalen !
Of bedoel je de onderzijde ( niet component zijde ) maar ook dat gaat fout,
zonder het retour pad aan de bovenkant ( componentzijde ) te verbinden......
Wat je creëert is een grote condensator, ik ben van mening dat,
je grondvlak een arbitraire beslissing is waar je wel en geen koper wil laten staan.
En dit geldt ook voor de keuzen van de via's denk er aan dat deze een significante inductie vertegenwoordigen !

Groet,
Henk.

Everything should be as simple as possible, but not simpler.
rob040

Golden Member

Ik doe de top koperlaag bijna altijd als groundplane. Dat is meteen mijn massa laag, dus massa-sporen heb je niet meer nodig.
Alles wat aan massa komt leg ik dan met een "Thermal pad" (rechts bij properties aan te vinken) aan het vlak, dus ook de nul van de voedingsaansluiting.

De kleur wordt dan gewoon blauw, het soldeermasker is een laag die later wordt aangebracht en gaat over het koper.

O ja, de randen van de print laat ik vrij van koper (bijv. 0,635mm).

marcob

Golden Member

Op 25 november 2021 17:46:17 schreef electron920:Ik ken dat programma niet, maar bedoel je dat het zelf een grondvlak toevoegt :?

Wat het programma doet is niet echt een groundplane, maar een opvullen van lege ruimtes tussen de sporen. Het is aan de gebruiker zelf om een connectie te maken tussen een spoor en het vlak. Dit betekend dat een vlak wat wat tussen vier gesloten sporen dus niet aangesloten is op het vlak ernaast.

Dit kan bij kritische schakeling een probleem geven.

Een WOK is ook maar een vergiet zonder gaatjes
trix

Golden Member

tnx.

dat is wel duidelijk, ik hou 1 vraag over:

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

eigenwijs = ook wijs

Ha trix,

Je heb het specifiek over snelle signalen, dan zal je heel voorzichtig de omstandigheden willen bekijken !
Het geen @marcob mij uitleg is helder dank daarvoor, ik werk met een ander tekenprogramma vandaar.

Als je een snel pulserende signaal van bron naar verbruiker wil transporteren krijg je te maken met signaalintegriteit.
Deze categorie bestaat uit verschillende vormen denk aan reflecties, overspraak, en geven aanleiding tot (signal discontinuity) !

Ik kan zo niet zeggen wat jou kritische lengte is, deze wordt grotendeels bepaald door,
de stijg / daaltijd van je signaal en de invloed van je materiaal op de golflengte.
voor wat het printmateriaal betreft FR4-PCB-materialen zijn snelheden van 15 cm/ns – ongeveer een derde van de lichtsnelheid.

Uitgaande van een stijg of daaltijd van 0,3 ns ( standaard driver ) is een lengte van 4,5 cm de standaard elektrische lengte.
Langer ( 20 % ) geeft zonder maatregelen problemen, je zult willen werken volgen het transmissielijn model....

Een ander punt is overspraak dichtbij en veraf ( dus bij de bron of bij de ontvanger ) !
Hier moet je goed opletten met het grond vlak aan de onderkant dit vormt met de bovenkant een condensator.
Het is dus belangrijk om grondvlak van de bovenzijde te verbinden met het grondvlak aan de onderzijde.
Maar zo'n doorverbinding levert ook hier een inductie op van 1,12 nH .

Het is nog iets complexer als er een signaal baan aan de bovenzijde boven een grondvlak aan de onderzijde loopt.
Dat kan en mag wel maar er ontstaat dan een TL transmissielijn.
We praten over een transmissielijn als de samenstelling ( gedistribueerde ) elementen bevat,
dit betekend dat de reactieve eigenschappen ( capaciteit en inductie ) over de gehele lengte gelijk zijn.
Denk aan een antenne of coax kabel !
Door deze eigenschap ontstaat er een ander transport model van de vermogen ( de verhouding tussen spanning en stroom ).

Kijk even wat je er mee kan vragen prima :D

Groet,
Henk.

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

Op 25 november 2021 18:07:37 schreef rob040:
Ik doe de top koperlaag bijna altijd als groundplane. Dat is meteen mijn massa laag, dus massa-sporen heb je niet meer nodig.

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.

Het is inderdaad gebruikelijk om op één laag (de achterkant, of een binnenlaag bij een print met meer dan 2 lagen) een groot ground plane te maken. Ik ben het eigenlijk niet helemaal met electron920 eens (dat je specifiek wel of geen koper wilt op sommige plaatsen), doorgaans wil je over de hele print één groot vlak, behalve als je PCB antennes maakt of zo.

Waar dat vlak aan de ground moet? Werkelijk overal. Bij elk IC of ander component met een ground pin, bij elke ontkoppelcondensator, bij elk vlak op de top layer (meerdere via's per vlak, bij voorkeur in de hoeken).

Dit alles werkt natuurlijk als je een print laat maken, want dan kosten via's niets. Als je zelf gaat etsen, wordt het een ander verhaal.

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