Jump to content

    

Источники питания. Соединение AGND, PGND, GND

Доброго времени суток.

Хочу поинтересоваться у коллег, кто как соединяет земли у источников питания. Часто вижу рекомендации: под слоем, где собран источник,  - подстилающий полигон - силовая земля (PGND), изолированная от системной земли (GND), много переходных через термопад под  микросхемой через PGND и слой системной земли (GND), отдельный полигон аналоговой земли (AGND) для схемы компенсации и выходного делителя - через тонкий перешеек или одно - два переходных (в зависимости от токов драйверов) к PGND. Т.е. все три земли соединяются в одной точке -  на термопаде. Но, возникает вопрос о возвратных силовых токах, которые все пойдут через одни и те же переходные. Не нужно ли разделить входные и выходные силовые земли? Достаточно ли соединения с системной землей в одной точке? Видел решения, когда полигоны PGND входных и выходных цепей разделяют на верхнем слое, между подстилающим полигоном PGND и полигоном системной земли GND в подстилающем слое делают один или два (у входа и выхода) перешейка. Бывает, что переходные на землю (но не на питание) пробивают у входных и выходных конденсаторов (исключая ближайшую к микросхеме мелкую керамику) через PGND и GND (что логично для возвратных токов, но не образуются ли паразитные контуры тока?). В общем очень интересно: кто как проблемы с землями решает. Не всегда ведь удается уложить все "по референсу". Да и был у меня случай когда на мой вопрос в техподдержку о том, почему шумит референсная схема на высоких частотах, мне выслали "тихую" топологию, кардинально отличающуюся от референсной.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Quote

Т.е. все три земли соединяются в одной точке -  на термопаде

Если это именно так(дословно) то это запредельно плохой лэйаут.

Quote

Не нужно ли разделить входные и выходные силовые земли?

Нет:biggrin: Только если встает так само из-за особенностей разводки микросхемы, тогда никаких проблем.

Quote

Достаточно ли соединения с системной землей в одной точке?

НЕТ:acute:

Quote

что логично для возвратных токов, но не образуются ли паразитные контуры тока?

Не сильно понятно что тут логично и что из себя представляют паразитные контуры тока, однако легко привести короткий список из соображения без которых нет смысла начинать любой SMPS  дизайн(да и не только):

1. Повышение импеданса земли- зло. Как впрочем и активного сопротивления, но тут есть некоторое пространство для нормальной работы.
2. Где начался пин земляной, там он и включается к полигону земляному. Не к дорожке, не к хреновине какой-то а именно к полигону. В первую  очередь это касается конденсаторов на входе/выходе и самой микросхемы.
3. Всегда сокращать площадь current loop, причем стараться это делать в первую очередь компоновкой, и только после- самой разводкой.

В контексте прикладных задач именно с оглядкой на ваш вопрос можно спекулировать разве что на тему via sharing

Quote

Да и был у меня случай когда на мой вопрос в техподдержку о том, почему шумит референсная схема на высоких частотах, мне выслали "тихую" топологию, кардинально отличающуюся от референсной.

Может вы и показать сможете картинке до/после? Сугубо любопытство, компаний делающий нормальные референсы под SMPS немного.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Вот пример двух рекомендаций.

http://rohmfs.rohm.com/en/products/databook/applinote/ic/power/switching_regulator/converter_pcb_layout_appli-e.pdf

https://www.monolithicpower.com/pub/media/document/AN095_r1.0.pdf

Земли пробиты насквозь в локальной области и у выходных емкостей. Тут видна "боязнь" посадить землю блокировочного конденсатора по входу на системную землю (он же с микросхемой образует самый шумящий контур). Поэтому сажают на подстилающий полигон PGND (и тут возникает вопрос про возвратные токи по входу). По выходу пробивают и выходные конденсаторы (если они на верхнем слое), т.к. тут пульсации тока ниже. Но если места нет, то видел, что выходные конденсаторы на нижнем слое  сажают прямо на небольшой полигон под термопадом.

Вот "вытянутая" топология, где земли пробиты по входу, выходу и через термопад (к слову, а вы делите земли PGND в каждом плече, или делаете сплошной полигон, как в примере?).

https://www.analog.com/media/en/reference-design-documentation/design-integration-files/DC2263A.zip

Теперь по поводу контуров. Если пробиваем земли, скажем на входном конденсаторе, то может образоваться контур: микросхема - входной полигон питания - блокировочная емкость - переходная на землю - обратный ток по внутреннему слою земли - микросхема. Этот контур расположен перпендикулярно плоскости платы и ничем не экранирован.

Пример чуть позже прикреплю.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Поскольку в пдф от MPS входные и выходные банки сидят на общем земляном полигоне на том же слое(а с ними и сам преобразователь), то здесь оно явно не к месту:biggrin: Разве что разводка участка "микросхема-индуктор" под большим вопросом: банки надо развернуть и полигон вести не над ними, а нормально, без ботлнеков. Поэтому прокомментирую "документ" от Rohm:
- когда в документе про SMPS втирают про опасность EMI от прямых углов, дальше можно это изучать сугубо как картинки с 9gag или пикабу. А когда chamferred corner представляется худшей альтернативой 45 deg bend то автора можно сразу послать на х...
- резчиков полигона по индуктором надо отправлять туда же, что касается размещения виа на землю, то их надо класть сразу около соответствующего пина конденсатора(красные точки).
1.png
- самый главные бред на картинке ниже: нижний слева нередко можно встретить на серверных платах(и не только), правый нижний это "стандарт"(я сам в 99% случаев так делаю).Разумеется с виа около банок как в предыдущей картинке
2.png

Касаемо разводки SMPS, на мой взгляд самые удачные(речь сугубо о публичных документах) это доки LT, в ту пору когда они не были AD. С AD все не ок:biggrin:

Share this post


Link to post
Share on other sites

Не совсем понятно, что "не к месту". Смотрим на рисунок 7:

Fig7.png

Земли также поделены. Есть изолированный полигон во втором слое, по которому идут возвратные силовые токи, и который экранирует силовую часть от нижележащих сигналов, есть пробивка через земли под микросхемой. То что на верхнем слое у них общая силовая земля не отменяет, что ее надо где-то по входу и выходу соединять с внутренними слоями. Думаю, что это похоже на Rohm. И экран в соседнем слое тоже нужен, т. к. контур создает сильное поле, которое нужно экранировать.  Насчет катушки - вопрос интересный. Щуп осциллографа рядом с катушкой (с порошковым экраном, типа IHLP) ловит значительные помехи. Под ней они тоже есть. Они будут и на полигоне под катушкой наводиться. А вот между контактными площадками конденсаторов, зазор я ставлю минимальный, для уменьшения площади контура.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Quote

Не совсем понятно, что "не к месту".

Даже с некоторой долей маразма(о которой ниже) это все равно на порядок более "качественный" подход в сравнении с рохм, т.к. соединение с землей начинается прямо коло пина через кучу виа(как и должно быть). То что они "режут землю" а именно:
3.png
это глупость- достаточно не просто залить все на втором слое(L2), который и должен быть землей вместо L3, но и не морочиться по поводу близости к соседней земле. Безусловно чем ближе тем лучше, уменьшается петля а с ней и mutual inductance, однако это все можно сделать на двухслойной плате 1.5-1.6мм безо всяких проблем:biggrin:

Share this post


Link to post
Share on other sites

Согласен, что если на двухслойной, может и пройдет. но когда многослойная,  сверхплотный монтаж, рядом проходят дифпары PCI-E, под источником тоже идут сигналы (а что делать - места нет), то начинаешь думать об экранах. Эта же земля - может быть опорой для дифпар, идущих где то рядом. На какое расстояние "расползется" пульсация по земле? На какую глубину проникнет поле от контура? Раньше, при менее плотном монтаже я тоже не особо задумывался. Просто не вел под источниками, да и скорости были поменьше. А тут полез в теорию (знание, она ж приумножает скорбь)... Получается, что при больших токах пульсаций, 18 микронный полигон не "заглушит" полностью поле от сильноточного контура. Может быть это "уж слишком", но чем больше читаешь и считаешь, тем страшнее становится :help:.

Вот еще тройка статей с экспериментами "на коленке" от Richteka (уж простите :biggrin:), статья от Analog Devices и TI (топология в конце):

https://www.richtek.com/Design Support/Technical Document/~/media/AN PDF/AN045_EN.ashx

https://m.eet.com/media/1130495/6347258.pdf

http://www.ti.com/lit/an/snva638a/snva638a.pdf

Также пара вырезок из них для размышления...

Rich.png

Fig10.png

Хочется все же четко представлять, что этой зоне происходит.

Share this post


Link to post
Share on other sites
32 minutes ago, ECreator said:

Согласен, что если на двухслойной, может и пройдет. но когда многослойная,  сверхплотный монтаж, рядом проходят дифпары PCI-E, под источником тоже идут сигналы (а что делать - места нет), то начинаешь думать об экранах.

Никакой дизайн, ни при каких обстоятельствах не оправдывает протаскивание сигналов под блоком питания. От слов совсем и абсолютно.

Ни скоростных, ни медленных, никаких.

Если Вы не можете выйти из ситуации и все таки тащите сигналы под DCDC в любом слое, независимо от того есть там экраны или нет, значит вы просто неимеете базовых понятий трассировки.

Под источниками питания происходит прокачка большого  объема энергии на всю глубину платы. И никакие экраны не помогут вам защитить сигналы от помех.

А те что пройдут соберут весь мусор и протащат его в "чистые зоны". Посему не надо придумывать велосипед, в предыдущих постах вам доходчиво объяснили что можно, а чего нельзя.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Начну сразу с крайнего поста сугубо из-за возможностей понять его на моей стороне неправильно:biggrin:

Quote

 

Никакой дизайн, ни при каких обстоятельствах не оправдывает протаскивание сигналов под блоком питания. От слов совсем и абсолютно.

Ни скоростных, ни медленных, никаких.

Если Вы не можете выйти из ситуации и все таки тащите сигналы под DCDC в любом слое, независимо от того есть там экраны или нет, значит вы просто неимеете базовых понятий трассировки.

 

Здесь видимо речь идет  о том чтобы класть сигналы сразу под дс/дс? Если да то все так, если же нельзя класть даже после пары плейнов то это не соответствует действительности. Естественно у "цельного полигона" есть не 100% ослабление от всего, что он должен экранировать, естественно нельзя "перегружать" землю в такой то области.

Очень хорошим примером может быть любая HPC карта на здоровой плис под PCIe слот на борту которой есть 4ранка ддр(как модулями так и memory down) и многофазное питание. Отдельно хочу отметить поделие под названием VCU1525 в котором местные "титаны" хилых додумались набрать именно такие преобразователи, чтобы фазы стояли перпендикулярно плис:biggrin: Также взгляд из другого мира- небольшие CPU based платки с OCP.

Quote

Согласен, что если на двухслойной, может и пройдет. но когда многослойная,  сверхплотный монтаж

Сверхплотный монтаж означает что как минимум один слой чисто компонентный, за исключением может полигональной разводки под SMPS- но в таких дизайнах одно другому не мешает. Также, с крайне высокой вероятностью в этом случае будет развитая HDI формула- и так же как минимум с одной стороны. Это все в сумме дает полный набор предпосылок чтобы отказаться от идиотских рекомендаций от резке по землям и сделать сразу уже даже не нормально, а как минимум хорошо.

Касаемо приведенных картинок:

п.7- все верно, особенно актуально для тех кто не режет неиспользуемые пады на виа под бга- мол, "не по технологии, дорогая пата выйдет":lol2:
п.8- все верно, хорошо показан неуместный стичинг при его использовании без оглядки на return path в конкретном дизайне
п.9- тоже все верно, но как раз именно это многие понимают не так как есть на самом деле
п.10- полная туфта:spiteful:

Quote

Насчет катушки - вопрос интересный. Щуп осциллографа рядом с катушкой (с порошковым экраном, типа IHLP) ловит значительные помехи. Под ней они тоже есть. Они будут и на полигоне под катушкой наводиться.

Здесь нужно звать one_eight_seven которому может быть не лень это все разнести вопросами касаемо всей метрологии в данном случае, однако его появление это лишь полезная опция(безусловно) и может не состояться по его же желанию- поэтому вопрос от меня: почему работают такие конструкции? 



 

Share this post


Link to post
Share on other sites

Эффекты проникновения поля прикидываю, основываясь на вот этой статье:

https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/an139f.pdf

Выдержка:

Shield.png

Т.е. глубина проникновения определяется скин-эффектом и эффектом близости. Грубо: глубина скина равна 66 делить на корень из частоты, складываю толщины всех слоев земли/питания на пути => прикидываю до какого слоя дойдет и с каким ослаблением. Ну и смотрю, что наведется в итоге на участке проводника в этой зоне. Сигналы с крутыми фронтами или малой амплитудой, конечно, не веду. Дифпары вроде бы устойчивы, но - боязно, т.к. поле неравномерное. Поэтому веду только статичные и в глубоких слоях.

"разнести вопросами" не надо, т.к. ответов хороших нет :biggrin:. Просто наблюдение, когда я подношу щуп близко к индуктивности. А насчет интегрированных модульков... Они же на отдельной плате собраны, там локальные земли пульсирующие. На базовую уже чище идет питание. Но это мое мнение. Глубоких познаний в ЭМИ нет. И приборов тоже нет таких.

 

Добавлю еще по разводке. Я уже писал, что зазор между контактными площадками блокирующих конденсаторов держу минимальным. Поэтому контур получается узким и вытянутым. Через входной контур стараюсь не вести, максимум через выходной. И пересекаю контур перпендикулярно его длинной стороне, чтобы уменьшить площадь воздействия поля.

Edited by ECreator
Исправление

Share this post


Link to post
Share on other sites
Quote

"разнести вопросами" не надо, т.к. ответов хороших нет . Просто наблюдение, когда я подношу щуп близко к индуктивности. А насчет интегрированных модульков... Они же на отдельной плате собраны, там локальные земли пульсирующие. На базовую уже чище идет питание. Но это мое мнение. Глубоких познаний в ЭМИ нет. И приборов тоже нет таких.

Ясно. Тогда конечно ой:biggrin:

Share this post


Link to post
Share on other sites

Я понял, что вы отметили. Ну я имел ввиду, что вы соединяете модуль с полигоном питания на базовой плате через переходные. Они имеют паразитную индуктивность и немножко изолируют пульсации, идущие с модуля. Ну и полигоны на модуле локально экранируют поле от индуктивности. Так я себе представляю. Но не буду больше искушать профи своими предположениями :blush:

Share this post


Link to post
Share on other sites
10 hours ago, EvilWrecker said:

почему работают такие конструкции?

 

А чего бы им не работать? ЭМС, конечно, могла быть лучше, но индуктивность рассеяния у обычных трансформаторов/дросселей бывает и больше.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Не удержался :biggrin:. Я так понял, что под словом "работают" имеются в виду разумные характеристики по входу/выходу: быстрая устойчивая отработка перепадов тока и разумные пульсации. Мне видится, что на полигон непосредственно под катушкой (на верхнем слое) действует поле катушки, полигон шумит, и это идет дальше по земле. Если бы его из под катушки убрать, то это не было бы плохо. Но там на модуле своя локальная керамика, свои контуры, свои локальные возвратные токи. Плюс по земле, как я написал, частично отсекается за счет индуктивности контактов и переходных. А если это все на основной плате стоит (т.е. рассыпухой на плате), то там уже общий стекап. Влияние, мне кажется больше. Где тут ошибка у меня в рассуждениях?

Edited by ECreator
Изменение

Share this post


Link to post
Share on other sites

Гиперлинкс, Сигрите, ЦСТ в помощь. Освоите эти инструменты - по EMI все вопросы отпадут, а так будете терзаться в сомнениях, из-за отсутствия опыта. Форум поможет только отчасти, компетенции у всех разные как и проекты. Референсы часто с большими допусками для демонстрации только. Перед рисованием схемы, нужно рисовать структурную схему; топологическую перед разводкой. Там и решать все вопросы по шумам, наводкам, объединения земель.  

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now