Conception de PCB à 2 couches, technologie de trou traversant et plan de masse

Je conçois la disposition d'un PCB pour des applications audio (pas d'électronique numérique, seulement analogique).

Tous les composants sont traversants, le PCB est assez grand (environ 16 cm x 10 cm) et comporte 2 couches. Le trou traversant plaqué est soutenu par la technologie que j'utilise. Le circuit a une double alimentation.

Laquelle (et pourquoi) des solutions suivantes est la meilleure pour acheminer les signaux, les pistes d'alimentation et la masse?

• Couche SUPÉRIEURE: plan de masse; Couche INFÉRIEURE: signaux et lignes d'alimentation;
• Couche SUPÉRIEURE: signaux et lignes d'alimentation: Couche INFÉRIEURE: plan de masse;
• Couche SUPÉRIEURE: plan de masse et lignes d'alimentation; Couche INFÉRIEURE: signaux;
• Couche SUPÉRIEURE: signaux; Couche INFÉRIEURE: plan de masse et lignes d'alimentation;

Je pense que toutes ces autres réponses compliquent trop le problème. Les conceptions de trous traversants sont légitimes dans de nombreux cas, tout comme les planches à 2 couches.

Je recommanderais d'utiliser un plan au sol et un plan signal / puissance, sauf si vous avez une raison de ne pas le faire. Cette méthode de conception est éprouvée et je ne vois aucune raison de ne pas l'utiliser. Je pense que peu importe de quel côté vous mettez les signaux.

Vous devrez faire des sauts dans le plan du sol, mais cela ne posera aucun problème si vous évitez de faire de grosses coupes. J'ai fait une image rapide et terrible en peinture pour illustrer:

Comme Neil l'a mentionné, vos chemins de retour au sol sont importants, vous ne devriez pas les considérer comme terminés lorsqu'ils entrent dans le plan du sol.

La seule méthode que je recommanderais est celle que vous n'avez pas mentionnée.

Généralement, toute division arbitraire des espaces en pouvoir, sol, signaux, va vous causer du chagrin, car il n'est ni nécessaire de les partitionner comme ça, ni suffisant pour obtenir un bon résultat.

Si la carte était «difficile», donc mixte analogique / numérique, signaux à haute vitesse, courants élevés, SMPS, alors il serait avantageux de commencer avec un plan de masse complet. Mais cela ne suffit pas, vous devez savoir où circulent les courants de retour, car vous pouvez toujours vous tirer une balle dans le pied, même avec un plan au sol.

Je recommanderais la disposition de Manhattan, avec un terrain maillé.

Le grand avantage de Manhattan est que vous pouvez toujours trouver un itinéraire pour votre piste. Vous n'avez jamais à faire de compromis et prendre un signal sur une route sinueuse loin de son chemin de retour, ou couper un plan au sol pour vous faufiler sur une piste, détruisant son intégrité.

Le routage de Manhattan implique de dédier une couche pour les connexions Nord-Sud et l'autre couche pour les connexions Est-Ouest. Maintenant, vous pouvez toujours aller de A à B avec généralement une via, et vous n'avez jamais à vous demander comment traverser une piste.

Vous avez maintenant un moyen systémique d'acheminer votre planche, commencez par un terrain quadrillé. Sur une couche, placez une piste tous les 20 mm environ, en colonnes. Sur l'autre couche, faites de même en rangées. Via eux ensemble à chaque intersection. Vous avez maintenant un sol presque aussi bon qu'un avion et bien plus utilisable, car les deux couches sont toujours disponibles pour acheminer toute votre puissance et vos signaux. Déplacez un peu les pistes au sol pour accueillir vos circuits intégrés par tous les moyens, mais ne les éloignez pas trop.

Post-scriptum - plan de masse contre sol quadrillé.

J'ai eu des commentaires intéressants d'Umberto, Scott et Olin, qui suggèrent que je n'ai pas tout à fait compris mon point de vue. Je vais peut-être clarifier ce qui précède, tout en documentant mon raisonnement ci-dessous.

Je suis maintenant à la retraite et après une vie de mentorat d'ingénieurs juniors, l'un des plus gros problèmes auxquels ils sont confrontés est de faire une mauvaise conception sur une planche d'avion au sol. Ils semblent penser que l'avion au sol «s'occupera de toutes ces choses d'isolement», et ils cessent de penser. En conséquence, ils passent des courants élevés devant des entrées sensibles et ne parviennent pas à repérer les effets des courants de retour.

Afin de les aider à déboguer ces cartes, j'enlève le plan de masse et les force à considérer tous les courants de retour comme des flux discrets sur des pistes séparées. Une fois que le coupable a été trouvé et que le tracé a été corrigé, le terrain peut être restauré.

Sur une carte à 4 couches, il y a suffisamment d'espace pour en dédier une à un sol solide. Sur une carte à 2 couches, il y a une prime sur l'espace de routage. C'est pourquoi Manhattan, qui vous donne un moyen systématique d'acheminer n'importe quelle piste de A à B, est si utile. Si vous dédiez une de vos 2 couches à la terre, toute disposition non triviale se traduira par une ou deux pistes (ou plusieurs, hé, ce n'est qu'une autre) coupant le sol, détruisant son intégrité.

Sans plan au sol, un sol maillé est la prochaine meilleure chose. C'est flexible, vous pouvez augmenter le nombre de pistes au sol où vous en avez besoin. Il est totalement compatible avec le routage Manhattan. Lorsque vous avez terminé la mise en page, inondez certainement de cuivre moulu. Vous vous retrouverez avec quelque chose de mieux acheminé qu'un avion au sol haché, parce que vous avez pu penser à tous ces courants de retour que vous auriez pu espérer autrement être OK.

Un bon design de planche est presque autant un art qu'une science. Vous ne pouvez pas apprendre aux artistes à créer, vous ne pouvez pas apprendre aux ingénieurs à «sentir» où les courants vont circuler, jusqu'à ce qu'ils «l'obtiennent». Concevoir sans plan au sol est un moyen d'accélérer le processus de «réception».

Tous les composants sont à travers le trou

Pour cette seule raison, j'envisagerais d'utiliser un plan de masse en bas pour que les composants puissent être montés sans se soucier de savoir si leur corps pourrait entrer en contact avec du cuivre broyé.

Étant donné que c'est pour une boîte d'effets de guitare avec potentiellement beaucoup de vibrations et de mouvements en raison des boutons et des commandes contrôlés par le pied, je considérerais également comment les signaux sont acheminés sous les composants afin d'éviter le problème mentionné dans mon premier paragraphe.

Mais, pourquoi vous limiter à deux couches - retirez entièrement les pistes de signal de la couche supérieure et utilisez une carte à 4 couches. Le coût ne serait pas beaucoup plus élevé et la tranquillité d'esprit est une bonne chose.

Aucune de vos dispositions proposées n'est bonne. Un meilleur schéma que celui que vous mentionnez consiste à utiliser des pièces SMD. Cela présente un certain nombre d'avantages:

1. Une gamme beaucoup plus large de pièces est disponible.

2. Les mêmes pièces seront moins chères.

3. Il faudra beaucoup moins de tracas et de temps pour souder les pièces sur la carte.

4. Cela vous laisse plus de flexibilité pour le routage.

Pour une planche à deux couches, placez les pièces sur le dessus. Utilisez la couche supérieure pour autant d'interconnexions que possible. Réservez la couche inférieure comme plan de masse et utilisez-la uniquement pour de courts "cavaliers" d'autres signaux.

Gardez ces cavaliers séparés les uns des autres afin que les courants de terre puissent circuler autour de chacun individuellement. Vous souhaitez minimiser la dimension maximale de tout trou dans le plan du sol, pas le nombre de trous. Autrement dit, beaucoup de petites perturbations dispersées valent mieux qu'une seule grosse perturbation.

Effectuez toutes les connexions de terre avec des vias séparés juste à côté de chaque broche qui doit être connectée à la terre. Cela rend chaque connexion à la terre solide et minimise également les connexions à la terre gênant le routage des autres traces.

Bien sûr, vous devez toujours faire attention au routage des traces de signal. L'audio consiste à maintenir un rapport signal / bruit élevé. Par exemple, n'acheminez pas les traces de sortie amplifiées à proximité de traces d'entrée sensibles.

Pour plus d'informations, consultez cette réponse.

Si vous vous interrogez sur les plans au sol, vous devez oublier le trou traversant! Disposer de couches de masse et de puissance dédiées consiste à maintenir des chemins de faible impédance pour tous les courants. Les composants traversants ont beaucoup plus d'impédance que leur taille volumineuse et leurs fils.

Si vous voulez vous en tenir au trou traversant, je recommande une planche qui ressemble à peu près au schéma. Utilisez des zones au sol à la fois au milieu de la couche supérieure et inférieure. Utilisez les bords longs pour les chemins V + et V-. Créez des «doigts de cuivre» de la masse à V + / V- ou vice versa pour tenir compte des composants radiaux. Si votre circuit amplificateur a besoin de trois ou quatre tensions, utilisez la couche supérieure pour une paire de tensions et la couche arrière pour l'autre.

N'oubliez pas que, du point de vue AC, V +, V- et GND sont identiques. Il est aussi important d'avoir une basse impédance V + et V- que GND.

Le remblai inférieur est continu là où les doigts V + / V- cassent celui du haut, et vice versa. Utilisez les vias du composant THT pour la connexion des deux remplissages GND. De cette façon, vous donnez aux trous traversants une raison d'exister. Utilisez des vias supplémentaires si nécessaire.

C'est tout le contraire de la conception de la carte dont un circuit numérique a besoin. Imaginez maintenant les maux de tête de la création d'une carte à signaux mixtes.