Placering av avkopplingskondensatorer

[grottan]

Hur gör ni med placering av avkopplingskondensatorer när man har ett två-lagers kretskort där ena sidan är 0V och andra sidan +5V?

Avkopplingarna bör ju sitta så nära komponenten den skall skydda, t.ex en 7805:a bör/skall ha en kondensator på var sida och logikkretsar bör avkopplas mellan matningen och 0V. På kort som inte har stora jord/spänningsplan blir placeringen rätt naturlig och avkopplingsfunktionen känns "logisk". Även ett kort med jordplan på ena sidan och resterande signaler dragna individuellt är det relativt logiskt med placeringen, ena benet så nära +5V anslutningen på kretsen och andra till 0V planet.

Men, hur tänker man med kort där man har ett 0V och ett +5V plan?

[gkar]

Om du har både 0 och 5V plan då gissar jag att du har fler än 2 lager i kortet, eller så har du ett tvålagerskort med dåliga plan?
Har du bra plan är det viktigare att ansluta kretsen direkt till planet än att att kondensatorn sitter nära kretsen.

[butthead]

Det finns hur mycket exempel som helst på google hur du lämpligast placerar avkopplingskondensatorer. Bättre att du kollar där.

2-lagers där ena sidan är 5V och andra 0V? Då blir det inte så mycket ledare på det kortet?

"Plan" brukar man ha på innerlager där man inte drar ledare och så försöker man placera och designa viorna så att de inte förstör så mycket i planen de inte är anslutna till. För returströmmen vill gå exakt samma väg tillbaka i innerlagret som det gjorde på signallagret. Annars blir det emission. Jag brukar kolla Eurocircuits hemsida hur de vill ha viorna. Så får man samtidigt information om clearance och min track width m.m.

Du vill ha så lite induktans i ledararna för dessa kondensatorer som möjligt. Kort avstånd gör störst skillnad, även om bredden spelar roll. Man sätter ibland flera vior bredvid varandra.

4-lagers är inte så dyrt att låta tillverka på t.ex. PCBway annars. Då får du kolla PCBway's hemsida istället hur små viorna kan vara.

edit: "gkar":s förslag med distribuerade avkopplingskondensatorer går också bra, (möjligtvis bättre) finns en hel artikel om det här:
https://incompliancemag.com/article/imp ... pacitance/

edit igen: firstpcb var det som hade OK priser på 4-lager.

[Synesthesia]

Om jag gör tvålagerskort där det behövs avkopplingskondensatorer brukar jag ha ena sidan som jordplan och den andra sidan för resten av ledarna, inklusive +5V, om jag måste så blir det några ledare genom jordplanet men då så få och korta sträckor som möjligt. Då blir det lätt att få till en kort sträcka till avkopplingskondensatorerna.

[Icecap]

I Elektronik i Norden var det för ett bra tag sedan en artikel om avkoppling.

De fokuserade på ytmonterade flerlagerskondingar och testen visade att skillnaden mellan 10nF och 100nF var obetydlig i sig.
Den verkliga faktorn var ledarnas dragning!

De ska vara korta, en via räknas som en liten induktans men man kan göra det ganska bra ändå.

Jag har gjort 2-lagers kort som har klarat EMC-testen utan ändringer i annat än den monterade SMPS som störde ut på 230V.
Den 16-bit MCU med all logik som körde gav ingen problem alls i EMC-väg.

[limpan4all]

Jag har faktiskt labbat med tvålagerskort.
Samma grundlayout tillverkades i flera varianter. Inga plan alls bara ledare, top till +5V bottom till 0V, top och bottom till 0V och extra viahål som kopplade ihop det hela. Samt ett fyrlagerskort med 0V och 5V plan som innerlager och 0V på ytterlagren allt förbundet med extra viahål.
Som väntat så hade 4-lagerskortet bästa EMC egenskaperna, men 2 lagerskortet med topp och bottom till 0V samt ca 1 extra viahål per cm2 som knöt ihop topp och bottom gav nästan lika bra värden som 4 lagerskortet.

Sedan var 2 lagerskortet med +5V på yop och 0V på bottom betydligt sämre. Och självklart så var det "rena" tvålagerskortet utan några plan alls sämst, men det var inte mycket skillnad mot +5V topp 0V bottom varianten.

Dessa tester gjordes 1992, så det var hålmonterade komponenter och bara 20MHz i processorhastighet, så relevansen kanske inte stämmer helt idag. Så tag infon som den är.

[rvl]

En tid var det populärt med ett rutnät istället för homogena jordplan. Hade det några fördelar? (Edit: en fördel kanske var att plotta ut layouten snabbare.)

[limpan4all]

Bara för mönsterkortstillverkarna (lättare att få till lika stora kopparytor på båda sidorna) och jobbet att skapa filmerna som krävdes (man slapp skriva ut filmer med större apperturer (på den tiden då man fotoplottade orginalen på film, allt ändrades när man laserplottade) och sedan kopiera dom sedan lägga ihop dom med orginalen och kopiera dom två gånger), ur EMC synvinkel så är det alltid sämre än massiva jordplan.

[grottan]

2-lagers där ena sidan är 5V och andra 0V? Då blir det inte så mycket ledare på det kortet?

Satt och lekte lite med ett kort där det enda som sitter på kortet är två plintar, en 7805 (med kondensatorer) och en optokopplare så just i detta fallet blev det i princip obrutna plan på ovan och undersida

Men, grym kompetens på detta forum - man lär sig alltid något nytt!

[Pucco]

Det man måste tänka på är att varje signal(ström) som går på kortet i en riktning måste ha en returström som då tar den väg som råkar finnas. Idealet är att använda differentiella signaler men det är oftast inte möjligt. Det näst bästa är att använda hela jordplan eller spänningsplan avkopplat till jord på lämpliga (många) ställen. Jordplanet kan byta sida på kortet om man har många viahål som ansluter vid övergången för att få låg impedans/induktans. Har man ett avbrott i jordplanet eller att signalledaren går över ett område utan jordplan måste returströmmen ta en omväg och skapar då EMC-störningar eller ringningar på signalen. Ju högre frekvens/branta flanker desto viktigare att hålla jordplan intakt.

[gkar]

I Elektronik i Norden var det för ett bra tag sedan en artikel om avkoppling.

De fokuserade på ytmonterade flerlagerskondingar och testen visade att skillnaden mellan 10nF och 100nF var obetydlig i sig.
Den verkliga faktorn var ledarnas dragning!

De ska vara korta, en via räknas som en liten induktans men man kan göra det ganska bra ändå.

Här är artikeln i pamflettformat.

[E Kafeman]

Det är i mängder av utvärderingar både praktiskt och teoretiskt utvärderat hur bra en avkoppling kan tänkas fungera och ur vilket av kanske flera EMI-aspekter.
Grundtanken är alltid att minsto loop-arean är den som strålar sämst, inducerar minst med strömmar på andra ledningar.
Utöver liten looparea kan man låte själva transmissions-ledaren vara en del av av kondensatorn. Detta åstadkoms genom att strömvägen kopplas mycket tätt till motriktad retur-strömväg med låga induktiva förluster, dvd breda ledare.
Sådan koppling så att det är ett intressant alternativ kräver ofta mindre avstånd mellan ledare än vad som är normalt förekommande mellan två PCB-plan.

Kondensatorns funktion är att med så små förluster som möjligt återleda högfrekventa strömmar.
Val av smd kondensators kapacitans för avkoppling är därför enkelt. För en given kondensatorfamilj, säj kapslingsstorlek 0402 med familj GRM15 och dielectra X7R från Murata, väljer man det största kapacitiva värdet i denna serie och spänningsområde.
Detta då alla lägre kapacitiva värden har högre ESR för samma frekvens oavsett SRF. Utesluter inte individuella tillverkar-variationer men har aldrig sett sådana.

SMD_DIL.png

För TTL DIL fanns förr sådana här hållare med inbyggd kondensator. Fanns många variationer på temat.
Iden var en kondensator som till minsta möjliga loop-area avkopplade mellan jord och matningsspänning.
Det blev sällan bra ur EMI-synpunkt.
Kondensatorn agerar i detta fallet lokal kraftbuffert när TTL-kretsens utgång försöker skifta status så fort som möjligt.
Utan kondensatorn blir det ett spänningsdropp vid Vcc när en utport skiftar status och flanken blir slöare pga av reducerade strömtillgången, men med kondensatorn så orkar utgången skifta med brantare flanker, dvs med mer högfrekventa och möjligt oönskat EMI som resultat. Ofta med större konsekvenser då utsignalens loop-are kanske var betydligt större om det var en längre ledning som gick till andra kretsar kanske 10 cm bort.
Detta var ett stort problem vad gäller minnes-bussar på den tiden när man körde med DIL-kapslar för både minne och processor. Å ena sidan ville man avkoppla kretsen för att det stabilt skulle kunna arbeta på höga klock-frekvenser men ville hålla nere flankbrantheten i bussarna.
Höga klockfrekvenser var relativt med tanke på vad som på den tiden betraktades som snabbt, kanske 40 -100 MHz,
Ett av flera alternativ för att hantera inte bara Vcc utan samtliga pinnar på en digitalkrets togs fram. En lösning bestod i en underläggsplatta av ferrit-material som placerades under DIL-kretsen med genomföringshål för samtliga ben.
Det var relativt bra sätt att få ner EMI-nivåer men samtidigt begränsade det max möjliga stabila klockfrekvens.
Lösningen på detta problem bestod i flera delar, dels nya digital familjer med samma flankbranthet/strömdrivförmåga på både positiv och negativ flank till skillnad från t.ex. 74LS och dels att kunna hantera en stor mängd PCB-ledare vid caddningen så att de gavs transmissions-ledar-egenskaper för impedansmatchning mot signalingångarnas impedans (vilken sällan är 50 Ohm). I ungefär samma tidpunkt uppfanns spread spectrum som ett sätt att minska peak EMI-nivåer för klockfrekvenser. Genom välkontrollerat banta flanker på signal-utgångar minskas mängden EMI som kan leda till EMI-problem eller instabila omslag pga ringning.
SMD-kretsar intåg minskade dessa problem stort. SMD-kretsar har en betydligt lägre profil ovan jordplan vilket minskar loop-arean för signalledningar avsevärt jämfört med DILL-kretsar och dess mindre yttre storlek gör att extern Vcc-avkoppling även den får mindre loop-area och då avkopplingen görs med SMD-kretsar så minskar förluster pga långa anslutningsben.

Helt jordplan, jordfyll i topplage
, med rikliga genom-plätteringarr där så går, beräknade transmissions-ledare för signaler som behöver branta flanker och lågt jitter i både sändar och mottagar-chip som bägge ska ha så stabil och gemensam jordreferens som möjligt. Då kan man skicka signaler med små förluster via PCB i hög takt utan att det ger vare sej interna eller externa EMI-problem.

Detta med begränsat, ej oändligt, jordplan är alltid ett problem där jordplanet för en given punkt kan vara strömåterledare från flera olika typer av kretsar typ digitala, analoga, switchade spänningsomvandlare, och RF-chip. Det är alltid vissa delar av jordplanet som har en förmåga att bli mer het än andra där olika jordströmmar överlagras påtagligt på varandra och med otur så leder det till en hel skala av olika EMI-fenomen. Det är sällan ett problem om man tänkt efter redan vid caddningen men kan bli stort problem att hitta och rätta till i efterhand.
Kanske även skulle lägga till att om man inte kan åstadkomma impedansmatchning för kritiska kretsar typ klockor eller RF så leder det ofta till stående våg över stora delar av jordplanet där en av de heta delarna av jordplanet ofta är den punkt som är längst från signal-källan. Kan vara förvirrande vid felsökning med strömprob.
Det är samma fenomen som många som sysslar med HAM upplevt där mikrofonens jord blir en het ände som kan kittla när man sänder om man har reflektioner från antennen.

En grundläggande text som förklarar ovan i lite mer detalj: https://www.eit.edu.au/cms/resources/bo ... ard-layout