Massefläche und Rückstrompfade auf der Leiterplatte: Layoutregeln, die funktionieren
Strom fließt immer zur Quelle zurück. Ihm einen kurzen, ununterbrochenen Weg zu geben ist die wirksamste Layoutentscheidung für Störungen und EMV.
Strom fließt in Schleifen
Jeder Signalstrom kehrt auf dem Weg der geringsten Impedanz zu seiner Quelle zurück. Bei niedrigen Frequenzen ist das der Weg des geringsten Widerstands; bei hohen Frequenzen ist es der Weg direkt unter der Leiterbahn, weil dort die Schleifenfläche am kleinsten ist. Eine kleine Schleife strahlt weniger ab und fängt weniger Störungen auf. Dieser eine Gedanke erklärt die meisten Regeln für das Masselayout.
Eine durchgehende Massefläche verwenden
Auf einer Multilayer-Platine widmen Sie eine Lage der Masse und halten sie unter den Signalleitungen unterbrechungsfrei. Auf einer 4-Lagen-Platine ist der übliche Aufbau Signal, Masse, Versorgung, Signal, sodass die obere Signallage direkt über der Massefläche liegt (siehe Ratgeber Lagenaufbau und wie viele Lagen Sie brauchen).
Auf einer 2-Lagen-Platine füllen Sie beide Seiten mit Massefläche, verbinden beide Flächen mit vielen Vias und führen kritische Signale so, dass die Masse darunter nicht unterbrochen wird.
Die Fläche nicht unter einer Leiterbahn zerschneiden
Ein Schlitz, eine Lücke oder eine Teilung in der Fläche zwingt den Rückstrom zum Umweg und vergrößert die Schleife. Vermeiden Sie:
- ein schnelles Signal über eine Lücke in der Fläche zu führen;
- eine Reihe großer Durchsteckpads oder Vias so eng zu setzen, dass sie einen Schlitz bilden;
- die Massefläche ohne klaren Grund in getrennte analoge und digitale Bereiche zu teilen.
Eine einzige Massefläche mit sorgfältiger Platzierung (analoge Bauteile in einem Bereich, digitale in einem anderen, keine Signale zwischen beiden) funktioniert in der Regel besser als eine geteilte Fläche.
Stitching-Vias
Wechselt ein Signal die Lage, muss auch sein Rückstrom die Lage wechseln. Setzen Sie ein Masse-Via nahe an das Signal-Via, damit der Rückstrom folgen kann. Masse-Vias am Rand einer Fläche verbinden außerdem die Flächen miteinander und verringern die Randabstrahlung. Unser kleinster Bohrdurchmesser beträgt 0,3 mm bei 0,5 mm Pad (siehe Vias und Bohrungsgrößen).
Abblockkondensatoren
Setzen Sie den Kondensator so nah wie möglich an den Versorgungspin des integrierten Schaltkreises und verbinden Sie ihn mit einer kurzen, breiten Leitung oder einem Via direkt neben dem Pad mit der Massefläche. Eine lange Leiterbahn zwischen Kondensator und Pin erhöht die Induktivität und hebt den Nutzen auf.
Checkliste
| Prüfpunkt | Warum |
|---|---|
| Massefläche unter schnellen Signalen ununterbrochen | Hält die Rückstromschleife klein |
| Kein Signal über Lücke oder Schlitz | Verhindert den Umweg des Rückstroms |
| Masse-Via neben jedem Lagenwechsel-Via | Gibt dem Rückstrom einen Weg |
| Abblockkondensatoren an den Versorgungspins | Verringert Schaltstörungen |
| Flächen über mehrere Vias mit der Masselage verbunden | Vermeidet isoliertes Kupfer |
Entfernen Sie isolierte Kupferinseln oder verbinden Sie sie mit Masse: Sie wirken als Antennen. Wenn Ihr Layout fertig ist, gehen Sie die DFM-Checkliste durch und fordern Sie im Rechner einen Preis an.
Häufige Fragen
Soll ich die Massefläche in analog und digital teilen?
In der Regel nicht. Eine einzige durchgehende Fläche mit sinnvoller Platzierung der analogen und digitalen Bauteile und ohne Signale zwischen den Bereichen funktioniert normalerweise besser als eine geteilte Fläche.
Warum ist der Rückstrom wichtig?
Rückstrom und Signalstrom bilden eine Schleife. Je größer die Schleife, desto stärker strahlt die Platine ab und fängt Störungen auf. Eine durchgehende Massefläche unter dem Signal hält die Schleife klein.
Wo setze ich Stitching-Vias?
Neben jedes Signal-Via, das die Lage wechselt, und entlang der Ränder von Masseflächen, damit der Rückstrom dem Signal folgen kann und die Flächen verbunden bleiben.
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