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Introduzione
Vi siete mai chiesti perché dobbiamo mettere uno strato di rame sul lato inferiore dei nostri circuiti stampati? E perché è così importante assicurarsi che sia ben collegato?
Il piano di massa è la base di qualsiasi circuito stampato (PCB). Fornisce una connessione elettrica tra tutti i componenti presenti sulla scheda, consentendo loro di comunicare tra loro. Senza un piano di massa efficace, si finirebbe per avere un groviglio di segnali senza alcun modo per ordinarli.
Introduzione al piano di massa PCB
Come funziona il piano di massa in un PCB?
Non si tratta di un semplice pezzo di rame: è uno strato specifico del circuito stampato e deve essere realizzato con un tipo speciale di rame, sufficientemente spesso da fornire un percorso solido per la corrente.
Lo scopo del piano di massa è quello di fornire un'ampia superficie per il passaggio della corrente. Funziona riducendo l'impedenza e aumentando la larghezza di banda. Un PCB con un piano di massa avrà una maggiore capacità di corrente rispetto a uno senza; questo lo rende ideale per circuiti ad alta potenza come quelli utilizzati nella logica digitale o nelle applicazioni a radiofrequenza.
Un piano di massa è fondamentale perché contribuisce a ridurre le interferenze elettromagnetiche (EMI). Quando più segnali sono in circolazione, possono interferire tra loro e causare problemi. Maggiore è la superficie del piano di massa, minore sarà l'interferenza tra i segnali.
Piano di massa in un PCB
Perché il piano di massa PCB è importante?
Fornisce un punto di connessione per tutti i componenti sulla scheda. Ciò consente una distribuzione uniforme dell'elettricità nell'intero sistema, prevenendo i punti caldi e contribuendo a garantire che nessun singolo componente sia sovra o sottoalimentato.
È inoltre importante per ridurre le interferenze elettromagnetiche (EMI). Questo è un aspetto particolarmente rilevante quando il PCB si trova in prossimità di apparecchiature o dispositivi sensibili, come computer o apparecchiature mediche . Il piano di massa può ridurre tali interferenze fornendo un percorso per la dissipazione dei campi elettromagnetici.
Tipi di piano di massa PCB
Esistono molti tipi diversi di piani di massa PCB. Il tipo che scegli dipende dall'applicazione, dal budget e dalla necessità di flessibilità.
Tipi di piano di massa PCB
Terra terra
Un piano di massa è il componente più grande sulla scheda ed è assolutamente necessario per il corretto funzionamento.
Il piano di massa fornisce un percorso per il flusso di corrente tra l' alimentatore e il dispositivo stesso. Ciò garantisce che non vi sia alcuna differenza di potenziale tra due punti qualsiasi sulla scheda. Se una parte del prodotto necessita di più energia rispetto a un'altra, è facile aggiungere ulteriori connessioni tra quei due punti; ma se non sono collegati affatto, sarà necessario trovare un altro modo per collegarli, il che potrebbe essere molto più complicato.
I piani di massa sono tipicamente realizzati in rame per via della sua elevata conduttività e bassa resistenza (l'opposto della resistenza). Possiede inoltre un'eccellente conduttività termica, che permette al calore di dissiparsi rapidamente dai componenti elettronici sensibili come transistor o microchip.
Terra terra
Massa del telaio
È costituito da un singolo strato di lamina di rame che ricopre l'intera superficie del circuito stampato . Il piano di massa del telaio è collegato al terminale di massa di ciascun componente. Ciò contribuisce a ridurre le interferenze elettromagnetiche (EMI) fornendo un'ampia superficie per la messa a terra.
Il piano di massa del telaio funge anche da schermo elettromagnetico, proteggendo dai rumori ad alta frequenza causati dalle interferenze a radiofrequenza (RFI) e dalle interferenze a radiofrequenza (RFI).
Massa del telaio
Massa del segnale
Utilizzati per fornire un piano di massa a bassa impedenza per le tracce di segnale. Si trovano spesso sotto l'alimentatore e possono essere realizzati in rame o alluminio . Le dimensioni di questo piano dipendono dalla quantità di corrente che lo attraverserà.
Massa del segnale
Terreno galleggiante
Questo piano di massa viene solitamente utilizzato quando i condensatori di disaccoppiamento dell'alimentazione sono posizionati vicino ai pin di ingresso o di uscita di un circuito integrato. Un esempio tipico è un amplificatore con un alimentatore a basso costo, dove i condensatori di disaccoppiamento sono collocati proprio accanto ai pin di ingresso e di uscita.
Terreno galleggiante
Terreno virtuale
Un piano di massa virtuale, presente solo in una specifica regione del PCB, si trova sulla superficie interna della scheda e contribuisce a ridurre la diafonia e a migliorare le prestazioni del circuito. Il piano di massa virtuale può essere utilizzato in combinazione con un piano di massa fisico, che deve essere posizionato in altre regioni della scheda non collegate a tracce o via.
Terreno virtuale
Terra AC
Un tipo di piano di massa del circuito stampato che ha uno strato isolato di rame che funge da conduttore di terra.
Lo scopo dell'utilizzo di un piano di massa CA su un PCB è quello di fornire un percorso per il flusso della corrente senza interferenze da parte di altri componenti sulla scheda. Se non ci fosse un percorso per il flusso della corrente, causerebbe interferenze tra i dispositivi che utilizzano l'elettricità.
LOGO TERRA
Metodi utilizzati nella messa a terra del PCB
Esistono alcuni metodi diversi utilizzati nella messa a terra del PCB. Questi includono:
Tracce di terra
Sono i percorsi compiuti da un materiale conduttivo per creare una connessione tra due o più componenti elettrici. Le tracce di terra vengono in genere utilizzate per collegare le piazzole di rame su un PCB al piano di terra, uno strato di rame che scorre sotto tutti gli altri strati in un circuito stampato. Il piano di massa è solitamente collegato a un'estremità alla messa a terra e all'altra estremità all'alimentazione.
Tracce di terra
Piano terra comune
Un piano di massa comune è una configurazione di layout di PCB in cui tutti i componenti sono collegati a un unico piano di massa. Il piano di massa è collegato all'alimentazione e funge da canale di ritorno della corrente comune.
Piano terra comune
Messa a terra equipotenziale
Un metodo per creare un piano equipotenziale sulla superficie di un circuito stampato (PCB). Questo metodo utilizza rame e un laminato di rame rivestito di rame per creare una superficie che si trova allo stesso potenziale del piano di massa.
Messa a terra equipotenziale
Strato di terra dedicato
Questo metodo viene utilizzato quando il PCB ha un solo strato per la messa a terra e l'isolamento. Lo strato di massa dedicato è realizzato in lamina di rame o resina epossidica conduttiva ed è collegato al piano di massa tramite vie. Le vie di collegamento sono riempite con saldatura o resina epossidica conduttiva.
Strato di terra dedicato
PCB Ground Plane Scopo in un PCB
Lo scopo del piano di massa PCB è il seguente:
Ridurre il rumore
Questa è una grande area di rame collegata all'alimentazione. Il piano di massa funge da singolo punto di connessione per tutti i componenti del circuito e aiuta anche a ridurre il rumore nel circuito schermando i componenti dalle interferenze elettromagnetiche.
Ridurre le interferenze
Un piano di massa è uno strato sul PCB collegato al bus di terra. Il bus di terra è tipicamente realizzato in rame e attraversa l'intera scheda. Il piano di massa consente una migliore conduttività tra i componenti e riduce le interferenze da altri componenti.
Ritorno di tensione
Lo scopo di un piano di massa su un PCB è quello di fornire un percorso a bassa resistenza per il flusso della corrente di ritorno. Ciò consente allo strato metallico di agire come un singolo grande condensatore, immagazzinando carica e rilasciandola a una velocità inferiore rispetto alla variazione della tensione di alimentazione .
Segnale di ritorno
Il piano di massa del PCB funge da percorso di ritorno per tutti i segnali su un circuito stampato. Aiuta anche a dissipare il calore e fornire schermatura elettromagnetica.
Power Integrity
Serve come punto di riferimento comune per tutte le tracce di circuiti, componenti e altri percorsi elettrici. Il piano di massa fornisce un punto di riferimento stabile per tutte le tensioni, che consente loro di essere confrontate l'una con l'altra e trasmesse in tutto il sistema.
Differenziazione della frazione analogica e digitale
Un altro scopo di un piano di massa è quello di differenziare tra le frazioni analogiche e digitali del circuito. Senza questa differenziazione, i segnali elettrici nel tuo circuito sarebbero indistinguibili l'uno dall'altro.
Distribuisce alimentazione CC
Questo è collegato al lato negativo della fonte di alimentazione del circuito. Questo viene fatto per fornire un'ampia superficie per il flusso di corrente, che aiuta a ridurre la resistenza elettrica e aumentare l'amperaggio.
Abolisce la diafonia
La diafonia è l'interferenza che si verifica tra i segnali elettrici che viaggiano attraverso diverse parti del circuito. Se un segnale attraversa un altro segnale che viaggia in una direzione diversa, si verificherà un effetto eco, in cui entrambi i segnali vengono riflessi avanti e indietro tra loro più volte prima di essere completamente cancellati. Ciò può causare problemi con la qualità del suono o la trasmissione dei dati su lunghe distanze.
Il piano di massa del PCB elimina questo problema creando un'area su cui tutti i segnali possono viaggiare liberamente senza essere disturbati da altri segnali che lo attraversano.
Dissipazione di calore
Questo è uno degli aspetti di progettazione più critici perché mantiene freddi i componenti del circuito. Più efficiente è la dissipazione del calore, più efficiente è il funzionamento complessivo del circuito stampato.
Scopo del piano di massa in un PCB
Suggerimenti sull'utilizzo del piano di massa sul PCB
La messa a terra del circuito al piano di massa è uno dei modi migliori per migliorarne le prestazioni. È anche un ottimo modo per assicurarti di non cortocircuitare accidentalmente alcun componente nel tuo progetto. Se un componente ha un cortocircuito, può danneggiarlo e causare un guasto prematuro.
Suggerimento 1: controlla l'attaccamento di tutto
Quando stai progettando il tuo PCB, la prima cosa da controllare è l'attacco di tutto. Assicurarsi che il piano di massa sia collegato correttamente al resto del circuito stampato.
Suggerimento 2: mantenere intero lo strato di terreno
Lo strato di base dovrebbe essere mantenuto intero, quindi non vuoi romperlo con vias o altre caratteristiche che ne diminuirebbero l'efficacia.
Suggerimento 3: avere un punto di riferimento comune
Se stai utilizzando i piani di massa sul tuo PCB, assicurati di avere un punto di massa comune. Ciò assicurerà che tutti i collegamenti elettrici siano adeguatamente isolati e non causino problemi con il circuito.
Suggerimento 4: ridurre al minimo l'utilizzo di Vias in serie
Se riesci a evitare che il piano di massa venga interrotto da troppi via in serie, funzionerà meglio come dissipatore di calore e ridurrà il rischio di cortocircuiti.
Suggerimento 5 – Progettare la messa a terra prima dell'instradamento
Per assicurarti di non aver tralasciato alcun punto di messa a terra, progetta il piano di massa prima di instradare i cavi . Questo ti aiuterà a identificare quali parti del circuito devono essere messe a terra e dove devono essere posizionati i relativi punti di messa a terra.
Suggerimento 6: comprendere il flusso di correnti nel PCB
Prima di iniziare a progettare il piano di massa, è necessario comprendere come scorre la corrente attraverso il PCB. Le correnti possono essere classificate come positive, negative o bilanciate. Le correnti positive si muovono da una sorgente positiva (come un LED ) a un punto di contatto negativo (come il piano di massa). Le correnti negative si muovono da una sorgente negativa (come una resistenza) a un punto di contatto positivo (il piano di massa). Le correnti bilanciate, come suggerisce il nome, sono costituite da quantità uguali di correnti positive e negative che le attraversano.
Suggerimento 7 – Preparati alla varianza dinamica
Quando progetti un PCB, assicurati di essere preparato per la varianza dinamica. La varianza dinamica è la differenza tra i valori effettivi e presunti delle prestazioni di un circuito durante il funzionamento. Ciò può essere causato da variazioni di temperatura o altri fattori ambientali, nonché da componenti che vengono utilizzati in modo diverso da quello per cui sono stati progettati.
Suggerimento 8: controlla i segnali analogici e digitali
Quando si progetta un circuito stampato, il piano di massa è un componente cruciale che aiuta il flusso del segnale. È necessario controllare i segnali analogici e digitali sul PCB per assicurarsi che funzionino correttamente.
Conclusione
I piani di massa del PCB sono molto importanti e devono essere progettati correttamente. Utilizzare le dimensioni adeguate per coprire la massima area possibile, considerando che la maggior parte delle correnti ritorna alla fonte di alimentazione attraverso il terreno.
