Разведение питания

При конструировании электронных устройств есть ряд особенностей которые явно не видны на схеме и не обнаруживаются в симуляторах, но оказывают активнейшее влияние на работу схемы, провоцирующее плавающие глюки и неполадки.

Хорошим источником приколов может служить земляная шина, будучи проложена без учета ряда особенностей.

Вообще, грамотная разводка это та еще черная магия. Толковых подробных мануалов по сему предмету я не встречал, а все что знаю — продукт собственных умозаключений и обрывки толковых мыслей с разных форумов. В общем, если есть что добавить — добавляйте.

Гладко было на бумаге, но забыли про овраги
Представим себе схемку, обычная такая схема. Питальник, хороший мощный. Цифровая управляющая логика — микроконтроллер, Большой П… в смысле потребитель — мощная силовая нагрузка. Жрущая, например, 10А. И датчик, который измеряет некоторые параметры Большого П и скармливает контроллеру. Как то так:

Будет работать? По идее должно. Но для того, чтобы оно работало надо это дело воплотить в печатной плате и изготовить. Разводка платы в первом приближении выглядеть может так:

В самом деле, чего мудрить то? Все просто и очевидно. На бумаге, ага. Прикол в том, что дорожки далеко не идеальные и у них тоже есть сопротивление. Небольшое, десятые доли Ома, но есть. Перерисуем первоначальную схему исходя из этого уточнения:

А теперь врубаем наш БОЛЬШОЙ ПЭ. И он вкачивает в нашу, нифига не идеальную, земляную дорогу свои 10А , щедро загребаемые им с 40 вольтового выхода. Мощно подтягивая ближний конец линии к своему питанию.

И на каждом участочке нашей земляной линии высаживается какое-то напряжение. Исходя из закона Ома — это будет I*R, при сопротивлении в 0.1 ом и токе в 10А мы имеем 1 вольт. Это на каждом кусочке! Т.е. чем дальше от нашей точки нулевого потенциала (минус питания, куда приходят все токи) тем больше нарастание падения.

И вот смотрим ситуацию — на нашей земляной линии образовались падения напряжения и чем дальше от БП, тем они больше суммируются, приближаясь к питанию силового элемента. Да так, что наш контроллер вообще обесточился — на его земляном входе оказалось 5 вольт, что дало разность потенциалов между его Vcc, запиатанной от +5 вольт, в 0. А будь ток не 10А, а в два раза больше, то там бы было 10 вольт (-5V разницы) и эффект был бы равносилен переполюсовке, что моментом отправит наш контроллер в ад.

При меньшем токе, мы бы получили снижение питания контроллера со всеми вытекающими последствиями, как то сбои, рассогласование уровней с датчиком, которого накрыло меньше, т.к. он был ближе к земле. Но тоже приятного мало.

Что делать?
Решение очевидное — в таких случаях надо просто разнести контура силовой и управляющей части, выделить под мощные токи отдельную дорогу, дабы не делать падение напряжения.

Усе, теперь эти 10А сразу попадут на БП, не создавая нам перекосов в управляющих цепях.

Мины рвутся по углам
С Большим ПЭ ситуация ясна и прозрачна, однако бывают и менее явные случаи. Что у нас может дать бесконечно большой ток на бесконечно малом промежутке времени? Правильно — заряжающийся кондер.
А поможет ему в этом заряженный кондер на выходе блока питания, одолжив ему энергии для диверсии — он, в отличии от Блока Питания, имеет предельно низкое внутреннее сопротивление и способен такой ток выдать.

Конечно длительность такого процесса будет микроскопической, в зависимости от размеров заряжаемой емкости. Но так и контроллер у нас далеко не тормоз — ему этого дрыга хватит вполне чтобы ребутнуться или зависнуть.

А если возникнет импульсный бросок напряжения между выводами кварца, то контроллер может посчитать это за ложный тактовый импульс. И если он будет короче предельно допустимого тактового импульса, то контроллер запросто может повиснуть или заглючить — какая либо из цепей не успеет правильно обработать и привет. И фиг ты такое отловишь, а без осциллографа просто труба.

В общем, критические земляные цепи, вроде кварцев, должны быть разведены тупиковыми ветвями, не допускающими сквозных токов.

Где прячутся конденсаторы
А они повсюду, где то больше, где то меньше, но емкости присутствуют повсеместно, начиная от емкостей между дорожками и кончая затворами полевых транзисторов. Переключение этих транзисторов это банальный перезаряд этих емкостей.

А учитывая, что все современные микроконтроллеры построены на сотнях тысяч полевых транзисторах и у каждого из которых есть своя затворная емкость. Она может и незначительная, но их там дофига, и тикают они синхронно.

Поэтому-то на шины питания микросхем рекомендуют ставить керамические кондеры, причем максимально близко к микрухам. Они служат для подпитки энергией при перезарядке множества паразитных емкостей транзисторов внутри контроллеров, чтобы эти броски тока не лезли наружу, не загаживали питание.
А шины питания и, особенно, земли стараются делать максимально толстыми — для снижения сопротивления, и стараются разводить их звездочкой. Дабы не допускать замкнутых контуров, чтобы токи разных потребителей, особенно мощных или с повышенным количеством перезаряжающихся емкостей, не шныряли по чужим землям.

Плюс не стоит выпускать из виду и такой момент как электромагнитные наводки. Мощная силовая дорога, идущая по плате круголями, может послужить зверской катушкой индуктивности и навести кучу мусора на информационные цепи. Пример я уже приводил, причем там была слаботочка.

В аналоговых цепях, особенно микровольтных и слаботочных, это все еще жестче. Т.к. там малейший цифровой мусор в шине питания/земли может быть соразмерен полезному сигналу, сводя на нет все попытки его обработать. Поэтому там цепи прячут под экранирующие колпаки — защита от электромагнитных наводок и размещают подальше от цифровых — защита от паразитных емкостей между цифровыми и аналоговыми сигналами.

60 thoughts on “Разведение питания”

    1. Да. Ещё что-то более худшее, там где вообще прямоугольный импульс-то разлядеть невозможно я видел, когда подсоединил щуп осцилла к выходу элемента простейшей логики, чтоб посмотреть работает она или нет. То был генератор на кварце на 4МГц приблизительно. А там сплошной «звон» — одни колебания. Но это несколько из другой оперы, не относящейся к данному вопросу про питание

  1. Дорожки на плате, по которым течёт большой ток, можно ещё сверху пропаивать многожильным проводом.
    Если в схеме присутствуют цифровые, анаоговые (особенно ВЧ) цепи то желательно их питание разделять П-образными LC фильтрами, а если напряжение питания аналоговой части схемы меньше основного используемого в схеме то можно поставить и стабилизатор ну или RC фильтр на крайний случай.

    1. а если посмотреть хотя бы на блок питания компа, то видно, как на силовых дорогах оставлены пустоты в паяльной маске, и при монтаже тада попадает припой(несколько мм толщиной), что служит аналогом пропайки проводом

      http://www.overclockers.ru/images/lab/2008/06/14/Huntkey/11-dhp_pcb_b.jpg
      вот тут вообще все залито припоем :)

    1. Если там нет силовых цепей то вполне так. Но желательно все же поглядеть, чтобы там не образовывались контура. Иначе будет как в скриншоте которые IAR приложил ниже.

    2. В большинстве случаев да, но если схема имеет точную аналоговую часть, то земли (аналоговые и цифровые) прийдется разделять, а в особо сложных случаях ставить фильтр по питанию

  2. На рисунке «Еще лучше» землю от конденсаторов кварца надо отдельным проводом привести на ногу процессора со стороны процессора и больше ничего не должно на нем быть,а общую землю надо привести отдельным проводом на эту же ногу,желательно в районе кварца не проводить других сигналов.

  3. Не так давно делал один девайс на тини 2313 — управление аналоговым тв тюнером (селектором каналов).
    В общем ничего сложного — синтезатор напряжения настройки (10-разрядный шим на таймере 1) + 3-х разрядный светодиодный индикатор + кнопки + пульт. Все работало, вот только при рестарте питяния портилось содержимое еепром (настройки каналов) по случаному адресу. Фьюзы настроены корректно (BOD на 4,3 вольта + задержка старта на 64uS). После прочтения статьи внимательно взглянул на плату. Тинька и конденсаторы кварца подключались к земляному полигону РАЗНЫМИ дорожками. В общем подключил землю конденсаторов непосредственно к земле тиньки проволочной перемычкой — глюки ВОЛШЕБНЫМ ОБРАЗОМ исчезли. Век живи — Век учись !!!

  4. Думаю, надо обязательно напомнить, что кроме АКТИВНОГО сопротивления дорожек есть еще и ИНДУКТИВНОЕ. Т.е. даже если дорожка будет из сверхпроводника ;) _импульсы_ тока через нее все равно будут создавать падение напряжения. Все согласно формуле для ЭДС интуктивности E=-L*(dI/dT).

    Например, индуктивность сантиметра дорожки 0,3мм примерно 10нГн. Если высокоскоростной ключ включает ток в 1А за 10нс, то на эти 10нс падение напряжения на такой дорожке составит 1В. Причем даже не обязательно, чтобы это был «мощный потребитель» — для них мы и так делаем дорожки потолще ;) — вполне достаточно разряженной емкости после такого ключа.

    1. Многие забывают, что индуктивность зависит еще и от ширины дорожки. При равной длине чем уже дорожка, тем больше индуктивность. Некоторые сейчас в погоне за «модой» норовят сделать дорожки 0,3-0,5, а то и чуть ли не 0,1мм, да еще и хвастаются этим. А я гляжу потом на эту паутину и прикидываю, что же за херня у них там с сигналами творится, и как вообще еще все это работает… Да и работает ли? А потом обсуждают глюки программы и влияние луны на котовы яйца…

      1. Вот и я о том же! Делайте по возможности дорожки ширше, особливо питающие. Даже если у вас там нет мощных активных потребителей в «явном виде». Импульсы тока синхронного переключения сотен-тысяч логических элементов — тоже нагрузка неслабая.

  5. Что-то напугали вы меня :( а что происходит с этими помехами в малых устройствах? Взять к примеру обычный термометр или часы, в них нужно учитывать описанные выше особенности подключения?

    1. Ну вон Pixy несколькими комментами выше писал к чему у него это привело. Устройство как раз уровня простого термометра или часов (пульт от телека).

  6. Очень приятно, что разговор зашел о таких тонких вещах. Такого рода вещи изумительно описаны в книге Г. Отта Методы подавления шумов и помех в электронных системах. http://publ.lib.ru/ARCHIVES/O/OTT_Genri_U/_Ott_G._U..html после разбирательства (просто прочитать не прокатывает надо думать) действительно начинаешь что-то понимать, а то иногда на вид просто чертовщина какая-то-) помню на работе АЧХ схемы которая вообще-то должна быть ФНЧ — хоть ты тресни ФВЧ и пох( (источник питания), причем убираешь входной конденсатор по питанию и все нормально(. Оказывается он был подключен на землю между общим МС стабилизатора и нагрузкой с которой снималась ОС, и на миллиомном сопротивлении дорожек ток от закороток помех конденсатором создавал паразитную ЭДС,Причем действительно — ставишь конденсатор больше, а становится хуже )) в точном соответствии… ) Вообще это все вещи известные, просто там все чудесно обобщено и систематизировано, ну там конечно не только про помехи по общему , там и про емкостные связи и про экранирование и тп, действительно классическая книга,да и причем все по делу не заумно.

  7. Блин!!! А я уже кварц развёл как на картинке «очень плохо» :) у меня просто отладочная плата с несколькими кварцами, которые переключаются джамперами. Думаю теперь на высоких частотах это всё полетит к чертям и плата будет непригодна :/

  8. 588 комплект во время моей работы в НИИ выкинул мне столько «глюков» по питанию, что и теперь (по прошествию почти 20 лет) многие вещи я делаю уже инстинктивно.
    1. Разделяю сигнальную и питающую землю (резистор 10-100 ом)
    2. НЕ ДОЛЖНО быть ЗАКОЛЬЦОВАННЫХ цепей (особенно по питанию), самое лучшее максимальное приближение к «звезде». При циклических операциях с коротким циклом возникают (вследствии конечной скорости распространения сигнала) интерфиренционные токовые выбросы, вплоть до резонанса.
    3.При использовании ИБП полезно разделить и его землю (но здесь резистор уже доли или единицы ом)

  9. Кстати о кварце. В даташитах часто встречаю реккомендацию сделать полигон земли вокруг кварца и ног XTAL девайса. К соажалению, не всегда такое чудо можно изобразить, особенно смешно мне это представляеться на ПИКе в TQFP корпусе с 0.5 между ногами, ага.

  10. Остался вопрос: если я все свободное место на плате залил землей это будет хуже? Т.е. конденсаторы кварца подключены к земле, которая имеет кольцо. И аналоговая земля от цифровой не отделена. Это плохо?

        1. Кольцо = виток обмотки. Любой мощный ЭМИ и в ней пошел наводится ток. Ток может быть и очень большим. Есть ток — есть градиент напряжений. Тем больше, чем больше ток. А значит поплывут логические уровни. Конечно это будет длится наносекунду, но тем страшней — т.к. контроллер схватив такую иголку может и повиснуть нафиг.

          Разрыв кольца не дает течь току.

  11. Смотрите, а насколько плохо такое? По плате идет (пускай прямо) дорожка земли, приходит в переходное отверстие, а с нижней стороны уходит в направлении, обратном направлению на верхней стороне. Ну и потом где-то там сворачивает в сторону. То есть на каком-то участке параллельно, получается, они идут, но по разным сторонам платы.
    И что хуже: когда эти дорожки четко одна под другой, или когда они на некотором расстоянии между собой?
    И еще вопрос, в таком же случае, насколько плохо, если дорожка земли оказывается под дорожкой питания, или параллельной ей?

  12. Добрый день.
    У меня возник вопрос:
    Замкнутый контур земли — плохо.
    Сплошной слой земли — хорошо.
    Слой земли разведенной сеткой?
    По идеи получается множество контуров и значит очень плохо, однако заливка полигонов сеткой присутствует во всех программах EDA.

    1. Полигон земли обычно с двух сторон и как следует прошит земляными via где только можно (не смешивая чистые и грязные земли ессесно), соединяя это все как бы в большую сплошную пластину. А сетки или не сетка не имеет значения. Я сплошняком лью.

      Тут дело то не в контуре, а в том, один виток легко ловит помехи и еще его сопротивление весьма велико, что вызывает перекосы.

  13. Огромное спасибо за статью! Да и за сайт в целом.

    В свое время забросил электронику, именно из-за «абсолютно непонятных глюков», в виде гула усилителя, наводок от чего-попало, хотя экрана не жалел. Теперь вот понимаю, что причиной тому были контуры по питающим шинам.

    Сайт очень сильно вдохновляет взяться обратно за паяльник, наверное так и сделаю, но для начала почитаю книжечки для начинающих. Чего рекомендую сделать всем.
    Еще раз спасибо за сайт, побольше столь качественной подачи материала, того гляди и проблем с уровнем образования в стране станет меньше!

  14. Артемий, всех тебе благ и ПИВА. Только что перечитал эту статью и отловил в разводке земляной линии косяк, который пытался найти уже неделю… Вис контроллер, вот хоть ты тресни. Еще бы не виснуть — объединенная земля пяти семисегментных индикаторов утыкалась в общую землю перед фильтрующими конденсаторами.

  15. Здравствуй, Ди!
    Не нашел у тебя поста на тему своего вопроса, поэтому спрошу здесь.
    Я использую фольгированную витую пару (FTP), чтобы передавать несколько цифровых сигналов и линии питания. Внутри кабеля помимо собственно четырех витых пар и экрана из фольги есть оголенный медный провод, находящийся в постоянном контакте с фольгой. Вопрос: Куда его припаивать? Если припаять его к линии «земли» с обеих или с одного из концов, это улучшит или ухудшит свойства фольги как экрана?

    1. И кстати, в аппарате, куда идет этот кабель, нет т.н. «настоящей земли», т.к. это подводный аппарат. Есть только «земля» как минус источника питания.

  16. Хотелось бы добавить:
    — при больших токах дорожки проводников на плате должны изготавливаться более широкими или пропаиваться поверх припоем (последнее не рекомендуется при высоких частотах); так же нельзя делать «поворот» дорожки под углами близкими к 90 градусам, т.к. ток «пытается срезать путь» и, следовательно, пойдет по самому углу — отсюда повышение сопротивления в данном «угле» или вообще перегорание дорожки!
    — при высоких частотах пересекающие дорожки проводников (в разных слоях платы) образуют паразитную емкость;
    — при высоких частотах все элементы платы и дорожки следует располагать параллельно разделенными группами с параллельным расположением и приблизительно одинаковыми расстояниями между элементами. Данный шаманизм улучшает частотные характеристики всей схемы и при разработке серьезных игрушек приходится продумывать такие вроде бы мелочи;
    — для уменьшения помех и наводок линии питания и земли следует пускать в обход схемы (по периметру) и, очень желательно, в другом слое платы. Так же, если есть возможность, следует не вытравливать неиспользуемые участки на плате, а оставлять их, отделенными от схемы — будут ловить на себя всякую дрянь вместо дорожек, а еще лучше экранировать один из слоев платы.

    Данные рекомендации собраны за десятилетия целым коллективом. Надеюсь, что они кому-то смогу помочь.

  17. Профессионалы,подскажите, собрал многофункциональный автомат на меге8 корпус планарка 32,разместил ее на переходной плате, плату с ней вставляю в раз,ем на основную плату. В образовавшемся пространстве под дней, сделал разводку под схему DS1307 с кварцем. Включил питание, ни хрена не работает, на экране 1602 только квадратики. Собрал на макетке ,запустилась, сутки работала. Но схему реальных часов я подключал готовую китайскую. Попробовал тотже проц поставить в готовую плату, не пошла, отключил разведенные на плате часы, подключил китайский, на экране те же квадратики. Подключил часы заново к макетке, часы на экране в формате часы-минуты- секунды отображается только разряд единиц,секунды не шевелятся. Куда копать не знаю.. осциллограф есть, но на щупе он ловит только помехи на 0.5в. С1-94 вроде как,лежал более 30лет.сигналы смотреть нечем. Развел новую плату, но решил ds1307 не размещать под мегой,а на отдельной плате с батарейкой, и на раз,ем ко входам к меге. Вопрос: кварц цепляется к 1 и 2 лапе ds1307, емкостей внешних нет, есть ли какие рекомендации по плате ds1307 кроме как ближайшее расположение кварца к лапам? Будут ли наводки на сигналы с DS на мегу8 ? Sda scl подтянуты к 5в через 10к? Не ругайте, я только учусь.

    1. Часовой кварц вообще штука нежная. Посмотри рекомендации в ДШ по его разводке. Там рекомендуют сунуть под него полигон, правильно землю развести и максимально близко к выводам часов припаять. Ну и еще с него надо маниакально смывать флюс. Мегу ты не раскачаешь никак, а вот DS запинать можно.

Добавить комментарий