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. Любимая вилка: разделяешь разноточные земли — путь некоторых обратных токов отправляется фиг знает какими маршрутами…

    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

  2. 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. FSP не брезгует к этому еще добавить миллиметровую проволоку, напаянную на дорожку. Причем очень щедро напаянную. По крайней мере в Zalman ZM-400B так было (электроника там от FSP).

    1. Он как рудимент там остался. Подразумевалось, что это часть конденсаторного богатства БП

    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

        1. Для меня так это звучит непривычно))))))) я в свое время до цифры «доростал» с аналога, а щас наоборот))))

          1. А если учесть, что у меня красный диплом по специальности «радиотехника», где о цифре была сказана всего пара слов… Совсем дико. Только я имел ввиду » не дорос до связки цифра-аналог»

            1. Ясно, я думал с цифры начинали, хотя если рассуждать, то возможно щас с цифры начать и легче, но это ИМХО, я уже это не представляю)))

              1. С цифры сейчас начинают, ею же и заканчивают. УЗЧ, и те теперь импульсными стали с микроконтроллерным управлением))

  3. 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.

    1. Лучше добавить еще один рисуночек :))) Шоп было видно последовательное приближение к идеалу :)

  4. 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 !!!

  5. 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.

  6. 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).

  7. 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.

  8. 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 :/

    1. На высоких частотах то работать будет. Глючить может немилосердно если ты что то еще подключишь к этой плате. А то и от наводок

  9. 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)

  10. 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.

  11. здесь http://cxem.net/comp/comp40.php написанно, что нужно разделять цифровую и аналоговую земли. У меня с одной стороны платы фольга оставлена сплошняком и выполняет роль земли. получается, разделения нет и вероятность помех очень высока?

    1. Зависит от конфигурации полигонов и величины токов, гуляющих в нем. Но в целом да, помехи даже от цифровой части будут заметней.

  12. 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.

  13. 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?

  14. 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.

  15. 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!

  16. 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.

  17. 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.

  18. 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.

  19. 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

Ваш e-mail не будет опубликован.

Перед отправкой формы:
Human test by Not Captcha