Иногда разводишь ты такой плату микроконтроллера или изучаешь документацию к чипу и натыкаешься на такую картину: два питания — аналоговое и цифровое. Две земли тоже не редкость. Я встречал людей, которые даже после пары лет работы в индустрии не всегда знали точно, зачем и когда нужно разделять питание и землю и как это корректно делать. Мы попробуем сегодня пробраться вниз по кроличьей норе. В том числе станут понятны практики подключения аудио оборудования проводами, которые покупаются за золотые слитки.
Дисклеймер
Данный материал предназначен для лиц, занимающихся электроникой и желающих для себя в доступной и простой форме ознакомиться с проблемой разделения питания, возвратных путей, и т.д. Для более глубокого понимания я отсылаю к профессиональным методическим материалам, которые могут дать куда более детальное понимание вопроса.
Можно так же глянуть сразу видео на эту тему, может будет понятнее!
Разделение компонентов.
Принципиально, компоненты часто делятся на цифровые и аналоговые. И тем и другим требуется питание, и иногда его принято разделять, применяя при этом задаточные техники, вроде такой, как на рисунке:
Давайте разберёмся в чем специфика. В качестве цифрового компонента представим, например, абстрактный микроконтроллер или процессор (с которым многие из вас знакомы). Каждый такт своей работы в нем переключают транзисторы, определенным образом, меняя состояния его выходов. Миллионы транзисторов образуют устройство, которое каждый такт выполняет операции, но между тактами замирает, потребляя лишь немного энергии. Основной объём энергопотребления происходит у цифровых компонентов в момент переключения. То есть если, допустим, микроконтроллер работает на частоте в 10 МГц, то каждые 100 нс мы будем наблюдать, как огромное количество тока будет затекать в него. Если потребление тока микроконтроллера, например, 100 мА, то можно считать этот ток средним, а в моменте, на время переключения фронта потребление может доходить до ампер, оставаясь небольшим в остальное время. Почему так? Если вам правда любопытно, то вот схема, которая поможет это понять:
На рисунке представлена самая обычная комплементарная КМОП пара или же инвертор. В точке VDD к ней подводится питание, а в точке VSS земля. Поведение этого простого элемента очень сильно помогает понять поведение чипа в целом, ибо цифровая электроника и состоит из подобных ступеней комплементарных транзисторов, соединяющих землю и питание, образующих логические элементы. Комплементарными они называются потому, что дополняют друг друга, позволяя соединять точку Q либо через верхний P канальный транзистор (М1) к питанию, либо через нижний N канальный (М2) к земле. Допустим, состояние на входе меняется с малого напряжения на большое. Транзисторы устроены так, что теперь верхний, «P» канальный ключ закрывается, а нижний «N» канальный открывается. При этом в данной системе протекают два тока. Первый ток — ток зарядки затворов, которые являются по сути конденсаторами, второй ток — ток зарядки выхода этого элемента через транзистор. Получается скачок потребления тока и мощности. Чем чаще переключаем, тем больше потребляем. Помимо этого, любая индуктивность между источником и ключами будет приводить к тому, что она будет сопротивляться току, тем самым приводя к падению напряжения на VDD у самого транзистора, и при больших значениях паразитной (то есть нежеланной) индукции, напряжение будет падать до тех пор, пока прибор просто не сможет корректно переключаться.
То есть работать и выполнять наши операции. Для предотвращения этого эффекта мы можем поставить между питанием и землей демпфирующий конденсатор. Он должен быть установлен после паразитной индукции. То есть как можно ближе к Пинам питания чипа. Как идеальный конденсатор, он будет препятствовать резкому изменению напряжения в точке VDD, запасая энергию, и компенсируя индуктивность.
Вот на рисунке добавился демпфирующий конденсатор, выступающий в роли временной батарейки, из которой наша схема может вытягивать энергию. Несмотря на индуктивность, Которая сопротивляется этому действию.
Если вы разводили плату с микроконтроллером могли, то читать в разделе питания о том, какие именно конденсаторы можно ставить. По ним, есть очень классное видео. Оно во многом подробно адресует вышеупомянутые принципы. Будет неплохим дополнением.
Современный процессор может потреблять 200 Вт при напряжениях работы в 1 В, тем самым цепи его питания должны генерировать токи так, чтобы напряжение оставалось примерно в рамках этого 1В. Причём нужно помнить, что из-за того, что я описал выше, следует факт, что 200 А — это средний ток, а пиковый будет в разы выше. Таким образом, скачки тока могут стать огромной проблемой вашего цифрового дизайна питания без должной обвязки конденсаторами.
Теперь отвлечемся от мира цифровой электроники и подумаем про аналоговую. Тут все совсем иначе. Как ни странно, в качестве аналогового компонента можно взять тот же инвертор:
Разница в том, что теперь нас интересует напряжение на выходе куда больше, а точнее нас интересует оно в каждой точке. Раньше нас интересовало только больше ли оно середины, или меньше. А теперь вход в 1 V должен возвращать, допустим, ровно 2 V, а если теперь разница между землей и питанием просядет или возрастет, то 1 V превратится в 1.2 V или 0.8 V, потому что напряжение на выходе напрямую зависит от напряжения питания. И наш аналоговый инвертор будет искажать наш сигнал. Скажем так, переход от цифрового понятия похож на переход от контрастного восприятия картинки (либо черные, либо белые пиксели) , в градиентные цвета, где нам важен точный цвет пикселя, который может принимать почти бесконечное количество значений (в сравнении с двумя).
Если, скажем, это усилитель аудио сигнала, и питание осциллирует, то и выходное напряжение такой системы будет осциллировать вместе с ним, что является очень нежелательным. Кроме того, если мы сравним потребление энергии такого компонента, то оно будет меняться вместе с напряжением на выходе, ибо любой аналоговый компонент изменяет напряжение на выходе, когда меняется ток через некий внутренний компонент (примерно, как напряжение на резисторе пропорционально току через него). Можно сказать, что потребление аналогового компонента тоже может меняться скачком, но изменение это по времени характерно частотам сигнала, с которым он работает. Это не значит, что он не потребляет энергию скачками, и иногда, демпферы тут тоже бывают нужны, но особенность в том, что скачки эти имеют другой характер и очень зависят от типа и частоты компонента. Однако точно справедливо, что от всплесков и скачков питания этот прибор будет работать хуже.
Что же по вашему произойдет, если просто поместить двух этих парней рядом на плате? Возможно, вы уже догадались. Цифровой компонент будет не по злой воле приводить к скачкам напряжения вблизи себя, в лучшем случае, и к инжекции резонансов в цепь питания на различных частотах, в худшем. Из-за чего аналоговый компонент начнёт страдать, выдавая неправильные значения. Таким образом, можно сделать один главный вывод: часто, цифровые компоненты или PWM (ШИМ) силовая электроника очень сильно загрязняют линию питания, при этом сами не являются чувствительными к нему.
На одном чипе
Откуда же на одном цифровом чипе пины аналогового и цифрового питания? В этом нет ничего удивительного, просто даже скажем, цифровой микроконтроллер содержит в себе много аналоговых компонентов: АЦП, ЦАП, PLL, таким образом, если говорить очень грубо, то внутри одного чипа существует бок о бок аналоговая подсистема, питающаяся иногда от аналогового питания, и цифровая подсистема, питающаяся от цифрового питания и загрязняющая его. Поэтому в некоторых чипах питания разделяют.
Решения
Как же решить эту дилемму? На самом деле мы уже располагаем главными инструментами для решения этой проблемы — конденсаторы, катушки, а зачастую просто наша голова и здравый смысл. Итак, вот простые правила:
Не размещать аналоговые компоненты и цифровые рядом. Думать о том, как питание будет заходить на плату и как уходить с неё.
Делать длину земли от всех чипов минимальной (уменьшает индукцию, а значит и колебания напряжения/тока), а при сложном дизайне всегда оставлять один цельный полигон на питание, а один или даже два на землю. Подробно опять же здесь.
Использовать ферритовые бусины (Ferrite bead) (о них далее).
Аккуратно обращаться с высокочастотными линиями, особенно если через них течет ток. Смотреть, чтобы под ними всегда был возвратный путь земли. Желательно на той же стороне платы (если имеется 4 слоя, то два из них находятся по одну сторону)
Размещение компонентов
Например, на этом дизайне с канала Phil’s lab хорошо видно, как разделены аналоговые (справа) и цифровые (слева) компоненты. Кроме того, и земля тоже может быть отделена. Причём нужно помнить, что как ток питания, так и ток земли может изменяться скачками, а значит, нужно смотреть, чтобы у каждого компонента был свой короткий путь либо к источнику, либо «питающему» его конденсатору. Можно подумать об этом как о проектировании автострады. Нужно помнить, что у каждого крупного центра города должен быть свой источник автомобильного потока, и свой возвратный путь для автомобилей. Если у одного чипа образуется «пробка на съезде или выезде», это не должно быть бутылочным горлышком для другого. Проблема только в том, что на частотах выше 100 КГц понятие короткого пути меняется. Подробнее тут. В общем, обычно просто делают целый слой под питание или землю.
Ферритовые бусины
Ферритовые бусины это пассивные компоненты, которые по сути своей являются катушками индуктивности. Последние, как мы выяснили, умеют препятствовать скачкам тока. Вот пример такого компонента. Как видно из его характеристики, он обладает значимым импедансом на частотах шума, более 10 МГц при токах меньше максимальных.
Размещая такой компонент между аналоговым и цифровым питанием, мы легко можем погасить часть скачков, которые могут возникнуть и тем самым обезопасить себя. Нужно только не превышать максимально допустимый ток. Также при больших токах нагрузки данные катушки перестают иметь желаемый импеданс на больших частотах.
Единственное, что нужно помнить, чаще всего грамотное расположение компонентов решает куда больше проблем, чем бусины, или другие активные решения. Поэтому не думайте, что они просто как костыль решат все ваши проблемы. Но они и правда могут сильно помочь.
Примеры
Вот, например, картинка из документации цифро-аналогового чипа задержки для аудио. На нем можно собрать простую педаль с эффектом Delay для гитары. Только вот загвоздка: тут есть аналоговое и цифровое питание отдельно. Пин 3 — это аналоговая земля, а пин 4 — цифровая. И к удивлению многих, если соединить их вместе, оно просто не запустится. В некоторых источниках, просто добавляют между пином 3 и 4 резистор и этого хватает, однако вы для своего дизайна могли бы использовать любые вышеупомянутые принципы. Если соединить два питания только возле входа питания, а не у самого чипа, быть может, одно это бы уже решило бы проблему. Ну, может ещё лучше там же поставить входной конденсатор. Пишите в комментариях ваши реализации питания для такой схемы.
Ещё пару интересных видео и случаев:
Если ты это читаешь, то можешь и сам нам помочь!
Аналоговая электроника очень требовательна к навыкам, и я использую их, работая в компании, в которой мы разрабатываем крупнейший в Европе сканер фотореконструкции людей, что требует немалых познаний именно в аналоговых сигналах, если интересно, вы можете заказать сканирование и создать идентичного 3D двойника, или стать частью нашей команды! Мы ищем специалистов по компьютерному зрению, инженеров, программистов и не только!
Выводы
Поговорили совсем немного про то, что разные элементы по-разному потребляют питание и по-разному нагружают линию питания, про то, что разным чипам нужно разное качество питания, и про то, как его грамотно обеспечивать. Были приведены ссылки на более методические источники от гуру индустрии. Примеры, где использование актуально. Надеюсь, это знание будет вам полезно, пишите пожелания, хотелось ли бы вам более подробное, или более поверхностное и “Делай так” описание. Спасибо и удачных вам дизайнов!
Комментарии (49)
akhkmed
03.09.2021 20:02Спасибо за статью. Верно ли утверждение, что соединение аналоговой и цифровой земли преследует только одну цель: не допустить ситуации, что "цифровой" ток потечёт в аналоговой цепи и принесёт помех?
Другой вопрос в способе соединения этих двух земель: интуитивно понятно, что их потенциал должен быть равен. И кто-то ставит ферритовую катушку чтобы уравнять потенциал, но не пропустить помех. Но как действительно правильно соединть эти земли, если источник питания общий, а аналоговое питание получается из цифрового LC ФНЧ?
И третий вопрос, почему схема из примера не запускается при простом соединении земель?
mikprin Автор
03.09.2021 20:15Я бы сказал, что лучше соединить земли. Но сделать это так, чтобы возвратный ток цифровой земли не смешивался и не взаимодействовал с аналоговым. Либо же использовать любые приемы, чтобы цифровая земля без причины не просачивалась в аналоговую. Частично для этого ставят охранные кольца (guarding rings) возле чувствительных мест.
akhkmed
03.09.2021 20:26+1Давайте уточним на примере. Пусть слева от чипа на схеме всё аналоговое, а справа - всё цифровое. Земли слева и справа разведены разные и соединены в единой точке прямо под чипом. Источник питания общий. LC ФНЧ питания тоже установлен, его C подключён к точке соединения земель.
1. Куда подключать общий провод источника: к точке соединения земель?
2. Куда подключить плюс источника: к LC ФНЧ со стороны цифры?
VT100
03.09.2021 21:27+2Я бы сказал, что лучше соединить земли. Но сделать это так, чтобы возвратный ток цифровой земли не смешивался и не взаимодействовал с аналоговым.
Да, как вариант — устроить "Мекку" заземления не на источнике питания, а у АЦП. Особенно — если он один.
Прошу прощения, но
Частично для этого ставят охранные кольца (guarding rings) возле чувствительных мест.
это совсем про другое.
mikprin Автор
03.09.2021 22:09это совсем про другое
А про что? (и я не говорил что только для этого)
VT100
03.09.2021 22:45+2В "аналоге", как правило, это применяется для:
- снижения паразитных утечек при работе с токами, условно, ниже 1..10 пА;
- расширения частотного диапазона высокоимпедансных выносных датчиков (другая сторона той же проблемы) путём использования кабеля с двойным экраном и питанием внутреннего экрана от низкоимпедансного (повторитель) источника с тем же уровнем напряжения, что и сигнал.
http://the-epic-file.com/text/bookz/aoe_3/ch_08/aoe3_08_16.htm#x_08_16_03e
А практически единственная рекомендация "охранного кольца" для "цифры" — это задающий генератор RTC. И там — оно связано с "землёй", ввиду объективной трудности связать его с выходом генератора.
belav
03.09.2021 23:56+2Что-то забыли подробно расписать про полигоны, как лучше чередовать слои.
А то смотрю дизайны плат у людей и вижу как ведут дорожки питания 0,15 и такой-же в виде паутины соединяют земли (для многих земля - это всего лишь общий провод, а не жирный полигон).
Еще можно упомянуть про гальванически разделение питания, в чем плюс, в чем сложности. Как линейные стабилизаторы фильтр уют помехи или наоборот, начинают посвистывать.
dcoder_mm
04.09.2021 00:28А как линейные стабилизаторы начинают посвистывать?
belav
04.09.2021 01:00За счёт кривой обвяки появляется положительная обратная связь
dcoder_mm
04.09.2021 03:04Ну это надо очень постараться, имхо
Serge78rus
04.09.2021 13:50+2Не все линейные стабилизаторы одинаковы. Те же LDO за счет другого включения регулирующего транзистора имеют гораздо меньший запас устойчивости, чем классические. Конечно, чтобы получить самовозбуждение, нужно действительно сильно постараться, но все же читать даташит от корки до корки, а не только основные параметры, настоятельно рекомендуется.
le2
05.09.2021 02:26Классические линейные стабилизаторы выдают пилу на выходе. И работают за счет наличия паразитного последовательного сопротивления классического электролита или тантала. (по этому опасно завышать рекомендуемые номиналы, потому что Rs будет падать и нормальная пила не возникнет).
Некоторые деятели (как я) нагружают на керамику, где сопротивление очень мало, что не есть правильно. В результате при малых токах как-то работает, но при больших токах с устойчивостью может быть беда и стабилизатор может начать не выдавать нужный ток или даже генерить помехи. Также многие не понимают что дельта мощности тупо рассеивается на линейном преобразователе и в части применений нужен радиатор.
В некоторых современных линейниках (есть к примеру у TI) в даташитах заявлено то что они могут работать на керамику.
Androniy
04.09.2021 10:04+1Хотелось бы отметить, что не всегда в разделении питания есть смысл. К примеру, если у вас аналоговая часть заключается в операционнике с АЦП, то шум по питанию может пролезть в аналоговую часть двумя способами: от него зависит опорное напряжение, и шум будет пролазить через операционник. Но поскольку и опорник и операционник охвачены обратной связью, то зависимость выходного сигнала от напряжения питания для этих микросхем незначительная. Обычно в даташитах есть такой параметр как Ripple Rejection Ratio или Power-Supply Rejection Ratio (RRR и PSRR, соответственно). Значения обычно лежат от десятков децибел до сотни с небольшим. Если влияние шума по питанию у вас 80 дБ, а вам надо от АЦП 12 разрядов, то даже шум 100% от питания (что говорит об ошибках в цифровой части) не повлияет даже на самый младший разряд. В таком случае можно не усложнять себе жизнь и обойтись конденсаторами по питанию без разделения питания на аналоговое и цифровое.
mikprin Автор
04.09.2021 11:57Спасибо за комментарий! Да вы совершенно правы, можно было сказать про то, что это вообще не всегда необходимо. Но просто по моим соображениям люди чаще ничего не делают и соединяют их, чем делают ненужные действия тогда, когда от этого ничего не зависит.
VT100
04.09.2021 19:08Но поскольку и опорник и операционник охвачены обратной связью, то зависимость выходного сигнала от напряжения питания для этих микросхем незначительная.… Значения обычно лежат от десятков децибел до сотни с небольшим.
Собственное усиление падает с частотой и для ООС будет всё меньше и меньше места, где можно разгуляться. Что мы и видим на графиках PSRR (КОИП) от частоты.
Если влияние шума по питанию у вас 80 дБ, а вам надо от АЦП 12 разрядов, то даже шум 100% от питания (что говорит об ошибках в цифровой части) не повлияет даже на самый младший разряд.
Поясните примером и расчётом. А то на открытие похоже:
- При 100% шуме питания (0-2*Vпит) схема явно не будет работать.
- Если есть возможность измерять логометрически (когда и сигнал и опорное напряжение АЦП считаются относительно напряжения питания) — может быть. Но не наверняка (см. выше) и не всегда возможно в принципе.
Androniy
04.09.2021 20:54Собственное усиление падает с частотой и для ООС будет всё меньше и меньше места, где можно разгуляться. Что мы и видим на графиках PSRR (КОИП) от частоты.
Ну так на этих частотах и полезного сигнала не будет. Эти частоты все равно надо давить ФНЧ аналоговым или цифровым.
Поясните примером и расчётом. А то на открытие похоже:
Не понимаю в чем открытие? Допустим, питание 3В, пульсации -40 дБ или 0,03В. Возьмем дешевенький ИОН (например adr3425). Допустим, нас интересует полоса до 1кГц, остальное задавим. В даташите на графике 18 видим, что PSRR в этой полосе не больше -40 дБ. Получаем пульсации опорного напряжения 0,03В*(-40дБ) = 0,3 мкВ. При опорном напряжении 2,5В это 0,3 мкВ / 2,5В = около 0,0001 или 13ый бит от всего диапазона. Значит до 12 бит можно пренебречь. Можно взять ИОН лучше. Аналогично можно посчитать и для операционника.
Ратиометрические (если вы их имели в виду) датчики в данном случае наоборот будут только хуже.
juray
04.09.2021 11:28Так а мифы-то в чём?
Заголовок намекает, что в статье будет разоблачение неких мифов на обозначенную тему. Перечитал статью два раза в прямом порядке, и один раз — в обратном, так и не нашёл.mikprin Автор
04.09.2021 11:56-1Да, до мифов не дошло. Когда начинал писать показалось, что это удачное название.
le2
04.09.2021 17:29+5Статью не осилил, по-моему она запутывает больше.
Новичкам я бы посоветовал:
— изучить все даташиты и appnotes. Скорее всего там уже есть референсный дизайн, который следует максимально повторить. Если вы считаете что вы джедай и все разводите в один слой, когда в рекомендациях четыре слоя — то вы идиот. В 2021 году почти не осталось причин не использовать четырехслойные платы (отношение сигнал-шум лучше в 10-100 раз). Цена слабо отличается от двухслойной платы (закупант врёт если говорит иначе) Частоты всего резко выросли, нанометры уменьшились и вся электроника стало гораздо нежнее по сравнению со старой дубовой 5-вольтовой логикой. Два внутренних слоя следует отдать под полигоны питания. Они будут работать как идеальный высокочастотный конденсатор. То есть дизайн платы гораздо важнее чем установленные конденсаторы, которые часто и не работают. Всё потому что электроника это не алгебра, а скорее геометрия, и от взаимного расположения блоков и компонентов зависит больше чем от номиналов.
— Мне не стыдно сложный дизайн выслать вендору на проверку, а иногда выслать и свою плату. Это всегда бесплатно. Этим следует пользоваться. У вендора часто есть лаборатория и приборы которых у вас не будет никогда, а также внутренний софт с тепловым и электромагнитным анализом.
Когда вы будете разбираться с производителем — «почему у меня не работает»?, то он ткнет вас носом в appnotes где был дан правильный ответ. У меня был случай когда повторенный дизайн не работал (при испытаниях в климокамере на отрицательных температурах), тем не менее это лучше чем дизайн отражающий ваш внутренний мир.
Ну ладно, допустим ваша плата не вписывается в референсный дизайн и нужно разработать что-то уникальное. А уникальное ли это? Сильно агитирую наступить на горло собственной песне и изучить решения лучших конкурентов на рынке. Найти время на реверс. Почти всегда наступает откровение, особенно если вы в этой области до этого не разрабатывали.
Хорошо, если хочется разобраться или конкурентов нет. Поток сознания:
— у большинства в голове «канализационно-трубопроводная» модель электроники, где что-то втекает, а что-то вытекает. Частично это так, но для учета целостности сигналов полезнее модель когда электромагнитная волна бежит сразу по всем проводам. То есть «вода течет в обе стороны сразу». И лучшая среда для такой волны это волновод — тот самый распределенный конденсатор из полигонов описанный выше. Либо коаксиальный волновод, где сплошной перфорацией из переходных отверстий имитируется коаксиал. Любые пересечения с другими волноводами это зло.
— Каждый функциональный блок на плате следует рассматривать не как нежный блок который следует защитить, а как потенциальный источник помех. То есть мы не защищаем единственный нежный блок, а делаем так чтобы по общей шине питания от него не бегали помехи. Также как в лампах дневного света или импульсных блоках питания ставят по входу из розетки дроссель не для того чтобы защитить нежный блок питания, а для того чтобы не свистела вся проводка в доме.
— главное правило — выскочастотные помехи проходят по наименьшей индуктивности. Внезапно оказывается что высокочастные помехи легко проходят через межвитковую емкость катушек, конденсаторы которые разработчик взял «с запасом» не работают из за большой индуктивности выводов. А силовая часть выдающая два ампера превращается на длинной дорожке в один вольт помех, если импеданс дорожки на высокой частоте равен половине Ома.
Исходя из этого у разработчика есть один инструмент — поднять индуктивность там где требуется и снизить индуктивность тоже там где требуется.
Радикальный ультимативный способ узнать параметры приборов — прогнать их векторным анализатором. Или хотя бы посмотреть частотные характеристики. Наступит озарение, почему вендор предлагает поставить параллельно три керамических конденсатора в 2.2uF, 0.1uF и 30pF (каждый работает в узком диапазоне частот).
— контрпример. Вендоры dc-dc преобразователей постоянно хвастают низким уровнем помех. Или их «калькулятор на сайте» делает упор в низкие помехи. Иногда низкие помехи это зло. Например ваша нагрузка ожидает 2 ампера с высокой скоростью нарастания, а низкие помехи означают плавность нарастания, плавное реагирование на изменение на выходе. В этом случае стоит загнать dc-dc в «злой режим с помехами». При грамотной трассирвоке платы это не является проблемой.
— Радикальное решение проблем с помехами это персональное питание для каждого потребителя. Например у вас на входе 12В и на плате у каждого потребителя очень близко расположенный свой источник питания (+1,2, +1,8, +1,8, +1,8, +3,3В и так далее). Такое часто встречаю у дорогих изделий где разработчики не сильно озадачены себестоимостью.
В реальной жизни, как правило, это невозможно и какое-нибудь питание гуляет по всей плате.
— В общем случае изоляция крупных функциональных блоков таких как силовое исполнительное устройство, аналоговая часть, цифровая часть достигается путем разрезания полигонов. Изображается дерево, где ветви расходятся от входа по питанию. Также бывает что полезно вырезать «острова из полигонов», «закутки» если нужно снизить помехи от блока.
Бывает проблема что дельта напряжений между ветвями оказывается значительной и приходится все же выравнивать потенциалы земель, для этого подходят бусинковые ферриты.
Иногда встречается утверждение что это бессмысленное занятие, потому что «все равно к плате подходит двухметровый кабель и где здесь дерево?». Ну для этого, в общем случае, плату по входу защищают, в идеале, дросселем защиты от синфазных и дифференциальных помех, проходными конденсаторами. Или хотя бы заказать блок питания с «утолщением на проводе» — крупной бусиной около разъема. Но это когда есть деньги.
— выше было описано как помехи можно «не пустить» или «разделить». Есть еще вариант — помехи «поглотить». Для этого придуманы TVS-диоды, терморезисторы, mosfet-переключатели, самовосстанавливающиеся предохранители и прочие схемотехнические решения на привычных компонентах.
— Но главный источник помех, все же, это не внутренний помехи, а внутренние кабельные подключения. Каждый кабель это отличная антенна. Радикальный способ решения это «клетка Фарадея», разъемы с полным шилдом и защита каждого порта всем тем что впаривают вендоры специализирующие на защите от индуктивных и кондуктивных помех.
Итоговые выводы:
— главное это дизайн платы, а не количество компонентов. Электроника это геометрия, а не алгебра. Решает не количество конденсаторов, а конденсаторы в правильных местах.
— помехи бегут не там где кажется, а по фактической индуктивности.
— разработчик управляет помехами путем изменения индуктивности.
— помехи можно поглощать.
Контрвывод: можно работодателю залечить про «клетку Фарадея», про все схемотехнические решения которые «необходимы» и цена изделия улетит в космос. Но в конкурирующей конторе окажется джедай, который сделает отличное решение в пластике, с минимумом компонентов и без всякой экзотики. Секрет успеха — следование лучшим практикам и испытания, испытания испытания. Полезны климокамеры, хотя бы на плюсовые температуры, потому что температура это ещё один изменяемый параметр который случится у пользователя, а не у вас на столе. Если вам «негде» то идите во внешние лаборатории. Если нет возможности то воруйте знания у конкурентов и следуйте всем рекомендациям вендоров.
hw_store
05.09.2021 02:53Что за "разрезание полигонов" и "острова из полигонов" ??
le2
05.09.2021 17:21полигон - область сплошной заливки медью на плате (раньше часто применялась в виде сетки для уменьшения вероятности коробления платы)
https://equpment.ru/windows/rekomendacii-po-proektirovaniyu-pechatnyh-plat-mini-faq-po/
hw_store
06.09.2021 15:14А разрезание - это процедура разделки областей сплошной заливки медью на плате ножом? Или фрезой? )))
(мне минусА уже, кажется, не страшны)
diakin
04.09.2021 17:55+2Индуктивность поддерживает ток, а не сопротивляется ему. Иначе говоря, сопротивляется изменению тока. Ее сопротивление в момент переключения равно бесконечности. Пусть в первый момент оба транзистора закрыты. Ток через транзисторы равен 0. Напряжение на истоке верхнего транзистора равно Vdd. Потом верхний транзистор открывается. Ток через индуктивность мгновенно измениться не может и в первый момент равен 0. Напряжение на истоке тоже равно 0, так как сопротивление индуктивности равно бесконечности, и все Vdd падает на нем. Затем ток через индуктивность начинает расти экспоненциально, соответственно ток и напряжение на нагрузке растет.
Потом в какой-то момент верхний транзистор пытается закрыться, а нижний открыться. Но ток через индуктивность мгновенно измениться не может! Другими словами индуктивность поддерживает почти постоянный ток через увеличивающееся сопротивление исток-сток. U=I*R - на закрывающемся транзисторе возникнет скачок напряжения произвольной величины! Чтобы всей это катавасии не возникало блокировочные (демпфирующие) конденсаторы устанавливают как можно ближе к ножкам питания микросхем. Тогда ток, который гонит индуктивность будет заряжать блокировочный конденсатор, напряжение на котором Uc=Ic/C. То есть конденсатор будет сглаживать броски напряжения (выбросы по питанию), возникающие из-за паразитной индуктивности.
VT100
Вроде и по делу. И можно простить смешение индукции с индуктивностью. И даже "ферритовый сердечник" - я сам затрудняюсь в подборе адекватного перевода для названия этого компонента.
Его основная идея не в его индуктивности, а во вносимых им потерях на высоких частотах. Что и обеспечивает улучшение изоляции входной линии питания от пульсаций выходной.
Но... перепутывание N- и P-канальных транзисторов и тока с напржением вызывает подозрения.
mikprin Автор
Спасибо. Исправил опечатку с каналами транзисторов! Про ток с напряжением не понял.
VT100
Современный процессор может потреблять 200Вт при токах работы в 1В
mikprin Автор
Исправил!
ioccy
Да уж, терминология глаза режет. И демпфирующий вместо блокировочного, и ферритовые сердечники вместо ферритовых бусинок. И вышеперечисленное. Похоже на перевод, да плашки нет.
mikprin Автор
Ну простите просто редко сталкиваюсь с русской терминологией. Сам почти полностью на английском работаю и читаю иностранную литературу.
Andy_Big
Обычно их называют "ферритовыми бусинами" ("ferrite bead").
hw_store
это то же самое, что на других схемах обозначают как дроссели, или что-то другое? Мы обычно ставим монолитные дроссели типоразмера 0805 c сопротивлением 120 Ом на 100MГц.
Andy_Big
Ну, в принципе их можно представить как дроссель, хотя довольно специфичный. Процитирую вот отсюда: «Бусинки, несмотря на то, что их часто так называют — это не катушки индуктивности. Дело в том, что бусинки изготавливаются из специальных ферритов с большими потерями на перемагничивание. Чем чаще феррит перемагничивается (больше частота), тем больше на нем теряется энергии. Эта энергия выделяется в виде тепла. Все что выделяет тепло является активным сопротивлением, а не катушкой индуктивности!».
nnstepan
А потери на высоких частотах случайно не с индуктивностью связаны?
mikprin Автор
Да, с паразитной индуктивностью.
N1X
Индуктивность есть конечно, но нет, работают они несколько по другому. Собственно поэтому их и выделили в отдельный класс компонентов и даже обозначают часто по-другому. На частотах заграждения в импедансе преобладает активная составляющая, т.к. применяется специальный феррит, который имеет повышенные потери в нужном частотном диапазоне. У AD есть хороший апноут на эту тему: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/an-1368.pdf
VT100
+1
mikprin Автор
А можно тогда ваш коммент сразу в статью подшить как цитату?
Ну документ я этот читал, но хотел попроще материал составить.
N1X
без проблем :)