Привет, Хабр! Давно не было повода написать, но вот информационная пружина сжалась. Сейчас в Яндексе занимаюсь разработкой печатных плат, входящих в состав робота. Возникает много нюансов, выходящих за пределы печатной платы: кабельные соединения и разъёмы, экранирование, помехи на уровне системы. По мере накопления и структурирования опыта добавлю новый раздел в руководство, а в этой статье делюсь координатами золотых приисков — информация для тех, кто любит копать и разбираться (моё почтением вам).
Думаю, многие разработчики печатных плат знают о YT-канале Роберта Феранека. Мне часто попадались его видео, и в ленте, и при запросах, но я с трудом перевариваю его голос и его английский (как окажется позже, ради знаний можно терпеть и большую боль), да и большим экспертом он никогда не казался. Но после ряда запросов на тему EMC и AD алгоритмы YT открыли ящик Пандоры и подкинули мне видео, где Феранек общается с экспертами отрасли.
Для тех, кто любит копать
Я крайне рекомендую посмотреть все видео, на которые будут ссылки в статье. Тут два варианта: либо вы абсолютно точно понимаете, о чём говорит эксперт (это прекрасно, откалибровали свои знания), либо не понимаете - и тогда, копать, копать, копать. Можно прочитать мою книгу, там очень многое есть, можно задать вопросы в комментариях или в личных сообщениях.
Первое, на которое я не мог не обратить внимание, с уважаемым Эриком Богатиным, на тему необходимости полигонов питания. Я однажды писал Богатину и он мне ответил, но я даже не мог себе представить, что вот так можно с ним (и не только) пообщаться на интересные темы. Феранеку тут низкий поклон, конечно.
Но это тот случай, когда, похоже, Акелла промахнулся. На мой взгляд, в эксперименте, на основании которого Богатин всё видео топит за использование дорожек вместо сплошных слоёв питания, есть ошибка. Логика в том, что для возвратных токов земля лучше питания, конечно, есть, но вот что слой питания создаёт больше проблем, это я не готов был принять. Интересно будет почитать в комментариях мнения на счёт того, где там ошибка в его выкладках.
Вопросы Феранека
Забавно, кстати (не только в этом видео), видеть, что Феранек не всегда вывозит то, что ему рассказывают. Он молодец, старается разобраться всегда и вопросы задаёт, но эти вопросы его выдают. Хотя, может быть, просто со стороны проще, но иногда, реально, вопросы очень странные, поэтому его собственные видео я бы не рекомендовал.
На тот момент у меня было два мнения: моё и великого Богатина. И несмотря на то, что мне казалось, что я понимаю, что Богатин намудрил в том видео, я решил применить мажоритарную логику, и посмотрел ещё одное видео на близкую тему.
Экспертом оказался очень бодрый мужик, Рик Хартли. Я свечку не держал, но у меня создалось впечатление, что он очень опытный разработчик печатных плат, в отличие от Богатина. Богатин же больше теоретик-экспериментатор, который хорошо разбирается в измерительном оборудовании и сотрудничает с LeCroy. Хартли вещал на тему логики выбора структуры печатной платы (писал здесь об этом, но в видео гораздо больше примеров), и там были полигоны питания, и всё было логично, и у меня картина мира вернулась на прежнее место.
Картина мира
Снижай зазор между прилегающими слоями земли и питания, чтобы увеличить ёмкость, добавляй конденсаторы с низкоиндуктивным подключением к этим слоям, чтобы минимизировать импеданс подсистемы питания в широком диапазоне частот, добавляй конденсаторы в точках, где критические сигналы прошивают эти слои (а лучше для таких не менять опорный слой).
Хартли мне понравился, и я посмотрел ещё одно видео с ним на тему разделения и вырезов в слое земли. Там был смешной момент, где он делился шуткой знакомого инженера лаборатории ЭМС, называющего клиентами разработчиков, которые разделяют земляной слой. Ещё было забавно от него услышать, что USB разрабатывал какой-то идиот (я сразу вспомнил это видео от Intel). Ирония в том, что у меня тоже в одном из проектов пришлось решать проблему с USB-девайсами (из-за их соединения земли с корпусом), поэтому шутка была на злобу дня, что называется.
Тем, кто дочитал до этого момента — бонус в виде ЭМС-гуру. Конечно, не сотвори себе кумира, но этим дедом я просто восхищён. Он, похоже, съел всех ЭМС-собак. И всё опять благодаря Феранеку, но сразу скажу, что смотреть это видео — боль. Сочетание голоса Феранека и произношения Кейта Армстронга — убийственное комбо. Я бы сразу порекомендовал Грааль в виде сайта с бесплатными материалами от Армстронга. Я сейчас читаю вот эту серию из 6 статей, и это просто пушка-ракета! Такая концентрация, такого опыта! Я когда читаю, делаю себе выдержки с ключевыми моментами и новыми знаниями, так вот тут не успеваю делать выдержки. В общем, крайне рекомендую, и сам очень бы хотел его книги достать почитать. Впоследствии на основании его материалов добавлю новое приложение к руководству, как сформируется практический опыт.
Надеюсь, материалы будут полезным всем интересующимся. В заключение хочу выделать вот такую мысль:
В неформальных вебинарах, вроде тех, что делает Феранек, возникает личность автора. Написать книгу или статью любой может (я, например, сейчас пишу), но кто он, чем он занимается, пропустил ли он этот опыт через себя, и под каким углом зрения — это очень важно при выборе учителя. А выбирая книгу, мы по факту выбираем учителя. И даже после этого нужно смотреть на разные мнения, на разные углы зрения, чтобы докопаться до истины и откалибровать своё понимание.
От Хартли было интересно услышать критику рекомендаций в аппноутах и даташитах от производителей микросхем. Сам тоже обращал внимание. А если подумать, то кто их пишет, практикующие разработчики печатных плат или просто технические писатели? Или Армстронг пишет, что в некоторых классических книгах (сам как раз недавно листал книгу Отта по помехам 1979 года) устаревшие рекомендации по экранированию кабелей и заземлению. Много интересного, хотя пока и не всё осознал, но я к чему. Тут вопрос — а какова применимость рекомендаций из книги 1979 года? В общем, всегда держать руку на пульсе, задавать вопросы, докапываться до первопричины и проверять на практике.
Желаю всем успешных проектов, надёжных, технологичных и красивых печатных плат! И не переставайте учиться и калибровать свою картинку мира.
P.S. Ещё один ящик Пандоры, который сам пока не открывал, пока Армстронг. Если найду там что-то интересное, то в напишу в новой статье.
Комментарии (26)
Wallhead
14.08.2023 06:03+1У Феранека хорошая серия видео по Альтиуму и работе с ним. Но для меня было открытием, что он проектирует материнские платы мало разбираясь, что такое импеданс и тд.
Karlson_rwa
14.08.2023 06:03+1Эх, знали бы вы, сколько инженерОв проектируют платы вообще слабо представляя, что там в них реально происходит. Наслушался тут всякого разного на собеседованиях. Особенно повеселил товарищ, на словах делавший 10 гигабит и не знающий, где в дифпаре выравнивание надо бы делать.
iamsam Автор
14.08.2023 06:03К сожалению, да, тоже сталкиваюсь часто, что уровень понимания невысокий, часто максимум, на чём живут люди - это апноуты или статьи с сайтов-агрегаторов типа "EMC PCB Design Rules"... Критерий качества - это "плата работает", а уж чего там шумы-не шумы, предельные режимы. Нет и отдельной индустрии ЭМС, профильных лабораторий. На каких-то предприятиях есть, свои, наверное, но я пока не встречал.
iamsam Автор
14.08.2023 06:03Вы имеете в виду математическое определение? Так-то должен знать, он там даже где-то спрашивал про влияние волокон в текстолите на импеданс. Но вот с фундаментальными знаниями (физика, математика) у него есть пробелы, как мне кажется.
cujos
14.08.2023 06:03+3если честно, хотел бы поспорить, но правда в том, что конкретные советы даются под конкретные проекты, платы, задачи, техпроцессы, требования (в тч по ЭМС, температуре, влажности и тп), стоимость и тд и тп
меня всегда умиляют когда пытаются выровнять все диф линии до единиц мм, даже когда они работают на коротких расстояниях, на сигналах типа 12.5 МГц, когда заливают все бездумно, потому что так показали на ютубе, когда ставят вопрос нужен ли полигон питания, GND на внешних слоях и тп, не вникая в суть платы/изделиятак что статья кажется какой-то бесполезной и даже вредной, потому что пропагандирует непонятно что, а смысловой нагрузки почти не несет
а по поводу роботов от Яндекса тоже есть веселые истории в целом похожие на суть этой статьи)iamsam Автор
14.08.2023 06:03С тем, что конкретные советы - под конкретные платы, тут нечего спорить. Только как дойти до этого понимания? Где источник этих советов под конкретные платы?
И в чём вред статьи? Статья - это просто ссылки на источники, дайджест. Посмотрите серию статей от Армстронга, и скиньте мне, где там есть вредные советы?
Чем плохо видео от Рика Хартли с рассказами о конкретных примерах работы той или иной структуры печатной платы?
Чем плохо предложение найти ошибку в аргументации Богатина?
В общем, хотел бы поспорить, но правда в том, что Вы не смотрели видео и не читали источники. Я за всё время работы, в том числе над книгой, перечитал сотни источников, как больших монографий, так и отдельных статей, и прекрасно отличаю хорошие рекомендации от плохих. Поэтому вот такие выпады за всё хорошее (мол, универсальных советов нет, каждый случай уникален), ещё и указание на вред статьи - это не конструктивно.
Судя по Вашей риторике, у Вас большой опыт в разработке, множество проектов за плечами, прекрасно - поделитесь тоже чем-то.
cujos
14.08.2023 06:03+1вред в том, что по факту статья не о чем, просто комментарии к видосам на ютубе
в жизни все немного иначе: есть задачи и требования к ЭМС, и на этапах испытаний находятся проблемы типа неправильных полигонов, емкостей, фильтров, паразитных индуктивностях/емкостях и тп, торчащий провод, недостаточная земля и тп - те всегда решаются конкретные проблемы для конкретных требований
не скажу, что опыт большой, но какой-то есть
полезно было бы, если бы была рассмотрена конкретная проблема ЭМС, неудачные испытания и их результат и конкретный способ решения, а то что заливать или нет полигон, менять стек или нет - да в целом все равно, если нет требований и проблем тоже нет, и решать что-то до того, как оно появятся в целом бессмысленно
хотя некоторые азы знать все же полезноiamsam Автор
14.08.2023 06:03Ответы на многие из Ваших вопросов есть по ссылкам в статье (в том числе в видео). И помимо того, что она обозначена как дайджест, так я ещё и явно в ней указал:
А в этой статье делюсь координатами золотых приисков — информация для тех, кто любит копать и разбираться (моё почтением вам).
Я поделился источником знаний, за который сам бы был очень благодарен. Армстронг написал отличную серию. К тому же, по результатам опросов, он был знаком только одному человеку из тех, кто проголосовал.
cujos
14.08.2023 06:03+1в общем, лично я считаю, что в Яндексе могут быть и свои эксперты, компания то не маленькая, тем более роботов делаете - там и рч, и видео/обработка/CV, и силовые/внешние сигнальные линии, моторы и тд, опыта должно быть много
а наброс про заблуждение гуру ЭМС, чтобы это не значило, выглядит довольно странно, тем более не сказано почему и как, не разобраны альтернативы, не приведены замеры или еще что, ЭМС же вполне себе контролируемая штука, ну и большинство решений в ЭМС - это компромисс, а не простое прав/неправ
да и обсуждение в комментариях напоминает разговор с копипастой - можно кстати и об этом статью написатьiamsam Автор
14.08.2023 06:03Ну, просто нельзя так эксперимент проводить, как он сделал (или как рассказал о нём), не может он в таком виде служить аргументацией. Не хочу писать здесь, потому что интересно, чтобы кто-то ещё написал своё мнение, чтоб хотя бы дискуссия началась.
А основная тема дискуссии - негатив какой-то. Статья ни о чём, и вообще вредна, а ты вообще читал классиков, ЭМС дело не простое, жизнь она другая... При этом никакого конструктива. Это, кстати, один из индикаторов состояния отрасли и экспертизы в ней.
StpMA
14.08.2023 06:03+1На мой взгляд, в эксперименте, на основании которого Богатин всё видео топит за использование дорожек вместо сплошных слоёв питания, есть ошибка. Логика в том, что для возвратных токов земля лучше питания, конечно, есть, но вот что слой питания создаёт больше проблем
Где вы там это увидели? Отрывок про шум в месте смены опорного полигона, один из которых земля, другой питание. Где там "полигоны-плохо, дорожки - хорошо" кроме заглавной картинки видео?
Нет принципиальной разницы земля или питание. Земли на плате больше, она лучше сделана.
iamsam Автор
14.08.2023 06:03А вы целиком видео посмотрели? Я просто целиком смотрел, и вот такой посыл для себя зафиксировал. Если будет время, найду Вам отрывок или цитату.
Вы нашли ошибку в эксперименте Богатина?
StpMA
14.08.2023 06:03Оба видео смотрел на быстрой перемотке, внимательно часть по ссылке. Ошибки не увидел. Увидел что в его примере есть места для сшивающих конденсаторов, но они не впаяны. Вы это считаете ошибкой?
iamsam Автор
14.08.2023 06:03Нет, в том, что у него полигон, который он называет полигоном питания, болтается в воздухе, ни к чему не подключен в первом случае. Такой полигон никак не эмулирует интересный с практической точки зрения случай пары полигонов земля-питание.
То есть я ставил эксперимент так: земля-питание с небольшим (или вообще без) количеством конденсаторов, хорошо спроектированная пара земля-питание, плюс к этому конденсатор в месте пересечения опорных слоёв, и уже потом для сравнения пара земля-земля.
Вы писали, что между землёй и питанием нет принципиальной разницы - это заблуждение. Только при анализе схем по переменному току считается, что они закорочены. У любой подсистемы питания есть конечный импеданс, который растёт с частотой. И только в хорошо разработанной плате можно прошивать этот бутерброд сигнальными линиями, обеспечивая компактность электромагнитных полей при этом переходе.
StpMA
14.08.2023 06:03Вы писали, что между землёй и питанием нет принципиальной разницы
Да, я не уточнил. "Своим" питанием. Питанием-землей передатчика и приемника. Если сюда вклинится чужое питание в качестве опорного слоя, то разница разумеется будет.
Нет, в том, что у него полигон, который он называет полигоном питания, болтается в воздухе, ни к чему не подключен в первом случае.
Упрощение для наглядности, но не ошибка в эксперименте. Он показал то, что хотел показать. С "подключенным" полигоном на осциллограмме была бы куча колебаний, усложняющих понимание.
Такой полигон никак не эмулирует интересный с практической точки зрения случай пары полигонов земля-питание.
Эмулирует более редкий, но не менее реальный случай. Земель и питаний может быть больше двух. Например, пары не питание1 - земля1, а земля1 - земля2. Так делать нельзя, но мы же про реальные платы и про ошибки трассировки. В эксперименте ошибки нет.
iamsam Автор
14.08.2023 06:03Даже для своего питания тезис не верный, я написал выше, при каком случае он будет верным (надо постараться).
Он говорил об одном, а показал другое. Он показал, что нельзя оставлять целый слой в плате не подключенным :). В целом, хорошая рекомендация.
Про кучу колебаний можно подробней, пожалуйста. Как бы выглядел исследуемый сигнал?
Надеюсь, плата с землей 1 и землёй 2 на соседних слоях - это как раз не реальная плата, а что-то из области фантастики и анекдотов про ЭМС.
shevTR
14.08.2023 06:03спасибо за обзор! сам только в этом году начал вникать в основы ЭМС - после провала испытаний моей платы на ЭМС - смотрю различные видео и конспектирую их... все перечисленные специалисты мне знакомы, также мне интересно смотреть Zach Peterson из Альтиума, а среди русскоязычной литературы нравится Л. Н. Кечиев... хочу сказать, что благодаря этим специалистам удалось что-то понять, исправить плату и пройти испытания со второго раза...
Что касается упомянутого эксперимента и ошибки - я не понял, что Эрик хотел доказать....: вроде это обязательная практика ставить "via-gnd" рядом с сигнальными via - чтобы хоть как-то сохранить импеданс линии при её вертикальном переходе на плате.... без заземлённых отверстий рядом с сигнальными будет повышен импеданс линии и из-за этого возникнет помеха по напряжению, которая может вызвать резонанс... в ролике говорится, кажется, что резонансная частота для 25х35мм слоёв PWR-GND = 2.5ГГц... лично я не понял почему не рассматривается вариант когда есть заземлённое переходное отверстие в стеке SGPS... допускаю, что совсем всё не так понял, ибо ещё учиться и учиться))
iamsam Автор
14.08.2023 06:03... информация для тех, кто любит копать и разбираться (моё почтением вам).
Ещё раз лично моё почтение. Приятно встретить ищущего человека, ради таких статья и пишется. Хотя, конечно, приходится при этом разное встречать в процессе. Вы на верном пути, и всё получится (если что, обращайтесь с вопросами).
Кстати, интересно, что сделали с платой для прохождения ЭМС. Я бы почитал.
По поводу ошибки в эксперименте - там у него "слой питания" висит в воздухе. И мне, если честно, трудно сходу представить, что там было с импедансом и как возвратные токи распределены были. Вот и всё, то есть эксперимент, показывающий, что GG лучше, чем GP... на самом деле показывает, что GG лучше, чем GF... что, как бы очевидно.
Кстати, не поленился, почитал комментарии к видео. Там их 138. И я с радостью нашёл вот эти два. Остальные все в стиле - "О, Боже, спасибо, Вы открыли мне глаза". Второй комментарий очень повеселил: Who the hell has just a floating plane in the middle of the stack-up...
lelik363
Всё уже придумано до нас.
Странно, что вы взялись писать свою книгу не изучив труды тех, кто уже "собаку сЪел" на трассировке и ЭМС.
Doug Brooks, UltraCAD, Signal Integrity Issues and Printed Circuit Board Design, 2003
Walt Kester, Analog Devices, High Speed Design Techniques, 1996
Howard W. Johnson and Martin Graham, High Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic, 2003
Henry W. Ott, вообще, памятник. Electromagnetic Compatibility Engineering, 2009
iamsam Автор
Странно, что Вы взялись писать комментарий, не изучив ссылки на источники, которые я использовал при написании книги... Что я только не читал, плюсом к тому, что Вы указали.
Кстати, по поводу тезиса, который в книге, из указанной Вами литературы, Вы знаете (без гугления), кто из авторов профессиональный разработчик ПП?
А так, чёрная магия самая слабая, она старая, но переведена на русский (причём так себе), поэтому популярна. Отт 2009 хорош, но там много из книги 1979 года. Армстронг гораздо мощнее по ЭМС - и он настоящее открытие, которым поделился в этой статье, очень рекомендую.
lelik363
Keith Armstrong и Walt Kester в ссылках нет.
"Самая слабая" книга была издана тогда, когда других материалов на тему signal integrity не было, кроме мануалов Intel или AMD, поэтому она популярна.
По вашему выходит, что только топологи двигали индустрию?
Но как сказано в этом комментарии:
iamsam Автор
Хорошо, что теперь посмотрели. Про Армстронга я прямо написал, что встретил его работы не так давно, тут непонятный аргумент. Вы читали его книгу или статьи? Если да, то Вам повезло его встретить, я вот только сейчас. Но Вы его, кстати, тоже не упомянули, забыли, видимо.
Я сейчас пролистал Кестера, и не увидел там по трассировке рекомендаций, там больше по проектированию схем на ОУ. Буду благодарен, если скинете главу или конкретные рекомендации, которые были бы связаны с проектированием топологии.
Судя по этому комментарию и по ссылке на ВЧ схемы с ОУ, Вы больше схемотехникой занимаетесь. Прекрасная профессия, с большим уважением отношусь к каждому сильному схемотехнику. Их вклад в отрасль нельзя переоценить.
Только тезис мой в том, что в топологии разбираются топологи. Ну, а в схемотехнике - схемотехники. Вроде, логично, нет?
Комментарий тот прекрасен, да. Каждая плата уникальная, каждый человек уникален и вообще тонкая натура. И только тонкий психолог (и тополог) с большим опытом сможет найти ключ к своему подопечному. А все книги и рекомендации - от лукавого...
lelik363
Книга у меня есть и я её читал. Именно поэтому я полностью разделяю комментарии.
iamsam Автор
Меня интересует про печатные платы именно. Есть в электронном виде (я бы купил у Вас)? Или где покупали и давно ли? Буду благодарен!
lelik363
Такая книга нужна самому. Покупал лет 15 назад.
iamsam Автор
Я про электронную версию говорил там. Печатная-то понятно.
А скиньте, пожалуйста, фоток параграфа про выбор структуры печатной платы, или какого-то интересного раздела на Ваш вкус. Посмотреть хочу, прежде чем пытаться раздобыть. Можно в личку, можно сюда, думаю, многим будет интересно.