Layout Frage bezüglich Kupferinseln

[Fabian Z. (fabi_z)]

Hi,

ich mache gerade ein kleines Layout. Dabei ist mir aufgefallen das ich 
zwischen meinen Leitungen relativ dünner Masseflächen habe die ich nicht 
mit Via´s auf Ground legen kann. Somit habe ich diese einfach beseitigt. 
Bei der Aktion ist mir dann aufgefallen das vor langer Zeit mal jemand 
gemeint hat das man keine Schleifen konstruieren sollte für die Masse. 
Sogenannte Masseschleifen. Also habe ich kurzerhand die Schleife 
unterbrochen sodass ein eine U-Form entstand.

Habe ich das alles richtig verstanden. Ist das ok so? Das Layout ist 
4-Lagig.

Grüße

[Cyborg (Gast)]

Masseschleifen entstehen oft wenn man mehrere Baugruppen die über
Signale und mitgeführter Masse mit einander verbunden sind,
aber zentral zusammen stromversorgt werden. Wegen der fehlenden
galvanischen Trennung treten Querströme auf, die dann wie
Antennen wirken.

https://de.wikipedia.org/wiki/Erdschleife

Platinen mit Masseflächen zu fluten, ohne das dafür die Notwenigkeit
besteht ist eine ganz schlechte Idee. Daher die Frage: Ist es technisch
notwenig? Das sollte aus dem Schaltplan der App herauszulesen sein.

[Fabian Z. (fabi_z)]

Hm, das mit der Sternförmigen Masseverbindung verstehe ich nicht 
richtig. Also ich habe da wohl eins zwei Verständnis Probleme.

Ich habe vier Layer welche wie folgt aufgebaut ist: Signal, Masse, 
Speisung, Signal. Auf der Platine ist ein HF Teil welcher mit einem 
Abschirmblech vom Digitalteil abgespalten wird. Die erste Frage hierzu 
ist:

Muss der HF Teil (2GHz) eine vollständig eigene Masse haben? Oder ist es 
ausreichen wenn ich mit genügend Via´s das Ground um den HF Teil auf die 
darunter liegenden Layer kontaktiere und ein Abschirmblech anbringe mit 
Massebezug?

Die zweite Frage ist bezüglich der Sternförmigen Masseverbindung. Das 
obere Bild ist der Bottom Layer welcher mit Vias zum Ground Layer und 
Top Layer ausreichend verbunden ist. Dort habe ich wie oben erwähnt eine 
U-förmige Masse gelayoutet. Ist das Falsch? Entstehen Masseschleifen 
nur an Bauteilen oder auch um Leitungselemente herum?

[Mampf F. (mampf)]

Cyborg schrieb:
> Platinen mit Masseflächen zu fluten, ohne das dafür die Notwenigkeit
> besteht ist eine ganz schlechte Idee.

Erklär mal bitte, wann die Notwendigkeit besteht. Oder verlinke bitte 
auf einen Artikel, der die Notwendigkeit erklärt.

So ist das etwas nichtssagend ;-)

[Andi (Gast)]

Fabian Z. schrieb:
> Muss der HF Teil (2GHz) eine vollständig eigene Masse haben? Oder ist es
> ausreichen wenn ich mit genügend Via´s das Ground um den HF Teil auf die
> darunter liegenden Layer kontaktiere und ein Abschirmblech anbringe mit
> Massebezug?

Ohne Schaltplan und alle Lagen kann man hier nur raten...


> Die zweite Frage ist bezüglich der Sternförmigen Masseverbindung. Das
> obere Bild ist der Bottom Layer welcher mit Vias zum Ground Layer und
> Top Layer ausreichend verbunden ist.

Ausreichend ist was anderes (siehe weiter unten)

> Dort habe ich wie oben erwähnt eine
> U-förmige Masse gelayoutet. Ist das Falsch? Entstehen Masseschleifen
> nur an Bauteilen oder auch um Leitungselemente herum?

Wenn du unter der Signallage eine (_durchgehende!_) GND-Plane hast:
* Mindestens alle 1 cm auf die Plane kontaktieren.
* Alle freistehenden bzw. kleinen Flächenteile an deren Enden auf die 
Plane kontaktieren - oder besser weglassen.

Ansonsten besteht die Gefahr dass die Masseflächen angeregt werden und 
dir die Stromversorgung unnötig versauen.

Wenn du das machst, brauchst du dir um das U keine Sorgen machen, der 
Strom ist 'faul' und sucht sich immer den kürzesten Weg. Deine 
Unterbrechungen stören daher nur.

Vergrößere den Abstand der Leitungen zur gefluteten Fläche auf mind. 
3-5W.
Grund: Auch dadurch können die Flächen unnötig angeregt werden.

Aber generell:
Wenn du keine Bedenken bez. ESD-Einschläge hast, würde ich die Fluterei 
in dem Fall ohnehin lassen.

Ganz abgesehen davon: Auch die Signallage auf der anderen Seite braucht 
eine GND-Plane als Referenz.
Vier Lagen sind also zu wenig.

[H-G S. (haenschen)]

Andi schrieb:
> Ganz abgesehen davon: Auch die Signallage auf der anderen Seite braucht
> eine GND-Plane als Referenz.
> Vier Lagen sind also zu wenig.

Kurioserweise las ich in einem Buch dass die Lage mit der positiven 
Versorgungsspannung auch als EMI-dämpfende Lage geeignet sein soll - 
wenn auch scheinbar schlechter als die GND-Lage.

Leider ging das Buch nie ins Detail und die Frage wieso das auch 
funktioniert wird wohl nie gelöst ... naja vielleicht fliesst der Strom 
bei einer Halbwelle über die Plus-Lage her/zurück oder so.

[Georg (Gast)]

H-G S. schrieb:
> Leider ging das Buch nie ins Detail und die Frage wieso das auch
> funktioniert wird wohl nie gelöst

Doch, natürlich, das ist eigentlich sogar ziemlich trivial. Es geht ja 
nicht um das DC-Potential, sondern um Wechselstrom bzw. HF, und da sind 
GND- und Vcc-Flächen prinzipiell gleichwertig. Allerdings liegen die 
Probleme im Detail, v.a. ist dafür Voraussetzung eine HF-mässig sehr 
niederimpedante Verbindung zwischen GND und Vcc, sprich viele und gut 
plazierte Abblockkondensatoren.

Ausserdem muss man sich die üblichen Gedanken machen über den Stromfluss 
auf dem Rückweg - wechselt man etwa per Via von Top nach Bottom, so 
müsste auch der zugehörige Rückstrom von z.B. Vcc auf GND wechseln, was 
nur möglich ist wenn sich da ein Abblockkondensator befindet. Aber 
solche Details gehen hier zu weit, meistens handelt man sich mit 
Ausführungen zu technischen Fragen, die über Kenntnisse des Ohmschen 
Gesetzes hinausgehen, hier im Forum eher bösartige Kommentare ein.

Literatur über Leiterplatten ist dünn, das ist halt ein ganz kleines 
Spezialgebiet. Empfehlen könnte ich nur, ein Seminar zum Thema zu 
besuchen mit einem Instruktor, der entsprechende HiSpeed-Erfahrung hat 
und dem man ergänzende Fragen stellen kann, aber das kostet natürlich 
einiges und kommt wohl nur in Frage wenn die Firma zahlt.

Aber bei HF-mässig gut entworfenen Layouts gilt annähnernd GND = Vcc für 
HF, und die LP funktionieren zufriedenstellend, ich kenne viel solche, 
auch solche die von mir designt sind.

Georg

[Andi (Gast)]

H-G S. schrieb:
> Kurioserweise las ich in einem Buch dass die Lage mit der positiven
> Versorgungsspannung auch als EMI-dämpfende Lage geeignet sein soll -
> wenn auch scheinbar schlechter als die GND-Lage.

Nahezu gleichwertig (aus HF-Sicht).

Georg hat die Hintergründe eh schon gut beschrieben.

Allerdings sollte man damit nur dann 'spielen' wenn man a) weiß was man 
tut und b) ein gutes Stromversorgungssystem hat (was aber a) ohnehin 
schon mit einschließt).

Für normale Anwendungsfälle sollte man einfach darauf achten dass jede 
Signallage eine durchgehende GND-Plane als Referenz hat.
Und dass mehrere GND-Planes gut mit Vias gekoppelt sind.
(Unterbrochene GND- und auch VCC-Planes rächen sich spätestens im 
Prüflabor)

Diese Standard-Regel macht einem das Leben schon mal ein großes Stück 
einfacher...

[Ich (Gast)]

Also ich hab jetzt Mengen an Layouts im Steuer und Leistungsbereich 
gesehen (kein echtes HF) und da hat sich für aktuelle Technologien 
folgendes als sehr gut bewährt:
- Top und Bot Fluten mit GND und alle Ränder mit Vias verbinden (so ein 
paar mm Abstand zwischen den Vias.
- Inseln ohnd Funktion vermeiden
- Alle anderen Inseln wie Masseanschlüsse von Bauteilen am besten mit 
mehreren Vias anbinden
- Alle VCC Leitungen einfach übers Board ziehen und wo Versorgung 
gebraucht wird gut über Cs entkoppeln

-> ein stabiles Massesystem über das Board sorgt für klare Verhältnisse. 
Fliegende Masse ist tödlich

[Georg (Gast)]

Ich schrieb:
> Fliegende Masse ist tödlich

Das gibt es nicht, du meinst Flächen ohne Verbindung zu einem anderen 
Potential, also eben nicht Masse. Das ist ein regelmässiger Irrtum oder 
Missbrauch hier, nur eine Fläche die mit GND verbunden ist ist eine 
Massefläche. Ohnehin ist die überwiegende Mehrheit hier der Meinung, das 
das völlig egal ist, je mehr Flächen desto besser. "Argumente" sind 
geiles Aussehen und weniger Ätzmittelverbrauch, elektrische Fragen sind 
drittrangig.

Dagegen zu argumentieren ist so hoffnungslos wie bei den LEDs ohne 
Vorwiderstand oder der Einhaltung von VDE-Vorschriften. Wir sind ja auch 
im Jahr 1 nach Trump, Wissenschaft ist Fake.

Georg

[Ich (Gast)]

Naja ich merke Du hast mich falsch verstanden.
Ich rede von einem stabilen Massesystem dass nicht unterbrochen wird. Wo 
es auf BOT unterbrochen wird wird es auf TOP weitergeführt. Also 
sozusagen niederinduktiv über viele Vias.

Mit fliegender Masse meine ich Masse die vielleicht den Netznamen hat 
aber über das Board ein anderes Potential aufweist. Wenn aktuelle 
digitale Komponenten schalten sind aufgrund der Schaltflanken hoher 
Ströme auf dem Board unterwegs (nix neues).
*ber Block Cs denken viele nach aber nicht wie denn der Strom über die 
Masse zurückkommt

[Andi (Gast)]

Georg schrieb:
> Das gibt es nicht, du meinst Flächen ohne Verbindung zu einem anderen
> Potential, also eben nicht Masse. Das ist ein regelmässiger Irrtum oder
> Missbrauch hier, nur eine Fläche die mit GND verbunden ist ist eine
> Massefläche.

Im Prinzip völlig richtig, trotzdem Einspruch:
Gerade beim Fluten entstehen oft zentimeterlange Fragmente und 
Stichleitungen die, obwohl GND-Potential, aus HF-Sicht perfekte Antennen 
sind, die nur darauf warten angeregt zu werden ;)
Und wenn dann auch noch Signalleitungen möglichst nah angeschmiegt 
werden passiert das unter Garantie.

Daher:
a) Solche Segmente entweder weglassen.
oder:
b) mit Vias auf die GND-Planes nageln.
oder noch viel besser:
c) Weglassen.

> Ohnehin ist die überwiegende Mehrheit hier der Meinung, das
> das völlig egal ist, je mehr Flächen desto besser. "Argumente" sind
> geiles Aussehen und weniger Ätzmittelverbrauch, elektrische Fragen sind
> drittrangig.

Ack!
Sobald GND-Planes vorhanden sind kann man die Fluterei ruhigen Gewissens 
einfach weglassen.
Erspart viel Arbeit und vor allem viel Troubles wenns nicht gut gemacht 
ist.
(Was leider die Regel ist)

> Dagegen zu argumentieren ist so hoffnungslos wie bei den LEDs ohne
> Vorwiderstand oder der Einhaltung von VDE-Vorschriften. Wir sind ja auch
> im Jahr 1 nach Trump, Wissenschaft ist Fake.

Na geh, sei nicht so streng ;)

Andi

[Andi (Gast)]

Ich schrieb:
> - Top und Bot Fluten mit GND und alle Ränder mit Vias verbinden (so ein
> paar mm Abstand zwischen den Vias.

Besser: Nicht Fluten und GND-Planes bis an den Rand rausziehen und beim 
Leiterplattenproduzenten deiner Wahl nach 'Kantenkontaktierung' fragen.

Andi

[Gustl B. (-gb-)]

Wo ist denn für mein Signal der Unterschied ob ich eine durchgehende GND 
Lage habe oder ob ich Top und Bot mit Masse geflutet habe und die mit 
sehr vielen Vias verbunden sind? Das ist doch beide Male eine 
einigermaßen durchgehende Lage?

[Andi (Gast)]

Gustl B. schrieb:
> Wo ist denn für mein Signal der Unterschied ob ich eine durchgehende GND
> Lage habe oder ob ich Top und Bot mit Masse geflutet habe und die mit
> sehr vielen Vias verbunden sind? Das ist doch beide Male eine
> einigermaßen durchgehende Lage?

'Einigermaßen durchgehend' ist nicht durchgehend!

Deinem Signal ist es oberflächlich betrachtet völlig egal(*).

Aber dein Rückstrom will möglichst schnell und einfach zur Quelle 
zurückfließen.
Findet er keinen durchgängigen GND-Pfad nimmt er alles Kupfer was er 
unterwegs finden kann (VCC, andere Signalleitungen, auch durch ICs wenns 
denn sein muss).
Und wenn man sich dann vor Augen hält dass jeder Richtungswechsel, jede 
Leiterbahndickenänderung einen Impedanzsprung bedeutet und damit ein 
Stück 'Mist' induziert wird, gilt: Viel Kleinvieh macht viel Mist.

(*) Wird aber Dein Signal (bzw. Signalleitung) Teil des Rückstroms eines 
anderen Signals wird der Unterschied spätestens dann klar wenn Du 
Störungen auf der Leitung misst und Du nicht weißt woher die kommen...

Andi

[Mampf F. (mampf)]

Ich schrieb:
> Also ich hab jetzt Mengen an Layouts im Steuer und
> Leistungsbereich
> ...

Mach ich seit Jahren exakt so und hatte niemals Probleme - egal mit was 
für einem Layout.

Imho schaden Masseflächen nicht, sie reduzieren eher den Widerstand - 
sonst könnte es tatsächlich passieren, dass GND auf einer Seite der 
Platine ein anderes Potential hat wie auf der anderen.

Sicherlich gibt es Fälle, wo Masseflächen eher stören, aber das ist eher 
Highlevel und jemand, der auf sie verzichtet, kann dann auch genau sagen 
weshalb.

[Cyborg (Gast)]

Mampf F. schrieb:
> Cyborg schrieb:
>> Platinen mit Masseflächen zu fluten, ohne das dafür die Notwenigkeit
>> besteht ist eine ganz schlechte Idee.
>
> Erklär mal bitte, wann die Notwendigkeit besteht. Oder verlinke bitte
> auf einen Artikel, der die Notwendigkeit erklärt.
>
> So ist das etwas nichtssagend ;-)
Ohne das dafür die Notwenigkeit besteht, ist es eine ganz schlechte 
Idee, Platinen mit Masseflächen zu fluten. Jetzt verstanden?

[X4U (Gast)]

Cyborg schrieb:
> Ohne das dafür die Notwenigkeit besteht, ist es eine ganz schlechte
> Idee, Platinen mit Masseflächen zu fluten. Jetzt verstanden?

Also meine Wenigkeit versteht das nicht. Das bei HF eine ganz andere 
Ausbreitung stattfindet als bei NF ist klar. Striplines und 
Impedanzkontrolle macht man ja nicht zum Spass.

Aber mir erzählen die HF Jungs (Ausnahmen bestätigen da die Regel) das 
mein kleiner Mikrocontroller für Sie im Gleichstrombereich arbeitet.

Wenn ich dann noch eine Kupferinsel habe ist das eine Antenne, soweit so 
klar. Aber für was und vor allem welche Frequenz? 1 cm Wellenlänge sind 
bommelich 10 Gigaherzt. Jede längere Welle ist doch nahezu blind für 
meine kleine Kupferinsel. Muss ich da nicht meine Schaltung minimum vor 
einen Aufklärer der Luftwaffe halten damit da überhaupt was stört?

[Mampf F. (mampf)]

Cyborg schrieb:
> Ohne das dafür die Notwenigkeit besteht, ist es eine ganz schlechte
> Idee, Platinen mit Masseflächen zu fluten. Jetzt verstanden?

Ohne weitere Erklärung sind das nur Allgemeinplätze, die du von dir 
gibst^^