Hvorfor er jordplan viktig?

Når man lager et kretskort, starter man gjerne med å definere flere lag som kortet skal bestå av. Dette er lag hvor de elektriske signalene går frem og tilbake mellom de ulike komponentene på kortet. Det minste antall lag et kort normalt har, er to, siden det er to sider av et kort. Dette er ytterlagene. Det er også disse lagene komponentene blir plassert på. Antall lag på et kretskort er avhengig av kompleksiteten på kortet. Dersom du har et kort med mange komponenter tett inntil hverandre eller med mange spenningsdomener, vil flere lag hjelpe deg i å føre signal og spenningsbanene dit du vil. Dette er fordi du vil separere ut hvor du har signallinjer, spenningslinjer og jord.

På et 4-lags kort vil fordelingen se slik ut:

På denne måten får man signalbanene i nærheten av komponentene som bruker dem, og man får en god kapasitiv kobling mellom jordplanet og spenningsplanet. I dette oppsettet vil lag 2 være jordlaget. Det laget bidrar til et felles referansepunkt for 0 V. Ofte vil man også koble varme komponenter til dette laget gjennom en termisk kobling. Det er fordi jordlaget ofte har et stort areal med kobber som kan fungere som en effektiv varmespreder. 

Bilde → Eksempel på et kort med 6 lag. Bildet er skalert for at lagene skal komme tydeligere frem. 

Mindre støy og bedre EMC

Ved å ha et jordplan vil man sørge for at det alltid er en lavimpedant vei for returstrømmen tilbake til kilden. Ved å ha en lavimpedant returvei for strømmen vil man også kunne redusere støy som igjen kan gjøre systemet mer stabilt.

En annen fordel med å ha et jordplan er at dette planet kan fungere som en skjerm mellom to deler av kortet. I 4-lags tabellen over har jeg plassert spenningslinjene på lag 3. Det betyr at jordlaget vil kunne skjerme signaler på lag 1 fra eventuell støy fra spenningslaget på lag 3. Dette krever derimot at jordplanet er kontinuerlig og godt koblet. Ved da å plassere støyende komponenter på lag 4 (bunn) så vil lag 2 kunne skjerme sensitive linjer på lag 1 fra disse komponentene.

Ofte vil man plassere avkoblingskondensatorer i nærheten av komponentpinner som kan ha raske strømtransienter. Slike strømtransienter kan skape variasjoner i spenningen, som ikke er ønskelig. Disse avkoblingskondensatorene vil fungere som en buffer for å holde spenningsnivået stabilt der du trenger dette. Ved å ha et kontinuerlig jordplan vil du kunne plassere disse slik at strømsløyfen fra pinnen gjennom kondensatoren til jord vil bli så liten som mulig.

Som forklart i det neste avsnittet, vil et kontinuerlig jordplan også sørge for at returstrømmen vil kunne følge referanseplanet tett under signalbanen ved høyfrekvente signaler. Dette reduserer også støyen som kretsen skaper, siden sløyfearealet blir mindre. Et stort sløyfeareal vil være mer mottakelig for endringer i magnetisk fluks. Slike endringer i magnetisk fluks kan indusere støy i lederne.

Viktigere med høyfrekvens

Brudd i jordplanet

Siden resistansen er det som dominerer ved lave frekvenser eller DC, vil returstrømmen fordele seg over tilgjengelige returveier med lavest impedans. Dette vil ofte være den korteste veien, men ikke alltid.  

Her går det et lavfrekvent signal fra mikrokontrolleren (μC) til sensoren. Da vil returstrømmen følge den veien fra sensoren til mikrokontrolleren med lavest impedans.

Dersom frekvensen blir høyere, vil mer og mer av returstrømmen gå under signalbanen. Ved tilstrekkelig høy frekvens vil returstrømmen følge referanseplanet rett under signalbanen. Dette betyr at du må være ekstra nøye når du legger ut kobberbaner som vil ha et høyfrekvent signal.

Dersom du introduserer et brudd i jordplanet, vil returstrømmen bli tvunget til å følge en annen bane enn den som er direkte under signalbanen. Denne endringen vil kunne føre til uønsket elektromagnetisk utstråling som vil kunne gi et dårligere resultat på en EMC-test enn ønskelig. Slike brudd kan komme av at man rent fysisk har et brudd i et jordplan, men det kan også komme av at man legger ut kobberbaner i jordplanet av ulike årsaker. På grunn av dette bør man unngå å føre signaler i jordplanet med mindre man absolutt må, eller hvor man vet hvordan man unngår slike brudd i returveien. Dersom jordplanet er eneste alternativ for å føre signalbaner, bør du vurdere om du kanskje trenger flere lag på ditt kort.

Når signaler bytter lag

Et annet brudd av jordplanet som man ikke tenker så ofte på, er dersom høyfrekvente signaler bytter lag. I vårt eksempel over med 4 lag, der kun ett av dem er dedikert til jord, vil dette ofte ikke være et så stort problem. Dersom du heller har seks eller flere lag, kan du dedikere flere lag til jord. På et slikt kort er det normalt å tildele lag 2 og lag 5 til jord, siden disse lagene da vil ligge rett under komponentene på hver side. Dersom du da har et høyfrekvent signal som skal gå fra lag 1 (topp) til lag 6 (bunn), vil du i tillegg til å ha en via for signalet, også måtte ha en via for returstrømmen. Det er fordi du da vil bytte referanselag fra lag 2 til lag 5, og man trenger derfor en nærliggende jordvia eller en annen kontrollert kobling mellom referanseplanene.

Konklusjon

Et godt jordplan gir kretsen et stabilt referansepunkt og en lavimpedant returvei for strømmen. Dette reduserer sløyfeareal, støy og elektromagnetisk utstråling, spesielt ved høyfrekvente signaler der returstrømmen følger referanseplanet tett under signalbanen. For å få disse fordelene må jordplanet være mest mulig kontinuerlig. Brudd og ukontrollerte lagbytter kan tvinge returstrømmen til å ta omveier og gi dårligere EMC-resultater. Et gjennomtenkt jordplan gir derfor bedre signalintegritet, lavere støy og et mer robust kretskort.

Trenger du hjelp med kretskortdesign?

Inventas kan bistå gjennom hele elektronikkutviklingen – fra idé, arkitektur og kretskortlayout til testing, dokumentasjon og industrialisering. Våre eksperter kan utvikle nye kretskort med gode EMC-egenskaper fra starten av, men også komme inn som en rådgivende partner for å gjennomgå eksisterende eller pågående design. Ta gjerne kontakt med Inventas dersom du ønsker en faglig sparringspartner eller en uavhengig gjennomgang av ditt kretskort.