Zemnicí stopy a zemnicí roviny mají impedanci. Když zemní cestou protéká proud, objeví se na ní napětí. Toto napětí je šum. Šumové napětí je jedním ze zdrojů rušení, které může poškodit stabilitu systému. Proto chceme-li snížit zemní šum, musíme nejprve snížit impedanci země.
Jak každý ví, země je zpětnou cestou proudu. Pro jakýkoli signál musí signál najít cestu zpět k zemi, která má nejnižší impedanci. Proto je velmi důležité, jak se s touto zpětnou cestou vypořádáme.
1 - Proč záleží na velikosti a tvaru návratové cesty
Za prvé, ze vzorce pro záření víme, že síla záření je úměrná ploše smyčky. To znamená, že čím delší je zpětná cesta a čím větší smyčku tvoří, tím více bude vyzařovat a rušit ostatní obvody. Proto byste se při rozvržení plošného spoje měli snažit, aby zpětné smyčky napájení a signálu byly co nejmenší.
Za druhé, u vysokorychlostního signálu pomáhá kvalitní zpětná cesta udržet kvalitu signálu. Je to proto, že charakteristická impedance přenosového vedení na desce plošných spojů se obvykle počítá vzhledem k zemní rovině (nebo výkonové rovině). Pokud je v blízkosti vysokorychlostní stopy souvislá zemní rovina, zůstane impedance stopy konstantní. Pokud část trasy nemá v blízkosti referenční zem, impedance se změní. Tato impedanční nespojitost poškodí integritu signálu. Proto při trasování umístěte vysokorychlostní stopy do vrstev v blízkosti zemní roviny. Nebo vedle vysokorychlostní stopy veďte paralelně jednu nebo dvě zemnící stopy. Tyto zemnicí stopy fungují jako stínění a poskytují blízkou zpětnou cestu.
Za třetí, pokud je to možné, vyhněte se směrování signálů přes rozdělené výkonové roviny. To proto, že když signál prochází přes různé napájecí nebo zemní rozdělení, jeho zpětná cesta se prodlužuje a může zachytit rušení. To znamená, že pro nízkorychlostní signály není křížení rozdělení striktně zakázáno, protože rušení, které způsobují, může být malé. Pro vysokorychlostní signály, musíte být opatrní a vyhýbat se křížení rozcestí, kdykoli to jde. Můžete také zkusit změnit směrování silových rovin, což vám pomůže.
Mnoho problémů s elektromagnetickým rušením pochází z konstrukce uzemnění. Zemní potenciál je referenční hodnotou pro celý obvod. Pokud není zem stabilní, může obvod selhat. Cílem návrhu uzemnění je udržet zemní potenciál co nejstabilnější, a tak odstranit rušení.
Způsoby uzemnění signálů se obvykle dělí na čtyři typy: plovoucí uzemnění, jednobodové uzemnění, vícebodové uzemnění a smíšené uzemnění.
2 - Typy uzemnění
A. Plovoucí půda
Účel: Udržujte obvod nebo zařízení izolované od společných vodičů, které mohou způsobit zemní smyčky. Plovoucí uzemnění také usnadňuje párování obvodů, které mají různé potenciály.
Nevýhoda: Může snadno akumulovat statický náboj a způsobit silný elektrostatický výboj (ESD).
Kompromis: Přidejte vybíjecí odpory pro odvádění náboje.
B. Jednobodové uzemnění
Jednobodové uzemnění znamená, že se uzemnění každého obvodu připojuje ke společnému uzemnění ve stejném bodě. To lze rozdělit na sériové jednobodové a paralelní jednobodové. Jednobodové uzemnění nepoužívejte v systémech, kde se mísí obvody s vysokým a nízkým výkonem. Zemní proudy z vysoce výkonné části budou ovlivňovat nízkovýkonné části. Také nejcitlivější obvod by měl být umístěn ve společném bodě, protože tento bod má nejstabilnější potenciál.
Největší výhodou jednobodového uzemnění je, že nevznikají zemní smyčky, takže konstrukce je relativně jednoduchá. Zemní přívody však mohou být dlouhé a zemní impedance může být velká.
Jednobodové uzemnění lze provést dvěma způsoby:
- Sériové jednobodové uzemnění - To je jednoduché. Protože však existuje společný zemnicí vodič, bude existovat společná zemní impedance. Pokud mají sériově zapojené obvody velmi rozdílné výkony, budou se navzájem silně rušit.
- Paralelní jednobodové uzemnění - Každý obvod vede zemnicí vodič zpět do společného bodu samostatně. Tím se zabrání propojení na společném uzemnění. Potřebuje však mnoho zemnicích vodičů a v mnoha případech není praktický.
V reálných konstrukcích můžete použít smíšený jednobodový přístup, který využívá sériové i paralelní zapojení. Obvody, které se navzájem neruší, umístěte na stejnou vrstvu. Obvody, které se snadno ruší, umístěte na různé vrstvy. Pak spojte paralelně zemnící vrstvy ve společném bodě. (V původním textu je zde uveden odkaz na obrázek.)
Použití: Jednobodové uzemnění je vhodné pro nízké provozní frekvence (< 1 MHz).
Nevýhoda: Není vhodný pro situace s vysokou frekvencí.
Jednobodové uzemnění není vhodné pro vysokofrekvenční obvody, protože zemnicí přívody jsou dlouhé a impedance těchto přívodů se stává nevyhnutelnou. Pro vysoké frekvence zvažte vícebodové uzemnění.
C. Vícebodové uzemnění
Pro vysoké pracovní frekvence (> 30 MHz) použijte vícebodové uzemnění. Ve vícebodovém schématu nahradíte jednotlivé zemnicí zpětné smyčky jednou zemnicí rovinou, kterou může využívat každá část obvodu. Indukční reaktance zemnicího vedení roste s frekvencí a s délkou vedení. Při vysokých frekvencích se zvyšuje společná zemní impedance. Proto je třeba udržovat délku zemnicího svodu co nejkratší.
Při použití vícebodového uzemnění se snažte najít nejbližší nízkoimpedanční zemnící povrch, ke kterému se můžete připojit. Vysokofrekvenční digitální obvody vyžadují paralelní uzemnění. Jednoduchým způsobem, jak toho dosáhnout, je použít zemnicí průchodky. Když obvody pracují na vysoké frekvenci, představte si, že se vysokofrekvenční signál pohybuje po zemnící stopě a ovlivňuje okolní obvody. To může být velmi špatné. Proto se všechny obvody musí v blízkosti vracet k zemi. Zemnicí stopy musí být krátké. Proto existuje vícebodové uzemnění.
Cílem vícebodového uzemnění je snížit zemní impedanci. Chcete-li snížit impedanci ve vysokofrekvenčním obvodu, zvažte dvě věci: snížení zemního odporu a snížení zemní indukčnosti.
Metody:
- Nižší odpor vodiče. Ze vztahu mezi odporem a plochou průřezu vyplývá, že zvětšováním plochy vodiče se snižuje stejnosměrný odpor. Při vysokých frekvencích však skinův efekt způsobuje, že proud teče v blízkosti povrchu vodičů, takže pouhé zvětšení průřezu má omezený účinek. Můžete zvážit pokovení vodiče stříbrem, protože stříbro má lepší vodivost než mnoho jiných kovů a může snížit odpor vodiče.
- Nižší indukčnost. Nejlepším způsobem je zvětšit plochu pozemku. V praxi poskytují krátké zemní přívody a velká zemní plocha lepší výkon proti rušení.
Někteří se v tomto bodě mohou ptát, co se považuje za vysokofrekvenční obvod. Podle knihy profesora Jang Jishena Technologie elektromagnetické kompatibility (EMC), obvody pod 1 MHz jsou obvykle nízkofrekvenční a mohou používat jednobodové uzemnění. Obvody nad 10 MHz jsou vysokofrekvenční a měly by používat vícebodové uzemnění. Pokud je nejdelší zemnicí vodič menší než 1/20 vlnové délky při frekvenci 1 MHz nebo 10 MHz, může jednobodové uzemnění stále fungovat. V opačném případě použijte vícebodové uzemnění.
D. Smíšená půda
Pokud obvod obsahuje vysokofrekvenční i nízkofrekvenční signály, je vhodnou volbou smíšené uzemnění. (V původním textu byl uveden odkaz na jiný obrázek.)
Podívejte se na obrázek a dvě zobrazené struktury. U první struktury předpokládejte, že pracuje převážně v nízkofrekvenčním prostředí. Ze vzorce pro kapacitní reaktanci Zc=12πfCZ_c = \frac{1}{2\pi f C}Zc=2πfC1 víme, že při nízké frekvenci je kapacitní reaktance velká, zatímco při vysoké frekvenci je malá. V tomto zapojení je tedy zemnicí článek při nízké frekvenci otevřený a při vysoké frekvenci téměř uzavřený. Tímto zapojením se lze vyhnout rušení zemní smyčkou.
U druhé struktury předpokládejte, že pracuje převážně ve vysokofrekvenčním prostředí. Ze vzorce pro indukční reaktanci ZL=2πfLZ_L = 2\pi f LZL=2πfL víme, že indukční reaktance je malá při nízké frekvenci a velká při vysoké frekvenci. V tomto zapojení se tedy zemnící článek při nízké frekvenci chová jako vodič a při vysoké frekvenci je otevřený. Tímto zapojením se lze vyhnout proudům v zemní smyčce.
3 - Způsoby připojení různých důvodů
Pokud se nerozhodnete použít celou rovinu jako společnou zem a modul má dvě zemnicí sítě, musíte zemnicí rovinu rozdělit. Ta často interaguje s napájecí rovinou. Způsoby propojení uzemnění jsou následující:
- Obyčejná stopa mezi pozemky. Tím je zajištěno spolehlivé nízkoimpedanční připojení pro středně a nízkofrekvenční signály.
- Vysoký odpor mezi uzemněním. Velký rezistor propustí malý svodový proud, pokud se na něm objeví napětí. Ten bude pomalu odvádět náboj, dokud se rozdíl potenciálů nestane nulovým. Použijte jej k jemnému svázání plovoucích zemničů.
- Kondenzátor mezi uzemněním. Kondenzátor blokuje stejnosměrný proud, ale propouští střídavý. Používá se v systémech s plovoucím uzemněním k propouštění vysokofrekvenčního šumu a zároveň k blokování stejnosměrného proudu.
- Feritová kulička (magnetická kulička) mezi uzemněním. Feritová kulička se chová jako frekvenčně závislý rezistor. Při vysokých frekvencích se jeví jako odporový. Použijte jej pro slabé signálové země s malými rychlými proudovými špičkami.
- Induktor mezi uzemněním. Induktor odolává rychlým změnám. Dokáže vyhlazovat špičky a vyplňovat údolí. Použijte jej mezi uzemněními, která mají velké proudové výkyvy.
- Malý odpor mezi uzemněním. Malý rezistor přidává tlumení, které zpomaluje rychlé změny zemního proudu. Při rychlých změnách proudu tento rezistor snižuje strmost náběžné hrany.
Všechny tyto možnosti umožňují řídit přenos hluku mezi jednotlivými pozemky.
4 - Analogová zem a digitální zem
Analogové i digitální signály potřebují návrat na zem. Digitální signály se rychle mění. Na digitální zemi vytvářejí velký šum. Analogové signály potřebují k dobré funkci čistou referenci na zem. Pokud se analogové a digitální země smíchají, šum z digitální země ovlivní analogové signály.
Obecně platí, že je třeba oddělit analogové a digitální uzemnění. Pak je spojte tenkou stopou nebo v jednom bodě. Hlavní myšlenkou je zabránit tomu, aby se digitální zemní šum dostal do analogové země.
5 - Hvězdná země
Teorie uzemnění do hvězdy spočívá v tom, že v obvodu je jeden bod, který slouží jako referenční bod pro všechna napětí. Tímto bodem je hvězda. Můžete si to představit: z jednoho společného bodu vede mnoho vodičů v radiálním uspořádání jako paprsky hvězdy. Hvězdicový bod nemusí na desce vypadat jako hvězda. Může to být bod na základní rovině. Klíčovou vlastností hvězdicového zemnicího systému je, že všechna napětí jsou měřena vzhledem ke stejnému bodu na zemnicí síti, nikoli k nějakému nejistému “zemnímu” referenčnímu bodu.
6 - Jak uzemnit štíty
Stínění stíněného kabelu a odváděcí vodič kabelu by měly být spojeny se zemí rozhraní desky, nikoli se zemí signálu. Je to proto, že signálová zem často přenáší mnoho šumových napětí. Pokud se stínění spojí s rušivou signálovou zemí, bude šumové napětí vést na stínění proud se společným módem a způsobovat vnější rušení. Špatná konstrukce kabelů a špatné uzemnění stínění jsou často největším zdrojem elektromagnetického rušení.
Souhrn
V praxi zvolte takový způsob uzemnění, který odpovídá provoznímu prostředí. Dobrá volba může zabránit rušení a zajistit nejlepší výkon obvodu.
- Zpětné smyčky musí být malé, aby se snížilo vyzařování.
- Pro stabilní impedanci udržujte vysokorychlostní stopy vedle souvislých zemních rovin.
- Pokud je to možné, vyhněte se křížení rozdělení výkonových rovin.
- U nízkofrekvenčních systémů (< 1 MHz) často funguje jednobodové uzemnění.
- U vysokofrekvenčních systémů (> 10 MHz) používejte vícebodové uzemnění a krátké zemní cesty s velkým množstvím zpětných ploch.
- U smíšených systémů použijte hybridní přístup s kondenzátory, induktory, rezistory, feritovými kuličkami nebo malými stopami pro kontrolu vazby.
- Oddělte analogové a digitální země a pečlivě je spojte.
- Stínění kabelu přivažte k uzemnění konektoru nebo k uzemnění podvozku, nikoli k rušivé signálové zemi.
Tyto kroky pomohou snížit zemní impedanci a snížit zemní šum, takže systém bude stabilnější a spolehlivější.
