Jordbaner og jordplaner har impedans. Når der løber strøm gennem en jordbane, vil der opstå en spænding på den bane. Denne spænding er støj. Støjspænding er en af de interferenskilder, der kan skade systemets stabilitet. Derfor skal vi først sænke jordimpedansen for at sænke jordstøjen.
Som alle ved, er jorden returvejen for strøm. For ethvert signal skal signalet finde en vej tilbage til jorden, der har den laveste impedans. Så det er meget vigtigt, hvordan vi håndterer den returvej.
1 - Hvorfor returvejens størrelse og form er vigtig
For det første ved vi fra formlen for stråling, at strålingsstyrken er proportional med loopets areal. Det betyder, at jo længere returvejen er, og jo større sløjfen er, jo mere vil den stråle og forstyrre andre kredsløb. Så når du laver et printkort, skal du forsøge at gøre strøm- og signalretursløjferne så små som muligt.
For det andet hjælper det at give et højhastighedssignal en god returvej med at bevare signalkvaliteten. Det skyldes, at den karakteristiske impedans for en transmissionslinje på printkortet normalt beregnes i forhold til et jordplan (eller et effektplan). Hvis der er et kontinuerligt jordplan i nærheden af højhastighedssporet, vil sporets impedans forblive konstant. Hvis en del af sporet ikke har nogen jordreference i nærheden, vil impedansen ændre sig. Denne impedansdiskontinuitet vil skade signalintegriteten. Derfor skal man ved routing placere højhastighedsspor på lag tæt på et jordplan. Eller kør et eller to jordspor parallelt ved siden af højhastighedssporet. Disse jordspor fungerer som et skjold og giver en nærliggende returvej.
For det tredje skal du så vidt muligt undgå at føre signaler på tværs af delte strømforsyninger. Det skyldes, at når et signal krydser forskellige strøm- eller jordopdelinger, bliver dets returvej lang og kan opfange interferens. Når det er sagt, er det ikke strengt forbudt for signaler med lav hastighed at krydse splits, fordi den interferens, de forårsager, kan være lille. For høj hastighed signaler skal du være forsigtig og undgå at krydse spalter, når du kan. Du kan også prøve at ændre strømlinjernes ruteføring for at hjælpe.
Mange problemer med elektromagnetisk interferens kommer fra jorddesign. Jordpotentialet er referencen for hele kredsløbet. Hvis jordpotentialet ikke er stabilt, kan kredsløbet svigte. Målet med jorddesign er at holde jordpotentialet så stabilt som muligt og på den måde fjerne interferens.
Signaljordingsmetoder falder normalt i fire typer: flydende jord, enkeltpunktsjord, flerpunktsjord og blandet jord.
2 - Typer af jordforbindelse
A. Flydende jord
Formål: Hold kredsløbet eller enheden isoleret fra fælles ledere, der kan forårsage jordsløjfer. Flydende jord gør det også lettere at parre kredsløb, der har forskellige potentialer.
Ulempe: Det kan let ophobe statisk ladning og forårsage stærk elektrostatisk afladning (ESD).
Kompromis: Tilføj afladningsmodstande for at aflaste ladningen.
B. Enkeltpunktsjord
Enkeltpunktsjord betyder, at hvert kredsløbs jord forbindes til den fælles jord i samme punkt. Dette kan opdeles i serie-enkeltpunkt og parallel-enkeltpunkt. Brug ikke enkeltpunktsjord i systemer, hvor kredsløb med høj effekt og lav effekt blandes. Jordstrømmene fra højeffektdelen vil påvirke laveffektdelene. Desuden bør det mest følsomme kredsløb placeres ved fællespunktet, fordi det punkt har det mest stabile potentiale.
Den største fordel ved enkeltpunktsjord er, at der ikke er nogen jordsløjfer, så designet er relativt enkelt. Men jordledningerne kan være lange, og jordimpedansen kan være stor.
Enkeltpunktsjording kan gøres på to måder:
- Serie enkeltpunktsjord - Det er ganske enkelt. Men fordi der er en fælles jordleder, vil der være en fælles jordimpedans. Hvis kredsløbene i serie har meget forskellige effektniveauer, vil de forstyrre hinanden kraftigt.
- Parallel enkeltpunktsjord - Hvert kredsløb fører en jordledning tilbage til det fælles punkt separat. På den måde undgår man kobling på den fælles jord. Men det kræver mange jordledninger og er ikke praktisk i mange tilfælde.
I rigtige designs kan du bruge en blandet enkeltpunktstilgang, der bruger både serie og parallel. Placer kredsløb, der ikke forstyrrer hinanden, på samme lag. Placer kredsløb, der let forstyrrer hinanden, på forskellige lag. Forbind derefter jordlagene parallelt ved det fælles punkt. (Den oprindelige tekst henviste til en figur her).
Brug det: Enkeltpunktsjording er velegnet til lave driftsfrekvenser (< 1 MHz).
Ulempe: Ikke god til højfrekvente situationer.
Enkeltpunktsjording er ikke egnet til højfrekvente kredsløb, fordi jordledningerne er lange, og impedansen fra disse ledninger bliver uundgåelig. Overvej flerpunktsjording til højfrekvens.
C. Jordforbindelse med flere punkter
Brug flerpunktsjording til høje driftsfrekvenser (> 30 MHz). I en flerpunktsordning erstatter du individuelle jordsløjfer med et jordplan, som hver del af kredsløbet kan bruge. Den induktive reaktans i en jordledning vokser med frekvensen og med ledningens længde. Ved høje frekvenser øges den fælles jordimpedans. Så du skal holde jordledningens længde så kort som muligt.
Når du bruger flerpunktsjord, skal du prøve at finde den nærmeste jordoverflade med lav impedans at forbinde til. Højfrekvente digitale kredsløb har brug for parallel jordforbindelse. En enkel måde at gøre det på er ved at bruge jordingsvias. Når kredsløb kører med høj frekvens, kan man forestille sig, at et højfrekvent signal bevæger sig langs et jordspor og påvirker nærliggende kredsløb. Det kan være meget slemt. Så alle kredsløb skal vende tilbage til jord i nærheden. Jordsporene skal være korte. Det er derfor, der findes flerpunktsjord.
Målet med flerpunktsjord er at sænke jordimpedansen. For at sænke impedansen i et højfrekvent kredsløb skal man overveje to ting: sænke jordmodstanden og sænke jordinduktansen.
Metoder:
- Lavere ledermodstand. Fra forholdet mellem modstand og tværsnitsareal ved vi, at en forøgelse af lederens areal sænker DC-modstanden. Men ved høje frekvenser får skin-effekten strømmen til at flyde tæt på ledernes overflade, så det har begrænset effekt blot at øge tværsnittet. Du kan overveje at belægge lederen med sølv, fordi sølv har bedre ledningsevne end mange andre metaller og kan reducere lederens modstand.
- Lavere induktans. Den bedste måde er at øge jordarealet. I praksis giver korte jordledninger og et stort jordareal bedre anti-interferens.
På dette tidspunkt vil nogle måske spørge, hvad der tæller som et højfrekvent kredsløb. Ifølge professor Yang Jishens bog Teknologi til elektromagnetisk kompatibilitet (EMC), Normalt er kredsløb under 1 MHz lavfrekvente og kan bruge enkeltpunktsjord. Kredsløb over 10 MHz er højfrekvente og bør bruge flerpunktsjording. Hvis den længste jordledning er mindre end 1/20 af bølgelængden ved 1 MHz eller 10 MHz, kan enkeltpunktsjording stadig fungere. Ellers skal du bruge flerpunktsjording.
D. Blandet jord
Hvis kredsløbet har både høj- og lavfrekvente signaler, er blandet jordforbindelse et godt valg. (Den oprindelige tekst henviste til en anden figur her).
Se på figuren og de to viste strukturer. For den første struktur antages det, at den mest fungerer i et lavfrekvensmiljø. Ud fra formlen for kapacitiv reaktans Zc=12πfCZ_c = \frac{1}{2\pi f C}Zc=2πfC1 ved vi, at den kapacitive reaktans er stor ved lav frekvens, mens den er lille ved høj frekvens. Så i denne ledningsføring er jordforbindelsen åben ved lav frekvens og næsten lukket ved høj frekvens. Denne ledningsføring kan undgå jordsløjfeinterferens.
For den anden struktur antages det, at den mest fungerer i højfrekvensmiljøer. Fra formlen for induktiv reaktans ZL=2πfLZ_L = 2\pi f LZL=2πfL ved vi, at den induktive reaktans er lille ved lav frekvens og stor ved høj frekvens. Så i denne ledningsføring opfører jordforbindelsen sig som en leder ved lav frekvens og er åben ved høj frekvens. Denne ledningsføring kan undgå jordsløjfestrømme.
3 - Måder at forbinde forskellige grunde på
Hvis man ikke vælger at bruge et helt plan som fælles jord, og et modul har to jordnet, skal man opdele jordplanet. Det interagerer ofte med power-planet. Måderne at forbinde jord på er:
- Almindeligt spor mellem grunde. Det giver en pålidelig lavimpedansforbindelse til mellem- og lavfrekvente signaler.
- Høj modstand mellem jordene. En stor modstand vil tillade en lille lækstrøm, hvis der opstår en spænding på tværs af den. Dette vil langsomt aflade ladning, indtil den potentielle forskel bliver nul. Brug dette til at binde flydende jordforbindelse forsigtigt fast.
- Kondensator mellem jord. En kondensator blokerer DC, men lader AC passere. Brug den i systemer med flydende jord til at passere højfrekvent støj, mens den blokerer for jævnstrøm.
- Ferritperle (magnetperle) mellem jordforbindelserne. En ferritperle fungerer som en frekvensafhængig modstand. Den ser resistiv ud ved høje frekvenser. Brug den til svage signaljordinger med små, hurtige strømspidser.
- Induktor mellem jord. En induktor modstår hurtige forandringer. Den kan udjævne toppe og fylde dale. Brug den mellem jordforbindelser, der har store strømsvingninger.
- Lille modstand mellem jord. En lille modstand tilføjer dæmpning for at bremse hurtige ændringer i jordstrømmen. Når strømmen ændrer sig hurtigt, gør denne modstand den stigende flanke mindre stejl.
Alle disse valg giver mulighed for at kontrollere, hvordan støj overføres mellem underlagene.
4 - Analog jord og digital jord
Analoge og digitale signaler har begge brug for at vende tilbage til jorden. Digitale signaler ændrer sig hurtigt. De laver en masse støj på den digitale jord. Analoge signaler har brug for en ren jordreference for at fungere godt. Hvis analog og digital jord blandes, vil støjen fra den digitale jord påvirke de analoge signaler.
Generelt skal du adskille analog og digital jord. Forbind dem derefter med et tyndt spor eller i et enkelt punkt. Hovedidéen er at forhindre digital jordstøj i at komme ind i den analoge jord.
5 - Stjernejord
Teorien bag stjernejording er, at der er ét punkt i kredsløbet, som fungerer som reference for alle spændinger. Dette er stjernepunktet. Du kan forestille dig det: Mange ledninger løber fra et fælles punkt i et radialt mønster som strålerne på en stjerne. Stjernepunktet ser måske ikke ud som en stjerne på printet. Det kan være et punkt på jordoverfladen. En vigtig egenskab ved et stjernejordingssystem er, at alle spændinger måles i forhold til det samme punkt på jordingsnetværket, ikke en eller anden usikker “jord”-reference.
6 - Sådan jordes skærme
Skærmen på et skærmet kabel og kablets afløbsledning skal forbindes til kortets interfacejord, ikke til signaljorden. Det skyldes, at signaljorden ofte har mange støjspændinger. Hvis skærmen forbindes til den støjende signaljord, vil støjspændingen drive common-mode-strøm på skærmen og forårsage ekstern interferens. Dårligt kabeldesign og dårlig skærmjording er ofte den største kilde til EMI.
Sammenfatning
I praksis skal du vælge den jordforbindelse, der passer til driftsmiljøet. Et godt valg kan undgå interferens og give den bedste kredsløbsydelse.
- Hold retursløjferne små for at reducere strålingen.
- Hold højhastighedsspor ved siden af kontinuerlige jordplaner for at få en stabil impedans.
- Undgå at krydse power plane splits, hvor det er muligt.
- Til lavfrekvente systemer (< 1 MHz) fungerer enkeltpunktsjording ofte.
- Til højfrekvente systemer (> 10 MHz) skal man bruge flerpunktsjording og korte jordingsveje med masser af returareal.
- For blandede systemer skal du bruge en hybrid tilgang med kondensatorer, induktorer, modstande, ferritperler eller små spor for at kontrollere koblingen.
- Adskil analog og digital jord, og forbind dem omhyggeligt.
- Bind kabelskærme til stikjord eller chassisjord, ikke til støjende signaljord.
Disse trin vil hjælpe med at sænke jordimpedansen og reducere jordstøj, så systemet bliver mere stabilt og pålideligt.
