Massebahnen und Masseflächen weisen eine Impedanz auf. Wenn Strom durch einen Massepfad fließt, entsteht auf diesem Pfad eine Spannung. Diese Spannung ist Rauschen. Rauschspannung ist eine der Störquellen, die die Systemstabilität beeinträchtigen können. Um das Masseraussehen zu verringern, müssen wir daher zunächst die Masseimpedanz senken.
Wie jeder weiß, dient die Masse als Rückleitung für den Strom. Jedes Signal muss einen Weg zurück zur Masse finden, der die geringste Impedanz aufweist. Daher ist es sehr wichtig, wie wir diesen Rückleitungspfad gestalten.
1 — Warum Größe und Form des Rückkanals eine Rolle spielen
Erstens wissen wir aus der Strahlungsformel, dass die Strahlungsstärke proportional zur Schleifenfläche ist. Das bedeutet: Je länger der Rückweg und je größer die Schleife ist, desto stärker strahlt sie ab und stört andere Schaltkreise. Wenn Sie also eine Leiterplatte entwerfen, sollten Sie versuchen, die Rückleitungsschleifen für Strom und Signale so klein wie möglich zu halten.
Zweitens trägt bei einem Hochgeschwindigkeitssignal ein guter Rückweg dazu bei, die Signalqualität aufrechtzuerhalten. Dies liegt daran, dass die charakteristische Impedanz einer Übertragungsleitung auf der Leiterplatte in der Regel in Bezug auf eine Massefläche (oder eine Stromversorgungsfläche) berechnet wird. Befindet sich eine durchgehende Massefläche in der Nähe der Hochgeschwindigkeitsleitung, bleibt die Impedanz der Leitung konstant. Hat ein Abschnitt der Leitung keine Massebezugspunkt in der Nähe, ändert sich die Impedanz. Diese Impedanzdiskontinuität beeinträchtigt die Signalintegrität. Verlegen Sie daher beim Routing Hochgeschwindigkeitsleitungen auf Lagen in der Nähe einer Massefläche. Oder verlegen Sie eine oder zwei Masseleitungen parallel neben der Hochgeschwindigkeitsleitung. Diese Masseleitungen wirken wie eine Abschirmung und bieten einen nahegelegenen Rückweg.
Drittens sollten Sie es nach Möglichkeit vermeiden, Signale über getrennte Stromversorgungs- oder Masseflächen zu führen. Der Grund dafür ist, dass der Rückweg eines Signals lang wird und es Störungen aufnehmen kann, wenn es verschiedene Stromversorgungs- oder Masseflächen kreuzt. Allerdings ist das Überqueren solcher Trennungen für Signale mit niedriger Geschwindigkeit nicht grundsätzlich verboten, da die dadurch verursachten Störungen gering sein können. Für Hochgeschwindigkeits- Dies ist ein Hinweis darauf, dass Sie vorsichtig sein und das Überqueren von Spalten nach Möglichkeit vermeiden sollten. Sie können auch versuchen, die Verlegung der Stromversorgungsbahnen anzupassen, um das Problem zu beheben.
Viele Probleme mit elektromagnetischen Störungen sind auf die Erdungsauslegung zurückzuführen. Das Erdpotenzial dient als Bezugspunkt für den gesamten Schaltkreis. Ist die Erdung nicht stabil, kann es zu Ausfällen im Schaltkreis kommen. Das Ziel der Erdungsauslegung besteht darin, das Erdpotenzial so stabil wie möglich zu halten und so Störungen zu beseitigen.
Es gibt im Allgemeinen vier Arten der Signalerdung: potentialfreie Erdung, Einpunkt-Erdung, Mehrpunkt-Erdung und gemischte Erdung.
2 — Arten der Erdung
A. Potenzierte Masse
Zweck: Halten Sie den Stromkreis oder das Gerät von gemeinsamen Leitern fern, die Erdschleifen verursachen können. Eine potentialfreie Masse erleichtert zudem die Kopplung von Stromkreisen mit unterschiedlichen Potentialen.
Nachteil: Es kann leicht statische Aufladung anziehen und zu starken elektrostatischen Entladungen (ESD) führen.
Kompromiss: Fügen Sie Entladungswiderstände hinzu, um die Ladung abzuleiten.
B. Einpunkt-Erdung
Unter Einpunkt-Erdung versteht man, dass die Erdung jedes Schaltkreises an derselben Stelle mit der gemeinsamen Masse verbunden ist. Dabei unterscheidet man zwischen serieller und paralleler Einpunkt-Erdung. Verwenden Sie keine Einpunkt-Erdung in Systemen, in denen sich Schaltungen mit hoher und niedriger Leistung vermischen. Die Erdströme aus dem Hochleistungsbereich wirken sich auf die Niedrigleistungsbereiche aus. Außerdem sollte die empfindlichste Schaltung am gemeinsamen Punkt platziert werden, da dieser Punkt das stabilste Potential aufweist.
Der größte Vorteil einer Einpunkt-Erdung besteht darin, dass keine Erdschleifen entstehen, sodass der Aufbau relativ einfach ist. Allerdings können die Erdungsleitungen lang sein und die Erdungsimpedanz hoch ausfallen.
Die Einpunkt-Erdung kann auf zwei Arten erfolgen:
- Serie mit Einpunkt-Erdung — Das ist ganz einfach. Da jedoch ein gemeinsamer Erdungsleiter vorhanden ist, entsteht eine gemeinsame Erdungsimpedanz. Wenn die in Reihe geschalteten Stromkreise sehr unterschiedliche Leistungspegel aufweisen, stören sie sich gegenseitig stark.
- Parallele Einpunkt-Erdung — Jeder Stromkreis führt separat ein Erdungskabel zum gemeinsamen Erdungspunkt zurück. Dadurch werden Kopplungen über die gemeinsame Erdung vermieden. Allerdings sind dafür viele Erdungskabel erforderlich, was in vielen Fällen unpraktisch ist.
In der Praxis kannst du einen gemischten Einpunktansatz verwenden, bei dem sowohl Reihen- als auch Parallelschaltungen zum Einsatz kommen. Platziere Schaltkreise, die sich nicht gegenseitig stören, auf derselben Ebene. Platziere Schaltkreise, die sich leicht gegenseitig stören, auf verschiedenen Ebenen. Verbinde dann die Masseebenen am gemeinsamen Punkt parallel. (Der Originaltext bezog sich hier auf eine Abbildung.)
Verwendung: Eine Einpunkt-Erdung eignet sich für niedrige Betriebsfrequenzen (< 1 MHz).
Nachteil: Nicht geeignet für Situationen mit hoher Frequenz.
Eine Einpunkt-Erdung ist für Hochfrequenzschaltungen nicht geeignet, da die Erdungsleitungen lang sind und sich die Impedanz dieser Leitungen nicht vermeiden lässt. Bei hohen Frequenzen sollte eine Mehrpunkt-Erdung in Betracht gezogen werden.
C. Mehrpunkt-Erdung
Verwenden Sie bei hohen Betriebsfrequenzen (> 30 MHz) eine Mehrpunkt-Erdung. Bei einem Mehrpunkt-Schema ersetzen Sie einzelne Erdungsrückführungsschleifen durch eine Erdungsfläche, die jeder Teil der Schaltung nutzen kann. Die induktive Reaktanz einer Erdungsleitung nimmt mit der Frequenz und der Leitungslänge zu. Bei hohen Frequenzen steigt die gemeinsame Erdungsimpedanz. Daher müssen Sie die Länge der Erdungsleitung so kurz wie möglich halten.
Wenn Sie eine Mehrpunkt-Erdung verwenden, versuchen Sie, die nächstgelegene Erdungsfläche mit niedriger Impedanz zu finden, an die Sie die Verbindung herstellen können. Hochfrequente digitale Schaltungen benötigen eine parallele Erdung. Eine einfache Möglichkeit hierfür ist die Verwendung von Erdungs-Vias. Wenn Schaltungen mit hoher Frequenz arbeiten, stellen Sie sich vor, wie sich ein Hochfrequenzsignal entlang einer Erdungsleitung ausbreitet und benachbarte Schaltungen beeinflusst. Dies kann sehr nachteilig sein. Daher müssen alle Schaltungen in der Nähe zur Erde zurückgeführt werden. Erdungsleitungen müssen kurz sein. Aus diesem Grund gibt es die Mehrpunkt-Erdung.
Das Ziel einer Mehrpunkt-Masse ist es, die Masseimpedanz zu senken. Um die Impedanz in einem Hochfrequenzkreis zu senken, sind zwei Aspekte zu berücksichtigen: die Verringerung des Massewiderstands und die Verringerung der Masseinduktivität.
Methoden:
- Geringerer Leiterwiderstand. Aus dem Zusammenhang zwischen Widerstand und Querschnittsfläche wissen wir, dass eine Vergrößerung der Leiterfläche den Gleichstromwiderstand senkt. Bei hohen Frequenzen führt der Skineffekt jedoch dazu, dass der Strom nahe der Oberfläche der Leiter fließt, sodass eine bloße Vergrößerung des Querschnitts nur eine begrenzte Wirkung hat. Man könnte in Erwägung ziehen, den Leiter mit Silber zu beschichten, da Silber eine bessere Leitfähigkeit als viele andere Metalle aufweist und den Leiterwiderstand verringern kann.
- Geringere Induktivität. Am besten ist es, die Massefläche zu vergrößern. In der Praxis sorgen kurze Masseleitungen und eine große Massefläche für eine bessere Störfestigkeit.
An dieser Stelle fragen sich manche vielleicht, was unter einer Hochfrequenzschaltung zu verstehen ist. Laut dem Buch von Professor Yang Jishen Technologie der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), In der Regel gelten Schaltungen unterhalb von 1 MHz als Niederfrequenzschaltungen und können einpunktig geerdet werden. Schaltungen oberhalb von 10 MHz sind Hochfrequenzschaltungen und sollten mehrpunktig geerdet werden. Wenn die längste Erdungsleitung weniger als 1/20 der Wellenlänge bei 1 MHz oder 10 MHz beträgt, kann eine einpunktige Erdung dennoch funktionieren. Andernfalls sollte eine Mehrpunkt-Erdung verwendet werden.
D. Gemischter Boden
Wenn die Schaltung sowohl hoch- als auch niederfrequente Signale enthält, ist eine gemischte Erdung eine gute Wahl. (Der Originaltext verwies an dieser Stelle auf eine andere Abbildung.)
Betrachten Sie die Abbildung und die beiden dargestellten Strukturen. Nehmen Sie für die erste Struktur an, dass sie überwiegend in einem Niederfrequenzbereich arbeitet. Aus der Formel für die kapazitive Reaktanz Zc=12πfCZ_c = \frac{1}{2\pi f C}Zc=2πfC1 wissen wir, dass die kapazitive Reaktanz bei niedrigen Frequenzen groß ist, während sie bei hohen Frequenzen klein ist. In dieser Schaltung ist die Erdungsverbindung also bei niedrigen Frequenzen offen und bei hohen Frequenzen nahezu geschlossen. Diese Schaltung kann Erdschleifenstörungen vermeiden.
Nehmen wir für die zweite Schaltung an, dass sie überwiegend in einem Hochfrequenzbereich arbeitet. Aus der Formel für die induktive Reaktanz Z_L = 2πfL wissen wir, dass die induktive Reaktanz bei niedrigen Frequenzen klein und bei hohen Frequenzen groß ist. In dieser Schaltung verhält sich die Erdungsverbindung also bei niedrigen Frequenzen wie ein Leiter und ist bei hohen Frequenzen offen. Diese Schaltung kann Erdschleifenströme vermeiden.
3 — Möglichkeiten, verschiedene Erdungen miteinander zu verbinden
Wenn Sie nicht die gesamte Ebene als gemeinsame Massefläche nutzen und ein Modul über zwei Masseleitungen verfügt, müssen Sie die Massefläche aufteilen. Dies hat oft Auswirkungen auf die Stromversorgungsebene. Die Möglichkeiten zur Verbindung der Masseflächen sind:
- Normale Spannung zwischen den Erdungsanschlüssen. Dadurch wird eine zuverlässige niederohmige Verbindung für Signale im mittleren und tiefen Frequenzbereich gewährleistet.
- Hoher Widerstand zwischen den Erdungsanschlüssen. Ein großer Widerstand lässt einen winzigen Leckstrom zu, wenn an ihm eine Spannung anliegt. Dadurch wird die Ladung langsam abgebaut, bis die Potentialdifferenz null wird. Nutzen Sie dies, um potentialfreie Massepunkte behutsam zu erden.
- Kondensator zwischen den Erdungsanschlüssen. Ein Kondensator sperrt Gleichstrom, lässt aber Wechselstrom durch. Verwenden Sie ihn in potentialfreien Systemen, um hochfrequente Störsignale durchzulassen und gleichzeitig Gleichstrom zu blockieren.
- Ferritperle (Magnetperle) zwischen den Masseanschlüssen. Ein Ferritperlenfilter verhält sich wie ein frequenzabhängiger Widerstand. Bei hohen Frequenzen wirkt er wie ein Widerstand. Verwenden Sie ihn für Schwachstrommasseleitungen mit kleinen, schnellen Stromspitzen.
- Induktivität zwischen den Erdungsanschlüssen. Eine Drossel wirkt schnellen Schwankungen entgegen. Sie kann Spitzen abflachen und Tiefpunkte ausgleichen. Setzen Sie sie zwischen Massepunkten ein, an denen große Stromschwankungen auftreten.
- Ein kleiner Widerstand zwischen den Erdungsanschlüssen. Ein kleiner Widerstand sorgt für eine Dämpfung, um schnelle Änderungen des Erdstroms abzuschwächen. Wenn sich der Strom schnell ändert, sorgt dieser Widerstand dafür, dass die Anstiegsflanke weniger steil ausfällt.
All diese Optionen bieten Möglichkeiten, die Geräuschübertragung zwischen den Etagen zu steuern.
4 — Analoge Masse und digitale Masse
Sowohl analoge als auch digitale Signale benötigen einen Masseanschluss. Digitale Signale ändern sich schnell. Sie verursachen starke Störungen auf der digitalen Masse. Analoge Signale benötigen eine saubere Massebezugspunkt, um einwandfrei zu funktionieren. Wenn sich analoge und digitale Massen vermischen, beeinträchtigt das Rauschen der digitalen Masse die analogen Signale.
Generell sollten analoge und digitale Masseleitungen voneinander getrennt werden. Verbinden Sie sie anschließend über eine dünne Leiterbahn oder an einem einzigen Punkt. Der Hauptzweck besteht darin, zu verhindern, dass Störsignale aus dem digitalen Bereich in den analogen Bereich gelangen.
5 — Sternboden
Die Theorie hinter der Stern-Erdung besagt, dass es einen Punkt im Stromkreis gibt, der als Bezugspunkt für alle Spannungen dient. Dies ist der Sternpunkt. Man kann sich das so vorstellen: Viele Leitungen verlaufen von einem gemeinsamen Punkt aus strahlenförmig wie die Zacken eines Sterns. Der Sternpunkt sieht auf der Platine möglicherweise nicht wie ein Stern aus. Es kann sich um einen Punkt auf der Masseebene handeln. Ein wesentliches Merkmal eines Sternpunkt-Erdungssystems ist, dass alle Spannungen relativ zu demselben Punkt im Erdungsnetz gemessen werden und nicht zu einer unbestimmten “Erdungs”-Referenz.
6 – So erdet man Abschirmungen
Die Abschirmung eines abgeschirmten Kabels und der Kabel-Ableitleiter sollten an die Schnittstellenmasse der Leiterplatte angeschlossen werden, nicht an die Signalmasse. Der Grund dafür ist, dass die Signalmasse häufig zahlreiche Störspannungen führt. Wenn die Abschirmung an die störbehaftete Signalmasse angeschlossen wird, erzeugt die Störspannung einen Gleichtaktstrom auf der Abschirmung und verursacht externe Störungen. Ein schlechtes Kabel-Design und eine schlechte Abschirmungserdung sind oft die Hauptursache für EMI.
Zusammenfassung
Wählen Sie in der Praxis die Erdungsmethode, die zur Betriebsumgebung passt. Eine gute Wahl kann Störungen vermeiden und für eine optimale Schaltungsleistung sorgen.
- Halten Sie die Rückführschleifen kurz, um die Strahlung zu verringern.
- Verlegen Sie Hochgeschwindigkeits-Leiterbahnen neben durchgehenden Masseflächen, um eine stabile Impedanz zu gewährleisten.
- Vermeiden Sie nach Möglichkeit, die Trennlinien der Stromversorgungsebenen zu überqueren.
- Bei Niederfrequenzsystemen (< 1 MHz) reicht oft eine Einpunkt-Erdung aus.
- Bei Hochfrequenzsystemen (> 10 MHz) sollten Sie eine Mehrpunkt-Erdung und kurze Erdungspfade mit großer Rückleitungsfläche verwenden.
- Bei gemischten Systemen sollte ein hybrider Ansatz mit Kondensatoren, Induktivitäten, Widerständen, Ferritperlen oder kleinen Leiterbahnen zur Steuerung der Kopplung verwendet werden.
- Trennen Sie die analogen und digitalen Masseleitungen voneinander und verbinden Sie sie sorgfältig.
- Verbinden Sie die Abschirmungen der Kabel mit der Stecker- oder Gehäusemasse, nicht mit der gestörten Signalmasse.
Diese Maßnahmen tragen dazu bei, die Erdungsimpedanz zu senken und Erdungsrauschen zu reduzieren, wodurch das System stabiler und zuverlässiger wird.
