Massebahnen und Masseflächen haben eine Impedanz. Wenn Strom durch einen Erdungspfad fließt, tritt auf diesem Pfad eine Spannung auf. Diese Spannung ist Rauschen. Die Rauschspannung ist eine der Störquellen, die die Systemstabilität beeinträchtigen können. Um das Erdungsrauschen zu verringern, müssen wir daher zunächst die Erdungsimpedanz verringern.
Wie jeder weiß, ist die Erde der Rückweg für den Strom. Für jedes Signal muss das Signal einen Weg zurück zur Erde finden, der die niedrigste Impedanz hat. Es ist also sehr wichtig, wie wir mit diesem Rückweg umgehen.
1 - Warum Größe und Form des Rückkanals wichtig sind
Erstens wissen wir aus der Formel für Strahlung, dass die Strahlungsstärke proportional zur Schleifenfläche ist. Das heißt, je länger der Rückweg und je größer die Schleife ist, desto stärker strahlt sie ab und stört andere Schaltungen. Wenn Sie also eine Leiterplatte entwerfen, sollten Sie versuchen, die Leistungs- und Signalrückschleifen so klein wie möglich zu halten.
Zweitens trägt bei einem Hochgeschwindigkeitssignal ein guter Rückweg zur Erhaltung der Signalqualität bei. Der Grund dafür ist, dass der Wellenwiderstand einer Übertragungsleitung auf der Leiterplatte in der Regel in Bezug auf eine Massefläche (oder eine Stromversorgungsebene) berechnet wird. Befindet sich in der Nähe der Hochgeschwindigkeitsleitung eine durchgehende Massefläche, bleibt die Impedanz der Leitung konstant. Wenn ein Abschnitt der Leiterbahn keinen Massebezug in der Nähe hat, ändert sich die Impedanz. Diese Impedanzdiskontinuität beeinträchtigt die Signalintegrität. Verlegen Sie daher Hochgeschwindigkeitsbahnen auf Lagen, die sich in der Nähe einer Masseebene befinden, wenn Sie routen. Oder verlegen Sie eine oder zwei Erdungsbahnen parallel zu der Hochgeschwindigkeitsbahn. Diese Massebahnen wirken wie eine Abschirmung und bieten einen nahen Rückweg.
Drittens sollten Sie nach Möglichkeit vermeiden, Signale über geteilte Stromversorgungsebenen zu leiten. Denn wenn ein Signal verschiedene Stromversorgungs- oder Erdungssplits kreuzt, wird sein Rückweg lang und kann Störungen aufnehmen. Bei Signalen mit geringer Geschwindigkeit ist das Kreuzen von Splits jedoch nicht streng verboten, da die dadurch verursachten Störungen gering sein können. Für Hochgeschwindigkeit Signale müssen Sie vorsichtig sein und Kreuzungen vermeiden, wenn Sie können. Sie können auch versuchen, die Streckenführung der Leistungsebenen zu ändern, um zu helfen.
Viele Probleme mit elektromagnetischen Störungen sind auf die Erdung zurückzuführen. Das Erdungspotential ist die Referenz für den gesamten Stromkreis. Wenn die Masse nicht stabil ist, kann die Schaltung versagen. Das Ziel des Erdungsdesigns ist es, das Erdungspotential so stabil wie möglich zu halten und so Störungen zu vermeiden.
Bei den Erdungsmethoden für Signale unterscheidet man in der Regel vier Arten: erdfrei, Ein-Punkt-Erde, Mehr-Punkt-Erde und gemischte Erde.
2 - Erdungsarten
A. Schwebender Boden
Zweck: Halten Sie den Stromkreis oder das Gerät isoliert von gemeinsamen Leitern, die Erdschleifen verursachen können. Eine potenzialfreie Erdung erleichtert auch die Kopplung von Stromkreisen mit unterschiedlichen Potenzialen.
Nachteil: Es kann sich leicht statisch aufladen und starke elektrostatische Entladungen (ESD) verursachen.
Ein Kompromiss: Fügen Sie Entladewiderstände hinzu, um die Ladung abzuleiten.
B. Ein-Punkt-Erde
Ein-Punkt-Erdung bedeutet, dass die Erdung jedes Stromkreises mit der gemeinsamen Erdung am gleichen Punkt verbunden ist. Dies kann in eine Reihenerdung und eine parallele Erdung unterteilt werden. Verwenden Sie keine Ein-Punkt-Erdung in Systemen, in denen Stromkreise mit hoher Leistung und Stromkreise mit geringer Leistung gemischt sind. Die Erdungsströme des Hochleistungsteils wirken sich auf die Teile mit geringer Leistung aus. Außerdem sollte der empfindlichste Schaltkreis am gemeinsamen Punkt platziert werden, da dieser Punkt das stabilste Potenzial aufweist.
Der größte Vorteil der Ein-Punkt-Erdung ist, dass es keine Erdschleifen gibt, so dass die Konstruktion relativ einfach ist. Allerdings können die Erdungsleitungen lang sein und die Erdungsimpedanz kann hoch sein.
Die Ein-Punkt-Erdung kann auf zwei Arten erfolgen:
- Serie Ein-Punkt-Erde - Das ist ganz einfach. Da aber ein gemeinsamer Erdungsleiter vorhanden ist, besteht eine gemeinsame Erdungsimpedanz. Wenn die in Reihe geschalteten Stromkreise sehr unterschiedliche Leistungspegel haben, werden sie sich gegenseitig stark stören.
- Parallele Ein-Punkt-Erde - Jeder Stromkreis führt ein eigenes Erdungskabel zurück zum gemeinsamen Punkt. Dadurch wird eine Kopplung auf der gemeinsamen Masse vermieden. Allerdings sind dafür viele Erdungsleitungen erforderlich, was in vielen Fällen nicht praktikabel ist.
In realen Entwürfen können Sie einen gemischten Ein-Punkt-Ansatz verwenden, der sowohl seriell als auch parallel arbeitet. Legen Sie Schaltungen, die sich nicht gegenseitig stören, auf dieselbe Ebene. Legen Sie Schaltungen, die sich leicht stören, auf verschiedene Ebenen. Verbinden Sie dann die Masseschichten parallel am gemeinsamen Punkt. (Im Originaltext wurde hier auf eine Abbildung verwiesen.)
Verwendung: Die Ein-Punkt-Erdung ist für niedrige Betriebsfrequenzen (< 1 MHz) geeignet.
Nachteil: Nicht geeignet für Hochfrequenzsituationen.
Eine Ein-Punkt-Erdung ist für Hochfrequenzschaltungen nicht geeignet, da die Erdungsleitungen lang sind und die Impedanz dieser Leitungen unvermeidbar wird. Bei hohen Frequenzen sollte eine Mehrpunkt-Erdung in Betracht gezogen werden.
C. Mehrpunkt-Erde
Verwenden Sie bei hohen Betriebsfrequenzen (> 30 MHz) eine Mehrpunkt-Erdung. Bei einem Mehrpunktschema ersetzen Sie einzelne Erdungsrückleitungen durch eine Erdungsebene, die jeder Teil der Schaltung nutzen kann. Der induktive Blindwiderstand einer Erdungsleitung nimmt mit der Frequenz und der Leitungslänge zu. Bei hohen Frequenzen nimmt die gemeinsame Masseimpedanz zu. Daher müssen Sie die Länge der Masseleitung so kurz wie möglich halten.
Wenn Sie eine Mehrpunkt-Erdung verwenden, versuchen Sie, die nächstgelegene Erdungsfläche mit niedriger Impedanz zu finden, an die Sie sich anschließen können. Hochfrequenz-Digitalschaltungen müssen parallel geerdet werden. Eine einfache Möglichkeit hierfür ist die Verwendung von Erdungslöchern. Wenn Schaltungen mit hoher Frequenz laufen, stellen Sie sich vor, dass sich ein Hochfrequenzsignal entlang einer Massebahn bewegt und benachbarte Schaltungen beeinträchtigt. Das kann sehr schädlich sein. Deshalb müssen alle Schaltungen in der Nähe auf Masse zurückgeführt werden. Die Massebahnen müssen kurz sein. Aus diesem Grund gibt es die Mehrpunkt-Erdung.
Das Ziel der Mehrpunkt-Erdung ist es, die Erdungsimpedanz zu senken. Um die Impedanz in einem Hochfrequenzkreis zu senken, müssen zwei Dinge beachtet werden: der Erdungswiderstand und die Erdungsinduktivität müssen gesenkt werden.
Methoden:
- Geringerer Leitungswiderstand. Aus der Beziehung 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 in der Nähe der Oberfläche des Leiters fließt, so dass eine einfache Vergrößerung des Querschnitts nur eine begrenzte Wirkung hat. Sie können in Betracht ziehen, den Leiter mit Silber zu beschichten, da Silber eine bessere Leitfähigkeit als viele andere Metalle hat und den Leiterwiderstand verringern kann.
- Geringere Induktivität. Der beste Weg ist, die Massefläche zu vergrößern. In der Praxis führen kurze Masseleitungen und eine große Massefläche zu einer besseren Entstörleistung.
An dieser Stelle mag sich mancher fragen, was als Hochfrequenzschaltung gilt. Laut dem Buch von Professor Yang Jishen Technologie zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMC), In der Regel sind Schaltungen unter 1 MHz niederfrequent und können mit einem Punkt geerdet werden. Bei Schaltungen über 10 MHz handelt es sich um Hochfrequenzschaltungen, für die eine Mehrpunkterdung verwendet werden sollte. Wenn die längste Erdungsleitung weniger als 1/20 der Wellenlänge bei 1 MHz oder 10 MHz beträgt, kann eine Ein-Punkt-Erdung noch funktionieren. Andernfalls ist eine Mehrpunkt-Erdung zu verwenden.
D. Gemischter Boden
Wenn der Schaltkreis sowohl Hoch- als auch Niederfrequenzsignale enthält, ist eine gemischte Erdung eine gute Wahl. (Im Originaltext wurde hier auf eine andere Abbildung verwiesen.)
Betrachten Sie die Abbildung und die beiden dargestellten Strukturen. Für die erste Struktur nehmen wir an, dass sie hauptsächlich in einer niederfrequenten Umgebung arbeitet. Aus der Formel für den kapazitiven Blindwiderstand Zc=12πfCZ_c = \frac{1}{2\pi f C}Zc=2πfC1 wissen wir, dass der kapazitive Blindwiderstand bei niedriger Frequenz groß ist, während er bei hoher Frequenz klein ist. Bei dieser Verdrahtung ist die Masseverbindung also bei niedrigen Frequenzen offen und bei hohen Frequenzen fast geschlossen. Mit dieser Verdrahtung können Störungen durch Erdschleifen vermieden werden.
Bei der zweiten Struktur wird angenommen, dass sie hauptsächlich in einer Hochfrequenzumgebung arbeitet. Aus der Formel für den induktiven Blindwiderstand ZL=2πfLZ_L = 2\pi f LZL=2πfL wissen wir, dass der induktive Blindwiderstand bei niedrigen Frequenzen klein und bei hohen Frequenzen groß ist. Bei dieser Verdrahtung verhält sich die Erdungsverbindung also bei niedrigen Frequenzen wie ein Leiter und ist bei hohen Frequenzen offen. Durch diese Verdrahtung können Erdschleifenströme vermieden werden.
3 - Möglichkeiten der Verbindung verschiedener Böden
Wenn Sie sich nicht für eine ganze Ebene als gemeinsame Masse entscheiden und ein Modul zwei Masseverbindungen hat, müssen Sie die Massefläche aufteilen. Dies steht oft in Wechselwirkung mit der Stromversorgungsebene. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Masse zu verbinden:
- Gewöhnliche Spur zwischen den Böden. Dies ermöglicht eine zuverlässige, niederohmige Verbindung für mittlere und tiefe Frequenzen.
- Hochohmiger Widerstand zwischen den Massen. Ein großer Widerstand lässt einen winzigen Leckstrom zu, wenn an ihm eine Spannung anliegt. Dadurch wird die Ladung langsam abgeleitet, bis die Potenzialdifferenz Null wird. Verwenden Sie dies, um schwebende Masse sanft zu binden.
- Kondensator zwischen den Massen. Ein Kondensator blockiert Gleichstrom, lässt aber Wechselstrom durch. Er wird in erdfreien Systemen verwendet, um hochfrequentes Rauschen durchzulassen und gleichzeitig Gleichstrom zu blockieren.
- Ferritperle (Magnetperle) zwischen den Erdungen. Eine Ferritperle wirkt wie ein frequenzabhängiger Widerstand. Bei hohen Frequenzen wirkt sie widerstandsfähig. Verwenden Sie sie für schwache Signalmassen mit kleinen schnellen Stromspitzen.
- Induktivität zwischen den Massen. Ein Induktor widersteht schnellen Veränderungen. Sie kann Spitzen glätten und Täler auffüllen. Verwenden Sie sie zwischen Erdungen, die große Stromschwankungen aufweisen.
- Kleiner Widerstand zwischen den Massen. Ein kleiner Widerstand sorgt für eine Dämpfung, um schnelle Änderungen des Erdstroms zu verlangsamen. Wenn sich der Strom schnell ändert, macht dieser Widerstand die Anstiegsflanke weniger steil.
Mit all diesen Möglichkeiten lässt sich steuern, wie der Lärm zwischen den Böden übertragen wird.
4 - Analoge Masse und digitale Masse
Analoge und digitale Signale benötigen beide eine Rückleitung zur Erde. Digitale Signale ändern sich schnell. Sie verursachen eine Menge Rauschen auf der digitalen Masse. Analoge Signale benötigen einen sauberen Massebezug, um gut zu funktionieren. Wenn sich analoge und digitale Masse mischen, wird das Rauschen der digitalen Masse die analogen Signale beeinflussen.
Trennen Sie in der Regel analoge und digitale Masse. Verbinden Sie sie dann mit einer dünnen Leiterbahn oder an einem einzigen Punkt. Damit soll verhindert werden, dass digitales Grundrauschen in die analoge Masse gelangt.
5 - Sternboden
Die Theorie hinter der Sternerdung besagt, dass es einen Punkt im Stromkreis gibt, der als Referenz für alle Spannungen dient. Dies ist der Sternpunkt. Sie können sich das so vorstellen: Viele Drähte verlaufen von einem gemeinsamen Punkt aus in einem radialen Muster wie die Strahlen eines Sterns. Der Sternpunkt muss nicht unbedingt wie ein Stern auf der Platine aussehen. Er kann auch ein Punkt auf der Grundplatte sein. Ein wesentliches Merkmal eines sternförmigen Erdungssystems ist, dass alle Spannungen relativ zu demselben Punkt des Erdungsnetzes und nicht zu einer unsicheren “Erdungs”-Referenz gemessen werden.
6 - Erden von Abschirmungen
Die Abschirmung eines abgeschirmten Kabels und der Kabelabflussdraht sollten mit der Masse der Leiterplattenschnittstelle und nicht mit der Signalmasse verbunden werden. Der Grund dafür ist, dass die Signalmasse oft viele Störspannungen führt. Wenn die Abschirmung mit der verrauschten Signalmasse verbunden ist, treibt die Rauschspannung einen Gleichtaktstrom auf die Abschirmung und verursacht externe Störungen. Ein schlechtes Kabeldesign und eine schlechte Erdung der Abschirmung sind oft die größte Quelle für EMI.
Zusammenfassung
In der Praxis ist die Erdungsmethode zu wählen, die für die Betriebsumgebung geeignet ist. Eine gute Wahl kann Störungen vermeiden und die beste Schaltungsleistung erzielen.
- Halten Sie die Rücklaufschleifen klein, um die Strahlung zu reduzieren.
- Halten Sie Hochgeschwindigkeitsbahnen in der Nähe von durchgehenden Masseflächen, um eine stabile Impedanz zu gewährleisten.
- Vermeiden Sie nach Möglichkeit die Überquerung von Splits auf der Leistungsebene.
- Bei Niederfrequenzsystemen (< 1 MHz) ist eine Ein-Punkt-Erdung oft ausreichend.
- Verwenden Sie bei Hochfrequenzsystemen (> 10 MHz) Mehrpunkt-Erdungen und kurze Erdungswege mit viel Rücklauffläche.
- Bei gemischten Systemen sollten Sie einen hybriden Ansatz mit Kondensatoren, Induktivitäten, Widerständen, Ferritperlen oder kleinen Leiterbahnen verwenden, um die Kopplung zu kontrollieren.
- Trennen Sie analoge und digitale Masse und verbinden Sie sie sorgfältig.
- Verbinden Sie die Kabelabschirmungen mit der Stecker- oder Gehäusemasse, nicht mit der verrauschten Signalmasse.
Diese Schritte tragen dazu bei, die Erdungsimpedanz zu senken und das Erdungsrauschen zu reduzieren, so dass das System stabiler und zuverlässiger wird.
