Maajohtimilla ja maatasoilla on impedanssi. Kun virta kulkee maadoituspolun läpi, polulle syntyy jännite. Tämä jännite on kohinaa. Kohinajännite on yksi häiriölähteistä, jotka voivat vahingoittaa järjestelmän vakautta. Maakohinan pienentämiseksi on siis ensin pienennettävä maadoitusimpedanssia.
Kuten kaikki tietävät, maa on virran paluureitti. Minkä tahansa signaalin osalta signaalin on löydettävä maadoitusreitti, jolla on pienin impedanssi. On siis erittäin tärkeää, miten käsittelemme tätä paluureittiä.
1 - Miksi paluupolun koolla ja muodolla on merkitystä
Ensinnäkin säteilyn kaavasta tiedämme, että säteilyn voimakkuus on verrannollinen silmukan pinta-alaan. Tämä tarkoittaa, että mitä pidempi paluupolku ja mitä suurempi silmukka on, sitä enemmän se säteilee ja häiritsee muita piirejä. Kun piirilevyä suunnitellaan, on siis pyrittävä tekemään tehon ja signaalin paluusilmukoista mahdollisimman pienet.
Toiseksi, kun kyseessä on nopea signaali, hyvän paluureitin tarjoaminen auttaa säilyttämään signaalin laadun. Tämä johtuu siitä, että piirilevyn siirtojohdon ominaisimpedanssi lasketaan yleensä suhteessa maatasoon (tai tehotasoon). Jos nopean johtimen lähellä on jatkuva maataso, johtimen impedanssi pysyy vakiona. Jos johtimen osalla ei ole lähellä maadoitusvertailua, impedanssi muuttuu. Tämä impedanssin epäjatkuvuus haittaa signaalin eheyttä. Sen vuoksi reititettäessä nopeat jäljet on sijoitettava kerroksiin, jotka ovat lähellä maatasoa. Tai kuljeta yksi tai kaksi maajohtoa rinnakkain nopean johtimen vieressä. Nämä maajäljet toimivat kuin suojaus ja tarjoavat läheisen paluupolun.
Kolmanneksi, vältä signaalien reitittämistä jaettujen tehotasojen yli aina kun mahdollista. Tämä johtuu siitä, että kun signaali ylittää eri teho- tai maajakoja, sen paluupolusta tulee pitkä ja se voi vastaanottaa häiriöitä. Tästä huolimatta jakotasojen ylittäminen ei ole ehdottoman kiellettyä matalan nopeuden signaaleille, koska niiden aiheuttamat häiriöt voivat olla pieniä. Osoitteessa nopea merkkejä, sinun on oltava varovainen ja vältettävä halkiotien ylittämistä aina kun voit. Voit myös yrittää muuttaa voimakoneiden reititystä auttaaksesi.
Monet sähkömagneettiset häiriöongelmat johtuvat maadoituksesta. Maadoituspotentiaali on koko virtapiirin referenssi. Jos maa ei ole vakaa, piiri voi epäonnistua. Maadoitussuunnittelun tavoitteena on pitää maadoituspotentiaali mahdollisimman vakaana ja siten poistaa häiriöt.
Signaalien maadoitusmenetelmät jakautuvat yleensä neljään tyyppiin: kelluva maadoitus, yksipistemaadoitus, monipistemaadoitus ja sekamaadoitus.
2 - Maadoitustyypit
A. Kelluva maa
Tarkoitus: Pidä piiri tai laite eristettynä yhteisistä johtimista, jotka voivat aiheuttaa maasilmukoita. Kelluva maadoitus helpottaa myös sellaisten piirien yhdistämistä, joiden potentiaalit eroavat toisistaan.
Haittapuoli: Se voi helposti kerätä staattisen varauksen ja aiheuttaa voimakkaan sähköstaattisen purkauksen (ESD).
Kompromissi: Lisää purkausvastukset varauksen poistamiseksi.
B. Yhden pisteen maadoitus
Yhden pisteen maadoitus tarkoittaa, että jokaisen virtapiirin maadoitus liittyy yhteiseen maahan samassa pisteessä. Tämä voidaan jakaa sarjan yksipistemaadoitukseen ja rinnakkaiseen yksipistemaadoitukseen. Älä käytä yksipistemaadoitusta järjestelmissä, joissa suuritehoiset ja pienitehoiset piirit sekoittuvat. Suuritehoisen osan maasulkuvirrat vaikuttavat pienitehoisiin osiin. Lisäksi herkin piiri olisi sijoitettava yhteiseen pisteeseen, koska siinä pisteessä on vakain potentiaali.
Yhden pisteen maadoituksen suurin etu on se, että maasilmukoita ei ole, joten suunnittelu on suhteellisen yksinkertaista. Maadoitusjohdot voivat kuitenkin olla pitkiä ja maadoitusimpedanssi voi olla suuri.
Yhden pisteen maadoitus voidaan tehdä kahdella tavalla:
- Sarjan yksipistemaadoitus - Tämä on yksinkertaista. Mutta koska on olemassa yhteinen maadoitusjohdin, on olemassa yhteinen maadoitusimpedanssi. Jos sarjassa olevilla piireillä on hyvin erilaiset tehotasot, ne häiritsevät voimakkaasti toisiaan.
- Rinnakkainen yksipistemaadoitus - Jokainen piiri johtaa maadoitusjohdon takaisin yhteiseen pisteeseen erikseen. Näin vältetään kytkeytyminen yhteiseen maahan. Se vaatii kuitenkin useita maadoitusjohtoja, eikä se ole monissa tapauksissa käytännöllistä.
Todellisissa malleissa voit käyttää sekoitettua yhden pisteen lähestymistapaa, jossa käytetään sekä sarja- että rinnakkaiskytkentää. Laita piirit, jotka eivät häiritse toisiaan, samalle kerrokselle. Laita piirit, jotka häiritsevät toisiaan helposti, eri kerroksiin. Liitä sitten maadoitetut kerrokset rinnakkain yhteiseen pisteeseen. (Alkuperäisessä tekstissä viitattiin kuvaan tässä.)
Käytä: Yksipistemaadoitus soveltuu matalille käyttötaajuuksille (< 1 MHz).
Haittapuoli: Ei hyvä korkeataajuustilanteissa.
Yksipistemaadoitus ei sovellu korkeataajuuspiireihin, koska maadoitusjohdot ovat pitkiä ja johtojen impedanssi on väistämätön. Suurtaajuuspiireissä on harkittava monipistemaadoitusta.
C. Monipistemaadoitus
Käytä monipistemaadoitusta korkeilla käyttötaajuuksilla (> 30 MHz). Monipistejärjestelmässä yksittäiset maadoitussilmukat korvataan yhdellä maatasolla, jota jokainen piirin osa voi käyttää. Maadoitusjohdon induktiivinen reaktanssi kasvaa taajuuden ja johdon pituuden myötä. Korkeilla taajuuksilla yhteinen maadoitusimpedanssi kasvaa. Siksi maadoitusjohdon pituus on pidettävä mahdollisimman lyhyenä.
Kun käytät monipistemaadoitusta, yritä löytää lähin matalaimpedanssinen maadoituspinta, johon kytkeytyä. Korkeataajuiset digitaalipiirit tarvitsevat rinnakkaismaadoituksen. Yksinkertainen tapa tehdä tämä on käyttää maadoitusläpivientejä. Kun piirejä käytetään korkeilla taajuuksilla, kuvittele, että korkeataajuinen signaali liikkuu maajohtoa pitkin ja vaikuttaa läheisiin piireihin. Tämä voi olla erittäin huono asia. Kaikkien piirien on siis palattava maadoitukseen lähellä. Maajohtojen on oltava lyhyitä. Siksi on olemassa monipistemaadoitus.
Monipistemaadoituksen tavoitteena on alentaa maadoitusimpedanssia. Jos haluat alentaa impedanssia suurtaajuuspiirissä, ota huomioon kaksi asiaa: alenna maadoitusresistanssia ja alenna maadoitusinduktanssia.
Menetelmät:
- Pienempi johtimen vastus. Resistanssin ja poikkipinta-alan välisestä suhteesta tiedetään, että johtimen pinta-alan kasvattaminen pienentää tasavirtavastusta. Mutta korkeilla taajuuksilla skini-ilmiö aiheuttaa virran kulkemisen lähellä johtimien pintaa, joten pelkkä poikkipinnan kasvattaminen vaikuttaa vain rajoitetusti. Voit harkita johtimen pinnoittamista hopealla, koska hopea johtaa paremmin kuin monet muut metallit ja voi vähentää johtimen vastusta.
- Pienempi induktanssi. Paras keino on lisätä maapinta-alaa. Käytännössä lyhyet maadoitusjohdot ja suuri maapinta-ala parantavat häiriönsietokykyä.
Tässä vaiheessa jotkut saattavat kysyä, mitä pidetään suurtaajuuspiirinä. Professori Yang Jishenin kirjan mukaan - Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Tekniikka, yleensä alle 1 MHz:n piirit ovat matalataajuisia ja niissä voidaan käyttää yhden pisteen maadoitusta. Yli 10 MHz:n piirit ovat korkeataajuisia ja niissä on käytettävä monipistemaadoitusta. Jos pisin maadoitusjohto on alle 1/20 aallonpituudesta 1 MHz:n tai 10 MHz:n taajuudella, yksipistemaadoitus voi silti toimia. Muussa tapauksessa käytetään monipistemaadoitusta.
D. Sekapohja
Jos piirissä on sekä korkea- että matalataajuisia signaaleja, sekamaadoitus on hyvä valinta. (Alkuperäisessä tekstissä viitattiin toiseen kuvaan tässä.)
Katso kuviota ja kahta esitettyä rakennetta. Oletetaan, että ensimmäinen rakenne toimii enimmäkseen matalataajuisessa ympäristössä. Kapasitiivisen reaktanssin kaavasta Zc=12πfCZ_c = \frac{1}{2\pi f C}Zc=2πfC1 tiedämme, että matalilla taajuuksilla kapasitiivinen reaktanssi on suuri, kun taas korkeilla taajuuksilla se on pieni. Tässä kytkennässä maadoituslinkki on siis avoin matalalla taajuudella ja lähes suljettu korkealla taajuudella. Tällä johdotuksella voidaan välttää maasilmukan häiriöt.
Toisen rakenteen oletetaan toimivan lähinnä korkeataajuisessa ympäristössä. Induktiivisen reaktanssin kaavasta ZL=2πfLZ_L = 2\pi f LZL=2πfL tiedämme, että induktiivinen reaktanssi on pieni matalalla taajuudella ja suuri korkealla taajuudella. Tässä kytkennässä maadoituslinkki käyttäytyy siis matalalla taajuudella kuin johdin ja on avoin korkealla taajuudella. Tällä johdotuksella voidaan välttää maasilmukkavirtoja.
3 - Tapoja yhdistää eri maadoitukset
Jos et halua käyttää kokonaista tasoa yhteisenä maadoituksena ja moduulissa on kaksi maadoitusverkkoa, sinun on jaettava maataso. Tämä on usein vuorovaikutuksessa virtatason kanssa. Tavat, joilla maadoitukset voidaan liittää toisiinsa, ovat:
- Tavallinen jälki perustusten välillä. Näin saadaan luotettava matalaimpedanssinen liitäntä keski- ja matalataajuisille signaaleille.
- Korkea vastus maadoitusten välillä. Suuri vastus sallii pienen vuotovirran, jos sen yli syntyy jännite. Tämä johtaa hitaasti varausta, kunnes potentiaalierosta tulee nolla. Käytä tätä sitoaksesi kelluvia maadoituksia varovasti.
- Kondensaattori maadoitusten välillä. Kondensaattori estää tasavirran, mutta läpäisee vaihtovirran. Käytä tätä kelluvissa maadoitusjärjestelmissä korkeataajuisen kohinan läpäisemiseksi ja tasavirran estämiseksi.
- Ferriittihelmi (magneettihelmi) maadoitusten välissä. Ferriittihelmi toimii kuin taajuudesta riippuva vastus. Se näyttää resistiiviseltä korkeilla taajuuksilla. Käytä sitä heikkojen signaalien maadoittamiseen pienillä nopeilla virtapiikeillä.
- Induktori maadoitusten välillä. Induktori kestää nopeita muutoksia. Se voi tasoittaa huippuja ja täyttää laaksoja. Käytä sitä sellaisten maadoitusten välillä, joissa on suuria virranvaihteluita.
- Pieni vastus maadoitusten välillä. Pieni vastus lisää vaimennusta hidastaakseen nopeita maavirran muutoksia. Kun virta muuttuu nopeasti, tämä vastus tekee nousevasta reunasta vähemmän jyrkän.
Kaikilla näillä valinnoilla voidaan hallita melun siirtymistä äänialojen välillä.
4 - Analoginen maa ja digitaalinen maa
Sekä analogiset että digitaaliset signaalit tarvitsevat paluun maahan. Digitaaliset signaalit muuttuvat nopeasti. Ne aiheuttavat paljon kohinaa digitaalisessa maadoituksessa. Analogiset signaalit tarvitsevat puhtaan maadoitusviitteen toimiakseen hyvin. Jos analoginen ja digitaalinen maa sekoittuvat, digitaalisen maan kohina vaikuttaa analogisiin signaaleihin.
Yleisesti ottaen analoginen ja digitaalinen maadoitus on erotettava toisistaan. Yhdistä ne sitten ohuella johtimella tai yhdellä pisteellä. Pääajatuksena on estää digitaalisen maapiirin kohinan pääsy analogiseen maapiiriin.
5 - Tähtimaa
Tähtimaadoituksen teoria perustuu siihen, että piirissä on yksi piste, joka toimii kaikkien jännitteiden vertailukohtana. Tämä on tähtipiste. Voit kuvitella sen: monet johdot kulkevat yhdestä yhteisestä pisteestä säteittäisesti kuin tähden säteet. Tähtipiste ei välttämättä näytä tähdeltä piirilevyllä. Se voi olla piste maatasossa. Tähtimaadoitusjärjestelmän keskeinen ominaisuus on, että kaikki jännitteet mitataan suhteessa samaan pisteeseen maaverkossa, ei johonkin epävarmaan “maa”-vertailukohteeseen.
6 - Miten suojat maadoitetaan
Suojatun kaapelin suojaus ja kaapelin tyhjennysjohto on kytkettävä piirilevyn liitäntämaahan, ei signaalimaahan. Tämä johtuu siitä, että signaalimaassa on usein paljon kohinajännitteitä. Jos suojaus kytketään häiriöalttiiseen signaalimaahan, kohinajännite johtaa yhteisvirtaa suojaukseen ja aiheuttaa ulkoisia häiriöitä. Huono kaapelisuunnittelu ja huono suojamaadoitus ovat usein suurin EMI:n lähde.
Yhteenveto
Valitse käytännössä käyttöympäristöön sopiva maadoitusmenetelmä. Hyvällä valinnalla voidaan välttää häiriöt ja antaa paras piirin suorituskyky.
- Pidä paluusilmukat pieninä säteilyn vähentämiseksi.
- Pidä suurnopeusjohdot jatkuvien maatasojen vieressä vakaan impedanssin varmistamiseksi.
- Vältä mahdollisuuksien mukaan tehotasojen jakojen ylittämistä.
- Matalataajuisissa järjestelmissä (< 1 MHz) yksipistemaadoitus toimii usein.
- Käytä suurtaajuusjärjestelmissä (> 10 MHz) monipistemaadoitusta ja lyhyitä maadoituspolkuja, joissa on paljon paluualuetta.
- Käytä sekajärjestelmissä hybridimenetelmää, jossa käytetään kondensaattoreita, induktoreita, vastuksia, ferriittihelmiä tai pieniä jälkiä kytkennän hallitsemiseksi.
- Erottele analoginen ja digitaalinen maadoitus ja yhdistä ne huolellisesti.
- Sido kaapelin suojat liittimen maahan tai alustan maahan, ei meluisaan signaalimaahan.
Nämä vaiheet auttavat alentamaan maadoitusimpedanssia ja vähentämään maahäiriöitä, jolloin järjestelmästä tulee vakaampi ja luotettavampi.
