PCB-Neuigkeiten - Was ist Chassis Masse und PCB Erdung Design

Was ist Erdung? Obwohl diese Frage einfach erscheinen mag, gibt es tatsächlich echte Unterschiede zwischen den verschiedenen Erdungsarten. Elektrische Erdung bezieht sich auf einen Leiter, der als gemeinsamer Rückweg für Strom von verschiedenen elektrischen Geräten fungiert, oft als 0-Potenzialpunkt bezeichnet, der Bezugspunkt für alle anderen Spannungen im System.

Gehäusemasse bezieht sich auf den Leiter, der mit dem Metallgehäuse der Ausrüstung verbunden ist, der normalerweise an einem oder mehreren Punkten mit der Signalmasse verbunden ist. Die Bestimmung, wo und wie die Signalmasse mit dem Chassis verbunden ist, ist entscheidend, um Rauschen und Störungen zu minimieren. Das richtige Erdungsdesign reduziert die ausgestrahlten Emissionen eines Produkts und erhöht seine Widerstandsfähigkeit gegen externe elektromagnetische Felder.

Im Falle einer Leiterplatte beispielsweise, wenn ein Ein-/Ausgangskabel (I/O) in einem Metallgehäuse montiert ist, weil die Schaltungserde Strom trägt und eine bestimmte Impedanz hat, erzeugt es einen Spannungsabfall, VG. Diese Spannung treibt Gleichtaktströme auf dem Kabel an, was wiederum Strahlung aus dem Kabel auslöst. Wenn die Strommasse am Ende der Leiterplatte gegenüber dem Kabel mit dem Chassis verbunden ist, treibt die gesamte Spannung VG den Stromfluss zum Kabel an. Wenn die Schaltungserde jedoch am I/O-Stecker mit dem Chassis verbunden ist, ist die Spannung, die den Gleichtaktstromfluss zum Kabel antreibt, idealerweise Null. An diesem Punkt ist die gesamte Erdungsspannung am Ende der Leiterplatte vorhanden, wo es keine Kabelverbindung gibt. Daher ist es entscheidend, eine niederohmige Verbindung zwischen dem Chassis und der Schaltungserde im I/O-Bereich der Leiterplatte herzustellen.

Eine weitere Erklärung ist, dass die Erdspannung einen Gleichtaktrauschstrom erzeugt, der zum I/O-Stecker fließt. Am Stecker erfolgt ein Shunt zwischen dem Kabel und dem Punkt, an dem Leiterplattenmasse auf das Chassis trifft. Je niedriger der Wert der Impedanz von der Leiterplattenmasse zum Chassis ist, desto geringer ist der Gleichtaktstrom auf dem Kabel. Der Schlüssel zum Erreichen dieses Ansatzes besteht darin, in der Lage zu sein, eine niedrige Impedanz in der Leiterplatte zu Chassis-Verbindung (insbesondere im Frequenzbereich von Interesse) zu erhalten. Dies ist jedoch meist nicht einfach zu erreichen, insbesondere bei Frequenzen im Bereich von mehreren Kilohertz oder breiter. Bei hohen Frequenzen bedeutet dies, dass eine niedrige Induktivität erforderlich ist, die in der Regel durch Mehrpunktverbindungen erreicht werden muss.

Der Aufbau einer niederohmigen Verbindung zwischen Schaltungserde und Chassis im I/O-Bereich trägt auch zur Verbesserung der HF-Immunität bei. Alle hochfrequenten Rauschströme, die in das Kabel induziert werden, werden zum Chassis geleitet, anstatt durch die Leiterplattenerde zu fließen.

Der Masseanschluss des Chassis bietet drei wichtige Dienstprogramme:

Da das Chassis auf ein globales 0V-Referenzpotential eingestellt wurde, fungiert es nun als Faraday-Käfig und bietet eine umfangreiche elektromagnetische Abschirmung.

Es verfügt über eine Sicherheitsfunktion, die parasitäre Ströme, einschließlich elektrostatischer Entladungen, Kurzschlüsse oder Geräusche, effektiv zurück zur Erde leitet.

Am Eingang des EMI-Filters bietet er einen niederohmigen Empfangspfad für Gleichtaktrauschen, wodurch zusätzliche Ferrite oder große Drosseln auf der Platine überflüssig sind.

Über PCB Erdung Design:

01.Grundriss

Alle Komponenten, die geerdet werden müssen, werden durch eine gemeinsame Leitung miteinander verbunden, was in älteren oder einfacheren Leiterplattendesigns häufiger vorkommt.

02.Gemeinsame Bodenschicht

Die gängigste Praxis beim PCB-Design ist es, eine gemeinsame Erdungsschicht einzurichten, bei der jeder Raum auf der Leiterplatte, der nicht von einer Ausrichtung oder Komponente belegt ist, von der Erdungsschicht abgedeckt wird. Die gemeinsame Masseebene verbessert nicht nur die thermische Leistung der Leiterplatte signifikant, sondern hilft auch, elektromagnetische Störungen (EMI) zu reduzieren.

03.Dedicated Ground Layer Design

Bei mehrschichtigen Leiterplatten wird eine dedizierte Erdungsschicht aufgebaut, und Komponenten werden mit der Erdungsschicht durch Erdungsdurchführungen verbunden. Dieses Design ist häufiger in mehr Schichten und komplexer Struktur der Leiterplatte.

04.Konfiguration der Erdung des Stromsystems

Bei der Installation eines Stromsystems werden alle Erdungsanschlüsse auf einem Erdungsbus zusammengefasst. Dieser Bus wird dann mit dem Erdungsleiter und schließlich mit der Erdungsstange oder dem Erdungsnetz verbunden.

Die Erdungsbuchstange bündelt die Erdungsleiter aller Geräte auf einen gemeinsamen Punkt. Um eine bessere Erdung zu gewährleisten, sollte der Erdungswiderstand an dieser Stelle kleiner als 5-Ohms sein, und ein hoher Draht sollte verwendet werden, um den Erdungsbus mit den Erdungsgeräten (Erdungsstäben und Erdungsnetzen) zu verbinden.

05.Equipotentiale Erdung oder gleichmäßige Erdung

Equipotential Erdung bedeutet, dass jedes leitende Element innerhalb des geschützten Bereichs das gleiche Erdungspotential haben sollte, das durch elektrische Verbindung des Gerätechassis, der Metallrohrleitungen und aller Erdungseinrichtungen erreicht wird.

Equipotential stellt sicher, dass es keinen signifikanten Potentialunterschied zwischen leitfähigen Komponenten innerhalb des Bereichs gibt und verhindert so einen Stromschlag im Fehlerfall.

Erdung spielt eine wichtige Rolle in elektrischen Systemen und Geräten, da sie nicht nur einen sicheren Rückweg für Geräte bietet, sondern auch elektromagnetische Störungen reduziert und die Systemstabilität verbessert. Das richtige Erdungsdesign kann effektiv Gleichtaktgeräusche und Strahlung reduzieren und so die Interferenzfähigkeit und Zuverlässigkeit der Ausrüstung verbessern. Wir diskutieren Chassis-Erdung und ihre Anwendung im PCB-Design und heben die Bedeutung niederohmiger Verbindungen und verschiedene Erdungsdesignstrategien wie gemeinsame Erdungsschichten und dedizierte Erdungsschichten hervor.