Leiterplatte Blog - Analyse- und Unterdrückungsmethode der Erdungsdraht-Interferenz in der Leiterplattenverdrahtung

1. Definition von Erdungskabel Was ist ein Erdungskabel auf Leiterplatte? Die Definition von Erdungskabel, die jeder in Lehrbüchern lernt, lautet: Der Erdungskabel ist ein Potenzialäquivalentkörper, der als Bezugspunkt des Schaltungspotenzials dient. Diese Definition entspricht nicht der tatsächlichen Situation. Das Potential auf dem eigentlichen Erdungskabel ist nicht konstant. Wenn Sie ein Messgerät verwenden, um das Potenzial zwischen den Punkten auf der Grundlinie zu messen, werden Sie feststellen, dass das Potenzial jedes Punktes auf der Grundlinie stark variieren kann. Es sind diese Potentialunterschiede, die den abnormalen Betrieb des Schaltkreises verursachen. Die Definition eines Schaltkreises als gleichpotentialkörper ist nur die Erwartung des Erdpotentials. HENRY gab eine realistischere Definition des Erdungskabels, er definierte den Erdungskabel als: den niederohmigen Pfad für das Signal zurück zur Quelle zu fließen. Der Stromfluss im Erdungskabel wird in dieser Definition hervorgehoben. Nach dieser Definition ist es leicht, die Ursache für den Potenzialunterschied im Erdungsdraht zu verstehen. Da die Impedanz des Erdungskabels nie Null ist, tritt ein Spannungsabfall auf, wenn ein Strom durch eine endliche Impedanz fließt. Daher sollten wir uns vorstellen, dass das Potenzial auf dem Erddraht wie Wellen im Meer ist, eine nach der anderen.

2.Die Impedanz des Erdungskabels Wenn es um die Potenzialdifferenz zwischen den Punkten auf dem Erdungskabel geht, die durch die Impedanz des Erdungskabels verursacht wird, finden viele Menschen es undenkbar: Wenn wir den Widerstand des Erdungskabels mit einem Ohmmeter messen, ist der Widerstand des Erdungskabels oft auf Milliohm-Niveau. Wie kann ein solcher großer Spannungsabfall auftreten, wenn der Strom durch einen solchen kleinen Widerstand fließt, wodurch die Schaltung abnormal funktioniert. Um dieses Problem zu verstehen, müssen wir zuerst die beiden verschiedenen Konzepte des Widerstands und der Impedanz des Drahtes unterscheiden. Widerstand bezieht sich auf den Widerstand des Drahtes zum Strom im DC-Zustand, und Impedanz bezieht sich auf den Widerstand des Drahtes zum Strom im AC-Zustand, der hauptsächlich durch die Induktivität des Drahtes verursacht wird. Jeder Draht hat Induktivität, und wenn die Frequenz hoch ist, ist die Impedanz des Drahtes viel größer als der DC-Widerstand. In praktischen Schaltungen sind die Signale, die elektromagnetische Störungen verursachen, oft Impulssignale, und die Impulssignale enthalten reiche Hochfrequenzkomponenten, so dass eine große Spannung auf dem Erdungskabel erzeugt wird. Bei digitalen Schaltungen ist die Betriebsfrequenz der Schaltung sehr hoch, so dass der Einfluss der Erdungsdraht-Impedanz auf die digitale Schaltung sehr beträchtlich ist. Wenn die Impedanz bei 10Hz ungefähr als Gleichstromwiderstand betrachtet wird, kann man sehen, dass, wenn die Frequenz 10MHz erreicht, für einen 1-Meter langen Draht seine Impedanz 1000 bis 100.000 Mal die des Gleichstromwiderstands beträgt. So für HF-Strom, wenn der Strom durch den Erdungskabel fließt, ist der Spannungsabfall groß. Aber in der elektromagnetischen Verträglichkeit sind die Menschen über die Wechselstromimpedanz besorgt. Um die AC-Impedanz zu reduzieren, ist ein effektiver Weg, mehrere Drähte parallel anzuschließen. Wenn zwei Drähte parallel verbunden sind, ist die Gesamtinduktivität L: L =L1, M und/2; Dabei ist L1 die Induktivität eines einzelnen Drahtes und M die gegenseitige Induktivität zwischen den beiden Drähten. Es kann aus der Formel gesehen werden, dass, wenn zwei Drähte weit voneinander entfernt sind, die gegenseitige Induktivität zwischen ihnen sehr klein ist, und die Gesamtinduktivität entspricht der Hälfte der Induktivität eines einzelnen Drahtes. Daher können wir die Erdungsimpedanz durch mehrere Erdungskabel reduzieren. Aber es sollte beachtet werden, dass der Abstand zwischen mehreren Drähten nicht zu nah sein kann.3. Massedraht-Interferenzmechanismus3.1 Massedraht-InterferenzmechanismusWegen der Massedraht-Impedanz, wenn Strom durch den Massedraht fließt, wird eine Spannung auf dem Massedraht erzeugt. Diese Spannung kann groß sein, wenn der Strom groß ist. Wenn beispielsweise ein Hochleistungs-Elektrogerät in der Nähe gestartet wird, fließt ein starker Strom durch den Erdungskabel. Dieser Strom erzeugt einen Strom im Verbindungskabel zwischen den beiden Geräten. Aufgrund der Unwucht der Schaltung ist der Strom auf jedem Draht unterschiedlich, so dass eine differenzielle Modenspannung erzeugt wird, die die Schaltung beeinflusst. Da diese Störung durch den Schleifenstrom erzeugt wird, der durch das Kabel und den Massedraht gebildet wird, wird sie zur Massedraht-Störung. Der Strom in der Masseschleife kann auch durch das externe elektromagnetische Feld induziert werden.3.2 Gemeinsame Impedanz-StörungWenn zwei Schaltungen einen Massedraht teilen, wird das Massepotenzial einer Schaltung durch den Betriebsstrom der anderen Schaltung aufgrund der Impedanz des Massedrahts moduliert. Signale in einem solchen Stromkreis werden in einen anderen Stromkreis gekoppelt, und diese Kopplung wird gemeinsame Impedanzkopplung genannt. In digitalen Schaltungen weist der Massekabel aufgrund der hohen Frequenz des Signals oft eine große Impedanz auf. Zu diesem Zeitpunkt, wenn es verschiedene Schaltungen gibt, die einen Abschnitt des Erdungsdrahts teilen, kann das Problem der gemeinsamen Impedanzkopplung auftreten. Unter der Annahme, dass sich der Ausgangspegel von Gate 1 von hoch nach niedrig ändert, wird die parasitäre Kapazität in der Schaltung (manchmal gibt es einen Filterkondensator am Eingang von Gate 2) durch Gate 1 zum Erdungskabel entladen. Aufgrund der Impedanz des Erdungskabels wird der Entladestrom eine Spitzenspannung auf der Erdungsleitung erzeugt. Wenn der Ausgang von Gate 3 zu diesem Zeitpunkt niedrig ist, wird die Spitzenspannung an die Ausgangsklemme von Gate 3 und die Eingangsklemme von Gate 4 übertragen. Wenn die Amplitude dieser Spitzenspannung das Rauschen der Schwelle Tor 4 überschreitet, verursacht sie Fehlfunktion der Tür 4.4. Gegenmaßnahmen zur Erdungskreislaufinterferenz4.1 Gegenmaßnahmen zur Erdungskreislauf4.1 Aus dem Mechanismus der Erdungskreislaufinterferenz kann bekannt sein, dass die Erdungskreislaufinterferenz reduziert werden kann, solange der Strom in der Erdungskreislaufe reduziert wird. Wenn der Strom in der Erdschleife vollständig eliminiert werden kann, kann das Problem der Erdschleifenstörung vollständig gelöst werden. Daher schlagen wir die folgenden Lösungen vor, um die Erdungsschleifeninterferenz zu lösen.1) Schweben der Ausrüstung an einem Ende Wenn die Schaltung an einem Ende schwimmend ist, wird die Erdungsschleife abgeschnitten, so dass der Erdungsschleifenstrom eliminiert werden kann. Aber es gibt zwei Probleme, die beachtet werden müssen: Erstens, dass der Stromkreis aus Sicherheitsgründen oft nicht schwimmen darf. Erwägen Sie in diesem Fall, das Gerät durch eine Induktion zu erden. Auf diese Weise ist die Erdungsimpedanz der 50Hz Wechselstromausrüstung sehr klein, und für das Störsignal mit einer höheren Frequenz ist die Erdungsimpedanz der Ausrüstung relativ groß, was den Erdungsschleifenstrom reduziert. Dies kann jedoch nur die Masseschleifenstörungen von Hochfrequenzstörungen reduzieren. Ein weiteres Problem ist, dass, obwohl das Gerät schwebt, es immer noch parasitäre Kapazität zwischen dem Gerät und der Masse gibt. Diese Kapazität bietet niedrigere Impedanz bei höheren Frequenzen und reduziert daher nicht effektiv den Hochfrequenz-Masseschleifenstrom.2) Verwenden Sie den Transformator, um die Verbindung zwischen den Geräten zu realisieren. Verwenden Sie den Magnetkreis, um die beiden Geräte zu verbinden, die den Erdungsschleifenstrom abschneiden können. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die parasitäre Kapazität zwischen Primär- und Sekundärstrom des Transformators immer noch einen Pfad für den hochfrequenten Masseschleifenstrom bereitstellen kann, so dass das Transformatorisolierungsverfahren einen schlechten Unterdrückungseffekt auf den hochfrequenten Masseschleifenstrom hat. Eine Möglichkeit, den hochfrequenten Isolationseffekt des Transformators zu verbessern, besteht darin, eine Abschirmschicht zwischen der Primär- und Sekundärstufe des Transformators aufzubauen. Es ist jedoch zu beachten, dass das Erdungsende der Abschirmschicht des Isolationstransformators am Empfangsende der Schaltung sein muss. Andernfalls wird es nicht nur scheitern, den Hochfrequenz-Isolationseffekt zu verbessern, sondern auch die Hochfrequenz-Kopplung ernster zu machen. Daher sollte der Transformator an der Seite des Signalempfangsgeräts installiert werden. Ein gut abgeschirmter Transformator kann eine effektive Isolation bei Frequenzen unter 1MHz bieten.3) Verwendung eines optischen Isolators Eine andere Möglichkeit, die Erdschleife abzuschneiden, besteht darin, Licht zur Signalübertragung zu verwenden. Dies kann als ideale Lösung für das Störproblem der Erdschleife bezeichnet werden. Es gibt zwei Methoden für die optische Verbindung, eine ist Optokoppler-Gerät und die andere ist Glasfaserverbindung. Die parasitäre Kapazität des Optokopplers beträgt im Allgemeinen 2pf, was eine gute Isolation bei sehr hohen Frequenzen bieten kann. Optische Fasern haben fast keine parasitäre Kapazität, aber sie sind Optokopplern in Bezug auf Installation, Wartung und Kosten unterlegen.4) Verwendung einer Gleichtaktdrosselspule Die Verwendung einer Gleichtaktdrosselspule auf dem Verbindungskabel entspricht der Erhöhung der Impedanz der Masseschleife, so dass der Masseschleifenstrom unter der Einwirkung einer bestimmten Erdungsspannung abnimmt. Aber achten Sie darauf, die parasitäre Kapazität der Gleichtaktdrossel zu steuern, sonst ist der Isolationseffekt auf Hochfrequenzstörungen sehr schlecht. Je mehr Umdrehungen der Gleichtaktdrossel, desto größer die parasitäre Kapazität und desto schlechter die Hochfrequenz-Isolation.4.2 Gemeinsame Impedanzkopplung beseitigen Es gibt zwei Möglichkeiten, die gemeinsame Impedanzkopplung zu beseitigen. Eine besteht darin, die Impedanz des gemeinsamen Erdungsdrahts zu verringern, so dass die Spannung auf dem gemeinsamen Erdungsdraht ebenfalls reduziert wird, wodurch die gemeinsame Impedanzkupplung gesteuert wird. Eine andere Methode besteht darin, den gemeinsamen Erdungskabel von Schaltungen zu vermeiden, die sich durch geeignete Erdungsmethoden leicht gegenseitig stören lassen. Im Allgemeinen ist es notwendig, den gemeinsamen Erdungskabel des Starkstromkreises und des Schwachstromkreises und die digitale Schaltung und die analoge Schaltung zu vermeiden, um den Erdungskabel zu teilen. Wie bereits erwähnt, besteht das Problem bei der Verringerung der Impedanz des Erdungskabels darin, die Induktivität des Erdungskabels zu verringern. Dies schließt die Verwendung von flachen Leitern für die Erdung und mehreren parallelen Leitern für die Erdung ein. Bei Leiterplatten kann das Verlegen eines Erdungskabelgitters auf einer Doppelschichtplatte die Erdungskabelimpedanz effektiv reduzieren. Obwohl eine Schicht als Massedraht in einer mehrschichtigen Platine verwendet wird, hat sie eine kleine Impedanz, aber sie erhöht die Kosten der Platine. Die Erdungsmethode zur Vermeidung gemeinsamer Impedanzen durch richtige Erdung besteht darin, einen einzelnen Punkt parallel zu erden. Der Nachteil der Parallelerdung ist, dass zu viele Drähte geerdet werden müssen. Daher ist es in der Praxis nicht notwendig, dass alle Schaltkreise parallel an einem einzigen Punkt geerdet werden. Für Schaltungen mit weniger gegenseitigen Interferenzen kann eine Einpunkt-Erdung in Reihe verwendet werden. Zum Beispiel können Schaltungen nach starken Signalen, schwachen Signalen, analogen Signalen, digitalen Signalen usw. klassifiziert werden und dann Reihen-Einpunkt-Erdung innerhalb ähnlicher Schaltungen verwenden und parallele Einpunkt-Erdung für verschiedene Arten von Schaltungen verwenden.5 ZusammenfassenDer Hauptgrund für die elektromagnetischen Störungen, die durch den Erdungskabel verursacht werden, ist die Impedanz des Erdungskabels. Wenn der Strom durch den Erdungskabel fließt, wird eine Spannung auf dem Erdungskabel erzeugt, das ist das Erdungskabel Rauschen. Angetrieben von dieser Spannung wird ein Masseschleifenstrom erzeugt, der zu Masseschleifenstörungen führt. Eine gemeinsame Impedanzkopplung tritt auf, wenn sich zwei Schaltkreise ein Erdungssegment teilen. Die Methoden zur Lösung der Erdschleifeninterferenz bestehen darin, die Erdschleife abzuschneiden, die Impedanz der Erdschleife zu erhöhen und eine symmetrische Schaltung zu verwenden. Die Lösung für die gemeinsame Impedanzkupplung besteht darin, die Impedanz des gemeinsamen Massedrahts zu reduzieren oder eine Einzelpunkt-Masseverbindung parallel zu verwenden, um die gemeinsame Impedanz auf der Leiterplatte vollständig zu beseitigen.