Leiterplattentechnisch - Erdstörungen und Unterdrückung im PCB Layout Design

1. Definition von Erdungskabel

Was ist im PCB-Layout-Design der Erdungskabel? Die Definition des Erdungskabels, die jeder in Lehrbüchern lernt, lautet: Der Erdungskabel ist ein Potenzialäquivalentkörper, der als Bezugspunkt des Schaltungspotenzials verwendet wird. 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 die Potenziale der Punkte auf der Grundlinie stark variieren können. Es sind diese Potentialunterschiede, die den abnormalen Betrieb des Schaltkreises verursachen. Die Definition eines Schaltkreises als gleichpotentialer Körper ist nur die Erwartung der Menschen an das Erdpotential. HENRY gab eine realistischere Definition des Erdungskabels. Er definierte den Erdungskabel als einen niederohmigen Pfad für den Rückfluss des Signals zur Quelle. Diese Definition hebt den Stromfluss im Erdungskabel hervor. Nach dieser Definition ist es leicht, die Ursache für den Potenzialunterschied im Erdungsdraht zu verstehen. Da die Impedanz des Erdungskabels niemals Null sein wird, tritt ein Spannungsabfall auf, wenn ein Strom durch die endliche Impedanz fließt. Daher sollten wir uns das Potential des Erddrahtes als Wellen im Meer vorstellen, eine nach der anderen.

2. Die Impedanz des Erdungskabels

Apropos des Potentialunterschieds zwischen den Punkten auf dem Erdungskabel, der durch die Impedanz des Erdungskabels verursacht wird, der dazu führen kann, dass der Stromkreis nicht funktioniert, finden viele Menschen es unglaublich: Wenn wir einen Ohmmeter verwenden, um den Widerstand des Erdungskabels zu messen, liegt der Widerstand des Erdungskabels oft im Milliohm-Niveau. Wie kann ein solcher großer Spannungsabfall auftreten, wenn der Strom durch einen so kleinen Widerstand fließt und anormalen Schaltungsbetrieb verursacht.

3. Bodeninterferenzmechanismus

3.1 Gemeinsame Impedanzstörung Wenn zwei Schaltungen einen Abschnitt des Erdungsdrahts teilen, wird das Erdungspotential einer Schaltung durch den Arbeitsstrom der anderen Schaltung aufgrund der Impedanz des Erdungsdrahts moduliert. Das Signal in einer solchen Schaltung wird in eine andere Schaltung gekoppelt, diese Kupplung wird gemeinsame Impedanzkopplung genannt.

In digitalen Schaltungen weist der Massekabel aufgrund der höheren Frequenz des Signals oft eine größere Impedanz auf. Zu diesem Zeitpunkt, wenn es verschiedene Schaltungen gibt, die einen Erdabschnitt teilen, kann das Problem der gemeinsamen Impedanzkopplung auftreten

4. Gegenmaßnahmen gegen Bodenstörungen

4.1 Im PCB-Design-Layout, Masseschleifengegenmaßnahmen Aus dem Mechanismus der Masseschleifeninterferenz kann bekannt sein, dass, solange der Strom in der Masseschleife reduziert wird, die Masseschleifeninterferenz reduziert werden kann. Wenn der Strom in der Erdschleife vollständig eliminiert werden kann, kann das Problem der Erdschleifenstörung vollständig gelöst werden. Daher schlagen wir die folgenden Lösungen für Erdschleifeninterferenzen vor.

A. Schweben der Ausrüstung an einem Ende. Wenn die Schaltung an einem Ende schwebt, wird die Masseschleife abgeschnitten, so dass der Masseschleifenstrom eliminiert werden kann. Aber es gibt zwei Punkte, die beachtet werden müssen: Zum einen dürfen Schaltkreise aus Sicherheitsgründen oft nicht schwimmen. Erwägen Sie zu diesem Zeitpunkt, das Gerät durch einen Induktor zu erden. Auf diese Weise ist für 50Hz Wechselstromgeräte die Erdungsimpedanz sehr klein, und für Störsignale mit höheren Frequenzen ist die Erdungsimpedanz der Ausrüstung größer und reduziert den Erdungsschleifenstrom. Dies kann jedoch nur die Masseschleifenstörungen von Hochfrequenzstörungen reduzieren. Ein weiteres Problem ist, dass, obwohl das Gerät schwebt, es immer noch eine parasitäre Kapazität zwischen dem Gerät und dem Boden gibt. Diese Kapazität liefert eine niedrigere Impedanz bei höheren Frequenzen, so dass sie den hochfrequenten Masseschleifenstrom nicht effektiv reduzieren kann.

B. Verwenden Sie einen Transformator, um die Verbindung zwischen Geräten zu realisieren. Verwenden Sie einen Magnetkreis, um zwei Geräte anzuschließen, um den Erdungsschleifenstrom abzuschneiden. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die parasitäre Kapazität zwischen dem Primär- und Sekundärtransformator immer noch einen Pfad für den höherfrequenten Masseschleifenstrom bereitstellen kann, so dass das Transformatortrennverfahren einen schlechten Unterdrückungseffekt auf den Hochfrequenz-Masseschleifenstrom hat. Eine Möglichkeit, den Hochfrequenz-Isolationseffekt des Transformators zu verbessern, besteht darin, eine Abschirmschicht zwischen der Primär- und Sekundärstufe des Transformators zu installieren. Es ist jedoch zu beachten, dass sich das Erdungsende der Abschirmschicht des Isolationstransformators an einem Ende des Empfangskreises befinden muss. Andernfalls kann nicht nur der Hochfrequenz-Isolationseffekt verbessert werden, sondern kann die Hochfrequenz-Kopplung auch ernster 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.

C. Eine andere Möglichkeit, die Erdschleife mit einem optischen Isolator abzuschneiden, besteht darin, Licht zur Realisierung der Signalübertragung zu verwenden. Dies ist der ideale Weg, um das Problem der Erdschleifeninterferenz zu lösen. Es gibt zwei Methoden für die optische Verbindung, eine ist Optokoppler-Gerät und die andere ist Verbindung mit Glasfaser. Die parasitäre Kapazität des Optokopplers beträgt im Allgemeinen 2pf, was eine gute Isolation bei sehr hohen Frequenzen bieten kann. Glasfaser hat fast keine parasitäre Kapazität, ist aber Optokoppler-Geräten in Bezug auf Installation, Wartung und Kosten unterlegen.

D. Die Verwendung von Gleichtaktdrosseln auf dem Verbindungskabel entspricht der Erhöhung der Impedanz der Masseschleife, so dass unter einer bestimmten Massespannung die Masseschleife

Der Stromkreis nimmt ab. Aber achten Sie darauf, die parasitäre Kapazität der Gleichtaktdrossel zu steuern, sonst ist der Isolationseffekt auf Hochfrequenzstörungen sehr schlecht. Je mehr Drehungen der Gleichtaktdrossel, desto größer ist die parasitäre Kapazität und desto schlechter ist der Effekt der Hochfrequenz-Isolation.

4.2 Beseitigung der gemeinsamen Impedanzkupplung Es gibt zwei Möglichkeiten, die gemeinsame Impedanzkupplung 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 eine ordnungsgemäße Erdung leicht gegenseitig stören können. Vermeiden Sie im Allgemeinen den gemeinsamen Erdungskabel von starken und schwachen Stromkreisen und den gemeinsamen Erdungskabel von digitalen und analogen Schaltungen. Wie bereits erwähnt, besteht das Kernproblem der Verringerung der Impedanz des Erdungskabels darin, die Induktivität des Erdungskabels zu verringern. Dazu gehört die Verwendung eines flachen Leiters als Massedraht und die Verwendung mehrerer paralleler Leiter, die weit voneinander entfernt als Massedraht sind. Bei Leiterplatten kann das Verlegen eines Erdungskabelgitters auf einer Doppelschichtplatte die Erdungskabelimpedanz effektiv reduzieren. In einer mehrschichtigen Platine hat eine spezielle Schicht Erdungsdraht eine kleine Impedanz, aber sie erhöht den Widerstand der Leiterplatte. Kosten. Die Erdungsmethode zur Vermeidung gemeinsamer Impedanzen durch geeignete Erdungsmethode ist die parallele Einpunkt-Erdung. Der Nachteil der parallelen Erdung ist, dass es zu viele geerdete Drähte gibt. Daher ist es in der Praxis nicht notwendig, dass alle Schaltungen parallel zur Einpunkt-Erdung geschaltet werden. Für Schaltungen mit weniger gegenseitigen Interferenzen kann eine Einpunkt-Erdung in Reihe verwendet werden. Zum Beispiel können die Schaltungen nach starken Signalen, schwachen Signalen, analogen Signalen, digitalen Signalen usw. klassifiziert werden und dann Einpunkt-Erdung in Reihe innerhalb ähnlicher Schaltungen und Einpunkt-Erdung parallel für Schaltungen verschiedener Typen verwenden.