Blogue PCB - Analyse et méthode de suppression de l'interférence du fil de terre dans le câblage des PCB

1.. Definition of ground wire
What is a ground wire on PCB board? La définition du fil de terre que tout le monde apprend dans le manuel est: le fil de terre est un corps équipotentiel qui sert de point de référence pour le potentiel du circuit. Cette définition ne correspond pas à la réalité.. Le potentiel sur le fil de terre réel n'est pas constant. Si un instrument est utilisé pour mesurer le potentiel entre les points du fil de terre, Vous remarquerez que le potentiel de chaque point du fil de terre peut varier considérablement. Ce sont ces différences de potentiel qui provoquent un fonctionnement anormal du circuit. La définition d'un circuit comme un équipotentiel n'est que ce que les gens attendent du potentiel au sol.. Henry donne une définition plus réaliste du fil de terre, Il définit le fil de terre comme la trajectoire de faible impédance du flux de signal vers la source. Le courant dans le fil de terre est mis en évidence dans cette définition. Selon cette définition,, La cause de la différence de potentiel du fil de terre est facile à comprendre. Parce que l'impédance du fil de terre ne sera jamais nulle, Lorsque le courant traverse une impédance finie, Chute de tension. Donc,, Nous devrions imaginer le potentiel électrique sur le fil de terre comme une vague dans l'océan, Un par un.

2.. The impedance of the ground wire
When it comes to the potential difference between the points on the ground wire caused by the impedance of the ground wire, Beaucoup de gens pensent que c'est incroyable: quand nous mesurons la résistance du fil de terre avec un ohmmètre, La résistance du fil de terre est généralement en milliohms, Comment une telle chute de tension peut - elle se produire lorsque le courant traverse une si petite résistance?, Cause un mauvais fonctionnement du circuit. Comprendre le problème, Nous devons d'abord distinguer deux concepts différents de résistance et d'impédance des conducteurs. La résistance est la résistance du conducteur au courant en courant continu., L'impédance est la résistance du conducteur au courant en courant alternatif., Ceci est principalement dû à l'inductance du conducteur. Inductance sur n'importe quel fil, Et quand la fréquence est élevée,, L'impédance du conducteur est beaucoup plus grande que la résistance en courant continu. Dans le circuit réel, Le signal qui provoque une interférence électromagnétique est généralement un signal d'impulsion, Le signal d'impulsion contient une riche composante à haute fréquence, Par conséquent, une tension plus élevée est générée sur le fil de terre. Pour circuits numériques, La fréquence de fonctionnement du circuit est très élevée, Par conséquent, l'impédance du fil de terre a une grande influence sur le circuit numérique. Si l'impédance de 10 Hz est approximativement considérée comme une résistance en courant continu, On peut voir que lorsque la fréquence atteint 10 MHz, Pour un fil de 1 mètre de long, Son impédance est de 1000 à 100,000 fois la résistance en courant continu. Il en va de même pour les courants RF, Lorsque le courant traverse le fil de terre, Chute de tension élevée. Comme le montre également le tableau, l'augmentation du diamètre du fil est très efficace pour réduire la résistance au courant continu., Mais l'effet sur la réduction de l'impédance AC est limité. Mais en termes de compatibilité électromagnétique,, Les gens se soucient de l'impédance AC. Pour réduire l'impédance AC, Une méthode efficace est de connecter plusieurs fils en parallèle. Lorsque les deux fils sont connectés en parallèle, the total inductance L is: L = ( L1 + M ) / 2. Où L1 est l'inductance d'une seule ligne, M est l'inductance mutuelle entre deux conducteurs. Comme le montre la formule, lorsque deux fils sont très éloignés les uns des autres, L'inductance mutuelle entre eux est très faible, L'inductance totale est égale à la moitié de l'inductance d'une seule ligne. Donc,, Nous pouvons réduire l'impédance de mise à la terre à travers plusieurs fils de mise à la terre. Il convient toutefois de noter que la distance entre plusieurs conducteurs ne doit pas être trop étroite..

3... Ground wire interference mechanism
3.1 Ground loop interference
Because of the ground wire impedance, Lorsque le courant traverse le fil de terre, Tension générée sur le fil de terre. Cette tension peut être élevée lorsque le courant est élevé. Par exemple:, Lorsque des appareils électriques de grande puissance sont mis en marche à proximité, Un courant fort circulera à travers le fil de terre. Ce courant produit du courant dans le câble de connexion entre les deux appareils. En raison du déséquilibre du circuit, Le courant sur chaque fil est différent, Par conséquent, une tension en mode différentiel sera générée, Cela affectera le circuit. Parce que cette interférence est générée par le courant de boucle formé par le câble et le fil de terre, Il devient une interférence de boucle au sol. Le courant dans le circuit de mise à la terre peut également être induit par un champ électromagnétique externe.

3.2 Common Impedance Interference
When two circuits share a ground wire, En raison de l'impédance du fil de terre, le potentiel au sol d'un circuit sera modulé par le courant de fonctionnement de l'autre circuit.. Les signaux d'un tel circuit sont couplés à un autre circuit, Ce couplage est appelé couplage de co - impédance. Dans les circuits numériques, En raison de la haute fréquence du signal, Les fils de mise à la terre ont généralement une grande impédance. En ce moment, S'il y a différents circuits qui partagent une section de terre, Problème de couplage de co - Impédance possible. Supposons que le niveau de sortie de la porte 1 passe de haut en bas, the parasitic capacitance in the circuit (sometimes there is a filter capacitor at the input of gate 2) will discharge to the ground wire through gate 1. En raison de l'impédance du fil de terre, Le courant de décharge sera la tension de crête générée sur le fil de terre. Si la sortie de la porte 3 est faible, La tension de crête est transmise à la sortie de la porte 3 et à l'entrée de la porte 4.... Si l'amplitude de cette tension de crête dépasse le seuil de bruit de la porte 4, Cela provoquera une défaillance de la porte 4.

4. Ground wire interference countermeasures
4.1. Contre - mesure du circuit de mise à la terre: selon le mécanisme d'interférence du circuit de mise à la terre, l'interférence du circuit de mise à la terre peut être réduite tant que le courant dans le circuit de mise à la terre est réduit.. Si le courant dans le circuit au sol peut être complètement éliminé, Peut résoudre complètement le problème d'interférence du circuit au sol. Donc,, Nous proposons les solutions suivantes pour résoudre l'interférence de la boucle au sol:.
1) Floating the equipment at one end If the circuit at one end is floated, Circuit au sol coupé, Par conséquent, le courant de retour au sol peut être éliminé. Mais il y a deux questions à examiner.. Premièrement, pour des raisons de sécurité., Les circuits ne sont généralement pas autorisés à flotter. Dans ce cas,, Envisager la mise à la terre de l'équipement par inducteur. Voilà., L'équipement à courant alternatif de 5.0 Hz a une très faible impédance de mise à la terre, Et pour les signaux d'interférence à haute fréquence, L'impédance de mise à la terre de l'équipement est relativement grande, Cela réduit le courant de retour au sol. Mais cela ne réduira que l'interférence de la boucle au sol de l'interférence à haute fréquence. Un autre problème est que même si l'équipement est flottant, La capacité parasitaire est toujours présente entre l'équipement et la mise à la terre. Ce condensateur fournit une impédance plus faible à des fréquences plus élevées, de sorte qu'il ne peut pas efficacement réduire le courant de la boucle de mise à la terre à haute fréquence.
2) Use the transformer to realize the connection between the devices. Connectez les deux appareils à l'aide d'un circuit magnétique, Cela coupe le courant de retour au sol. Cependant,, Il convient de noter que la capacité parasitaire entre le transformateur primaire et le transformateur secondaire peut encore fournir une trajectoire pour le courant de boucle terrestre à haute fréquence., Par conséquent, la méthode d'isolement du transformateur a un mauvais effet sur la suppression du courant du circuit de mise à la terre à haute fréquence.. Une façon d'améliorer l'effet d'isolement à haute fréquence du transformateur est de placer un bouclier entre le primaire et le secondaire du transformateur.. Cependant,, Il est important de noter que la sangle au sol du Bouclier du transformateur d'isolement doit être située à l'extrémité réceptrice du circuit.. Sinon, Non seulement il n'améliore pas l'isolation à haute fréquence, Mais cela rend aussi le couplage à haute fréquence encore plus grave. Donc,, Le transformateur doit être monté sur le côté du récepteur de signal.. Un transformateur bien protégé assure une isolation efficace à des fréquences inférieures à 1 MHz.
3) Using an optical isolator Another way to cut off the ground loop is to use light to transmit signals. Il s'agit d'une solution idéale pour résoudre le problème d'interférence du circuit de mise à la terre.. Il existe deux façons de connecter la lumière:, L'un est Optocoupler, L'autre est la connexion par fibre optique. La capacité parasitaire des optocoupleurs est généralement de 2 PF, Cela peut fournir une bonne isolation à très haute fréquence. La fibre a peu de capacité parasitaire, Mais ils sont moins bien installés que les optocoupleurs, Entretien, Coût.
4) Using a common mode choke coil The use of a common mode choke coil on the connecting cable is equivalent to increasing the impedance of the ground loop, Réduire le courant du circuit de mise à la terre sous une certaine tension de mise à la terre. Mais attention au contrôle de la capacité parasitaire de l'étranglement en mode commun, Sinon, l'isolement des interférences à haute fréquence est très faible. Plus d'étranglements en mode commun, Plus la capacité parasitaire est grande, plus l'isolement à haute fréquence est faible..
4.2 Eliminate common impedance coupling
There are two ways to eliminate the common impedance coupling. L'un est de réduire l'impédance du fil de terre commun, Ainsi, la tension sur le fil de terre commun est également réduite, Pour contrôler le couplage d'impédance commun. Une autre méthode consiste à utiliser des méthodes de mise à la terre appropriées pour éviter les fils de mise à la terre communs pour les circuits susceptibles d'interférer entre eux.. En général, Les circuits à courant fort et à courant faible doivent être évités de partager le fil de terre., Les circuits numériques et analogiques partagent le sol. Comme indiqué précédemment, Le problème de la réduction de l'impédance du fil de terre est de réduire l'inductance du fil de terre.. Cela comprend l'utilisation d'une mise à la terre à conducteur plat et de plusieurs conducteurs parallèles espacés.. Pour PCB, La mise en place d'une grille de mise à la terre sur une double plaque peut réduire efficacement l'impédance de la mise à la terre.. Bien qu'une couche soit utilisée comme fil de terre dans une dalle multicouche, Son impédance est très faible, Mais cela augmentera le coût des circuits imprimés. . La méthode de mise à la terre pour éviter l'impédance commune par une mise à la terre appropriée consiste à mettre à la terre un seul point en parallèle.. L'inconvénient de la mise à la terre parallèle est qu'il y a trop de conducteurs de mise à la terre. Donc,, En fait,, Tous les circuits ne doivent pas être mis à la terre en un seul point parallèle. Pour les circuits avec moins d'interférence mutuelle, Un seul point de mise à la terre en série peut être utilisé. Par exemple:, Les circuits peuvent être classés en fonction d'un signal fort, Signal faible, Signaux analogiques, Signal numérique, Attendez.., Ensuite, un seul point de mise à la terre en série est utilisé dans un circuit similaire, Mise à la terre en un seul point parallèle pour différents types de circuits.
5. Summary
The main reason for the electromagnetic interference caused by the ground wire is the impedance of the ground wire. Lorsque le courant traverse le fil de terre, La tension sera générée sur le fil de terre, Quel est le bruit du fil de terre?. Conduite par cette tension, Le courant de retour au sol sera généré, Provoque une interférence du circuit au sol. Un couplage d'impédance commun se produit lorsque les deux circuits partagent une section de sol. La façon de résoudre l'interférence du circuit de mise à la terre est de couper le circuit de mise à la terre, Augmenter l'impédance du circuit de mise à la terre, Et utiliser un circuit d'équilibrage. La solution du couplage d'impédance commun est de réduire l'impédance du fil de terre commun, Ou utiliser un seul point de mise à la terre parallèle pour éliminer complètement l'impédance commune PCB board.