Progettazione PCB - Progettazione di messa a terra del PCB

Il design PCB è indispensabile e il più importante nella progettazione di prodotti elettronici. La qualità della progettazione PCB influenzerà direttamente la realizzazione delle funzioni del prodotto. Non è difficile progettare un circuito PCB per realizzare la sua funzione. La cosa difficile è che non è influenzata da varie influenze (come cambiamenti di temperatura e umidità, cambiamenti di pressione dell'aria, urti meccanici, corrosione, ecc.) e può continuare a mantenere il lavoro normale e stabile, quindi adotteremo vari metodi di progettazione o misure del processo di fabbricazione sono utilizzati per eliminare o ridurre questi effetti per garantire il normale funzionamento del PCB, ad esempio l'uso di componenti di temperatura più ampi per adattarsi all'ambiente di utilizzo ad alta temperatura o bassa temperatura; cercare di rendere l'area dei modelli del circuito su entrambi i lati della scheda stampata uguale per evitare la deformazione e la deformazione della scheda stampata causata da cambiamenti di temperatura; disporre ragionevolmente la posizione di componenti grandi e pesanti sulla scheda stampata e progettare la corrispondente struttura di installazione e fissaggio per evitare che i componenti cadano a causa delle vibrazioni.

Prima di tutto, la cosa più importante è mettere a terra. Tutti sanno che la progettazione a terra è la base della progettazione del sistema. Una buona messa a terra è un prerequisito per il funzionamento sicuro e stabile del sistema. L'ampia messa a terra comprende due significati, vale a dire, messa a terra e messa a terra virtuale. Il collegamento a terra si riferisce al collegamento con la terra; connessione al terreno virtuale si riferisce alla connessione con il potenziale punto di riferimento. Quando il punto di riferimento è isolato elettricamente dalla terra, è chiamato collegamento galleggiante. Ci sono due scopi di messa a terra: uno è quello di garantire il funzionamento stabile e affidabile del sistema di controllo e di prevenire le interferenze causate da loop di terra, che è spesso indicato come messa a terra di lavoro; l'altro è quello di evitare che l'operatore venga esposto al rischio di scosse elettriche dovute al danno dell'isolamento o alla caduta dell'apparecchiatura e garantire la sicurezza dell'apparecchiatura è chiamata messa a terra protettiva.

Se la messa a terra di sicurezza non è considerata, solo dal punto di vista del punto di riferimento del circuito, la messa a terra può essere divisa in terra galleggiante, messa a terra a punto singolo, messa a terra a più punti e messa a terra mista. Lo scopo del terreno galleggiante è quello di isolare il circuito o l'attrezzatura dal terreno comune o dai fili comuni che possono causare correnti circolanti. Lo svantaggio di questo metodo di messa a terra è che l'apparecchiatura non è direttamente collegata alla terra, che è soggetta all'accumulo di elettricità statica e alla rottura elettrostatica con una forte corrente di scarica. Il metodo usuale è quello di collegare una grande resistenza tra il dispositivo e il terreno per eliminare l'accumulo di elettricità statica. Messa a terra monopunto significa che in un circuito, un solo punto fisico è definito come punto di riferimento a terra. Messa a terra multipunto significa che in un sistema, ogni punto di messa a terra è collegato al piano di terra più vicino ad esso, in modo che la lunghezza del cavo di messa a terra sia la più breve. È l'unico metodo pratico di messa a terra per circuiti di segnale ad alta frequenza. In generale, quando la frequenza è inferiore a 1MHz, è meglio utilizzare la messa a terra a punto singolo; quando la frequenza è superiore a 10MHz, è meglio utilizzare la messa a terra multipunto; La lunghezza del filo di massa non deve superare 1/20 della lunghezza d'onda, altrimenti deve essere adottato il metodo di messa a terra multipunto. In circostanze normali, nei sistemi di controllo industriali ordinari, la frequenza del segnale è per lo più inferiore a 1MHz, quindi la messa a terra a punto singolo è solitamente adottata. La messa a terra ibrida è una combinazione di messa a terra a punto singolo e messa a terra multipunto e la gamma di frequenze di lavoro applicabile è generalmente 500kHz～30MHz.

Nel sistema di controllo del computer, è approssimativamente suddiviso nei seguenti tipi di terreni: terra analogica, terra digitale, terra del segnale, terra del sistema, terra CA e terra di protezione. Il terreno analogico serve come potenziale zero dei circuiti analogici in sensori, trasmettitori, amplificatori, convertitori A-D e D-A. Il segnale analogico ha requisiti di precisione, il suo segnale è relativamente piccolo ed è collegato al sito di produzione. A volte, al fine di distinguere la relazione tra il terreno debole del segnale del sensore remoto e il terreno analogico dell'host, il terreno del sensore è anche chiamato terreno del segnale. Come il potenziale zero di vari circuiti digitali nei computer, il terreno digitale dovrebbe essere separato da terra analogica per evitare interferenze di segnali analogici da impulsi digitali. Il terreno del sistema è il punto finale di ritorno dei suddetti terreni ed è direttamente collegato al terreno come potenziale zero di riferimento. La terra CA è la linea di terra o zero della linea di alimentazione CA del computer e il suo potenziale zero è molto instabile. C'è spesso una differenza di potenziale di diversi volt o addirittura decine di volt tra due punti sul terreno AC. Inoltre, l'area di comunicazione è anche soggetta a varie interferenze. Pertanto, la terra CA non deve mai essere collegata ai motivi sopra menzionati e le prestazioni di isolamento del trasformatore di alimentazione CA dovrebbero essere buone e il fenomeno di perdita deve essere evitato. Il terreno protettivo è anche chiamato terreno di sicurezza, terreno del telaio o terreno schermato. Lo scopo è quello di rendere il telaio dell'attrezzatura e la terra equipotenziale per evitare che il telaio venga caricato per influenzare la sicurezza delle persone e delle attrezzature.

Dopo aver compreso la classificazione e la funzione del filo di terra, è necessario classificare il filo di terra nel PCB e adottare le misure corrispondenti per progettare il filo di terra. Ad esempio, il filo di terra dei dispositivi TTL e CMOS dovrebbe essere radiale e non a forma di anello; la larghezza del filo di terra sul circuito stampato deve essere determinata in base alla dimensione della corrente che passa attraverso, non meno di 3mm, se possibile, più ampio il filo di terra Buono; il cavo di massa del condensatore di bypass non dovrebbe essere lungo e dovrebbe essere il più corto possibile; il filo di terra a potenziale zero della grande corrente deve essere il più largo possibile e deve essere separato dalla terra del piccolo segnale. Ci sono anche alcuni principi e metodi di progettazione che possono essere progettati con riferimento ai requisiti della progettazione di messa a terra PCB nel capitolo 10.

Al fine di selezionare ragionevolmente il conduttore di messa a terra e il suo metodo di connessione, abbiamo effettuato alcune classificazioni di messa a terra secondo la Tabella 1.

Tabella 1 Classificazione della messa a terra

Un altro problema che richiede attenzione è la gestione del piano di riferimento nella progettazione PCB, che influenzerà direttamente la qualità del PCB. Generalmente, possiamo fare alcune elaborazioni secondo i seguenti metodi:

1) Il piano di potenza è vicino al piano di terra (solo per i circuiti ad alta frequenza): Quando la frequenza di funzionamento del circuito è molto alta (ad esempio superiore a 100MHz), il piano di potenza dovrebbe essere vicino al piano di terra, in modo da massimizzare l'accoppiamento capacitivo tra il piano di potenza e il piano di terra, per ridurre il rumore dell'alimentazione elettrica.

2) Più piani di terra sono collegati da vias: Quando ci sono più strati di piano di terra nel PCB, più vias sparsi dovrebbero essere utilizzati per collegare i piani di terra insieme sulla scheda, specialmente dove il segnale è concentrato e gli strati sono cambiati. Fornire un ciclo più breve e ridurre le radiazioni per il segnale del cambio di strato. Come mostrato nella figura 1, i piani di terra sono collegati insieme a vias sulla circonferenza del piano, che può ridurre efficacemente la radiazione esterna del PCB.

Figura 1 Via collegamento

3) Quando le condizioni lo consentono, viene adottato il principio 20H: Poiché il campo elettrico tra lo strato di potenza e lo strato di terra è cambiato, l'interferenza elettromagnetica sarà irradiata verso l'esterno dal bordo della scheda, che è chiamato effetto bordo. La soluzione è quella di restringere lo strato di potenza in modo che il campo elettrico sia condotto solo all'interno dello strato di terra. Prendendo un H (lo spessore del mezzo tra l'alimentazione elettrica e il terreno) come unità, se il restringimento è 20H, il 70% del campo elettrico può essere confinato al bordo dello strato di terra; Se il restringimento è 100H, il 98% del campo elettrico può essere confinato. Nell'attuazione del principio 20H, la priorità dovrebbe essere data al raggiungimento del ciclo minimo di segnale e dell'impedenza continua del segnale. Cioè, quando il piano di potenza è ritirato, se lo strato di segnale adiacente ha tracce sul bordo del piano di potenza, il principio 20H può essere ignorato in questo intervallo per garantire che il segnale non attraversi e il bordo del piano di potenza dovrebbe estendersi fuori dalla posizione della linea del segnale.

4) Aggiungere un piano di terra come strato di isolamento del segnale: Quando ci sono molti strati di segnale e uno strato di isolamento è necessario, è meglio aggiungere un piano di terra come strato di isolamento, non uno strato di potenza come strato di isolamento.

5) Controllare l'area di estensione del piano: Quando si progetta il piano di terra di potenza, l'area di estensione del piano dovrebbe essere controllata per evitare sovrapposizioni dei piani di riferimento dei diversi tipi di circuiti. Inoltre, c'è un accoppiamento capacitivo tra i piani caricati paralleli. Come mostrato nella Figura 2, ci sarà l'accoppiamento reciproco tra il piano di potenza analogico Analog P e il piano di terra digitale Digital G.

Controllare l'area estesa del planoFigura 2 Controllare l'area estesa del piano