Dati PCB - Metodo di analisi e soppressione dell'interferenza del cavo di terra nel cablaggio del bordo PCB

1. Definition of ground wire
What is a ground wire on Scheda PCB? La definizione di filo di terra che tutti imparano nei libri di testo è: il filo di terra è un corpo equipotenziale che funge da punto di riferimento del potenziale del circuito. Questa definizione non è in linea con la situazione attuale. Il potenziale sul filo di terra reale non è costante. Se si utilizza un metro per misurare il potenziale tra i punti sulla linea di terra, Scoprirai che il potenziale di ogni punto sulla linea di terra può variare notevolmente. Sono queste differenze potenziali che causano il funzionamento anomalo del circuito. La definizione di un circuito essendo un corpo equipotenziale è solo l'aspettativa del potenziale del suolo. HENRY ha dato una definizione più realistica del filo di massa, ha definito il filo di terra come: il percorso di bassa impedenza per il ritorno del segnale alla sorgente. Il flusso di corrente nel filo di massa è evidenziato in questa definizione. Secondo questa definizione, è facile capire la causa della differenza di potenziale nel filo di terra. Perché l'impedenza del filo di terra non è mai zero, quando una corrente scorre attraverso un'impedenza finita, si verifica una caduta di tensione. Pertanto, Dovremmo immaginare che il potenziale sul filo di terra sia come le onde nel mare, uno dopo l'altro.

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, Molte persone lo trovano inconcepibile: quando misuriamo la resistenza del filo di terra con un ohmmeter, la resistenza del filo di terra è spesso al livello milliohm, Come può verificarsi una caduta di tensione così grande quando la corrente scorre attraverso una resistenza così piccola, causare il funzionamento anomalo del circuito. Per capire questo problema, dobbiamo prima distinguere i due diversi concetti di resistenza e impedenza del filo. Resistenza si riferisce alla resistenza del filo alla corrente nello stato DC, e impedenza si riferisce alla resistenza del filo alla corrente nello stato AC, che è principalmente causata dall'induttanza del filo. Qualsiasi filo ha induttanza, e quando la frequenza è alta, l'impedenza del filo è molto maggiore della resistenza DC. In circuiti pratici, i segnali che causano interferenze elettromagnetiche sono spesso segnali a impulsi, e i segnali di impulso contengono ricchi componenti ad alta frequenza, così una grande tensione sarà generata sul filo di terra. Per circuiti digitali, la frequenza di funzionamento del circuito è molto alta, quindi l'impatto dell'impedenza del filo di terra sul circuito digitale è molto considerevole. Se l'impedenza a 10Hz è approssimativamente considerata come resistenza DC, si può vedere che quando la frequenza raggiunge 10MHz, per un filo lungo 1 metro, la sua impedenza è da 1000 a 100,000 volte quella della resistenza DC. Quindi per la corrente RF, quando la corrente scorre attraverso il filo di terra, la caduta di tensione è grande. Si può anche vedere dalla tabella che aumentare il diametro del filo è molto efficace nel ridurre la resistenza DC, ma ha un effetto limitato sulla riduzione dell'impedenza CA. Ma nella compatibilità elettromagnetica, le persone sono preoccupate per l'impedenza CA. Al fine di ridurre l'impedenza CA, un modo efficace è quello di collegare più fili in parallelo. Quando due fili sono collegati in parallelo, the total inductance L is: L = ( L1 + M ) / 2; dove L1 è l'induttanza di un singolo filo, e M è l'induttanza reciproca tra i due fili. Si può vedere dalla formula che quando due fili sono lontani, l'induttanza reciproca tra di loro è molto piccola, e l'induttanza totale è equivalente alla metà dell'induttanza di un singolo filo. Pertanto, possiamo ridurre l'impedenza di terra attraverso più fili di terra. Ma va notato che la distanza tra più fili non può essere troppo vicina.

3. Ground wire interference mechanism
3.1 Ground loop interference
Because of the ground wire impedance, quando la corrente scorre attraverso il filo di terra, una tensione è generata sul filo di terra. Questa tensione può essere grande quando la corrente è grande. Per esempio, quando un apparecchio elettrico ad alta potenza viene avviato nelle vicinanze, una forte corrente scorrerà attraverso il filo di terra. Questa corrente crea una corrente nel cavo di collegamento tra i due dispositivi. A causa dello squilibrio del circuito, la corrente su ogni filo è diversa, così una tensione differenziale sarà generata, che influenzerà il circuito. Poiché questa interferenza è generata dalla corrente di loop formata dal cavo e dal filo di terra, diventa l'interferenza del circuito di terra. La corrente nel circuito di terra può anche essere indotta dal campo elettromagnetico esterno.

3.2 Common Impedance Interference
When two circuits share a ground wire, il potenziale di massa di un circuito sarà modulato dalla corrente di funzionamento dell'altro circuito a causa dell'impedenza del filo di massa. I segnali in tale circuito sono accoppiati in un altro circuito, e questo accoppiamento è chiamato accoppiamento di impedenza comune. Nei circuiti digitali, a causa dell'alta frequenza del segnale, il filo di massa presenta spesso una grande impedenza. In questo momento, se ci sono circuiti diversi che condividono una sezione di filo di terra, il problema dell'accoppiamento di impedenza comune può verificarsi. Assumendo che il livello di uscita del gate 1 cambi da alto a basso, 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. A causa dell'impedenza del filo di terra, La corrente di scarica sarà Una tensione di picco è generata sulla linea di terra. Se l'uscita del gate 3 è bassa in questo momento, la tensione di picco sarà trasmessa al terminale di uscita del gate 3 e al terminale di ingresso del gate 4. Se l'ampiezza di questa tensione di picco supera il rumore del cancello 4 Soglia, causerà malfunzionamento della porta 4.

4. Ground wire interference countermeasures
4.Può essere noto dal meccanismo di interferenza del ciclo di terra che l'interferenza del ciclo di terra può essere ridotta fintanto che la corrente nel ciclo di terra è ridotta. Se la corrente nel circuito di terra può essere completamente eliminata, Il problema dell'interferenza del circuito di terra può essere completamente risolto. Pertanto, Proponiamo le seguenti soluzioni per risolvere l'interferenza del circuito di terra.
1) Floating the equipment at one end If the circuit at one end is floated, l'anello di terra è tagliato, così la corrente del ciclo di terra può essere eliminata. Ma ci sono due problemi a cui bisogna prestare attenzione. Uno è che per motivi di sicurezza, il circuito spesso non è permesso galleggiare. In questo caso, considerare la messa a terra del dispositivo attraverso un induttore. In questo modo, l'impedenza di messa a terra dell'apparecchiatura di corrente CA 50Hz è molto piccola, e per il segnale di interferenza con una frequenza più elevata, l'impedenza di messa a terra dell'apparecchiatura è relativamente grande, che riduce la corrente dell'anello di terra. Ma così facendo può solo ridurre l'interferenza del loop di terra delle interferenze ad alta frequenza. Un altro problema è che anche se il dispositivo è galleggiante, c'è ancora capacità parassitaria tra il dispositivo e il terreno. Questa capacità fornisce un'impedenza inferiore alle frequenze più elevate e quindi non riduce efficacemente la corrente del loop di massa ad alta frequenza.
2) Use the transformer to realize the connection between the devices. Utilizzare il circuito magnetico per collegare i due dispositivi, che può tagliare la corrente del ciclo di terra. Tuttavia, Va notato che la capacità parassitaria tra il primario e il secondario del trasformatore può ancora fornire un percorso per la corrente ad alta frequenza del ciclo di terra, Quindi il metodo di isolamento del trasformatore ha un cattivo effetto di soppressione sulla corrente del ciclo di terra ad alta frequenza. Un modo per migliorare l'effetto di isolamento ad alta frequenza del trasformatore è quello di impostare uno strato di schermatura tra le fasi primarie e secondarie del trasformatore. Tuttavia, Va notato che l'estremità di messa a terra dello strato di schermatura del trasformatore di isolamento deve essere all'estremità ricevente del circuito. Altrimenti, Non solo non riuscirà a migliorare l'effetto di isolamento ad alta frequenza, ma anche rendere l'accoppiamento ad alta frequenza più serio. Pertanto, il trasformatore deve essere installato sul lato del dispositivo di ricezione del segnale. Un trasformatore ben schermato può fornire un isolamento efficace a frequenze inferiori a 1MHz.
3) Using an optical isolator Another way to cut off the ground loop is to use light to transmit signals. Questo può essere detto per essere una soluzione ideale al problema di interferenza del circuito di terra. Ci sono due metodi per il collegamento ottico, uno è un dispositivo optocoppiatore, e l'altro è la connessione in fibra ottica. La capacità parassitaria dell'optocoppiatore è generalmente 2pf, che può fornire un buon isolamento a frequenze molto alte. Le fibre ottiche non hanno quasi alcuna capacità parassitaria, ma sono inferiori agli optocoppiatori in termini di installazione, manutenzione, e costo.
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, in modo che la corrente del circuito di terra diminuisca sotto l'azione di una certa tensione di terra. Ma prestare attenzione a controllare la capacità parassitaria del choke di modalità comune, altrimenti l'effetto di isolamento sulle interferenze ad alta frequenza è molto scarso. I più giri della modalità comune soffocano, Maggiore è la capacità parassitaria e peggiore è l'isolamento ad alta frequenza.
4.2 Eliminate common impedance coupling
There are two ways to eliminate the common impedance coupling. Uno è quello di ridurre l'impedenza del cavo di massa comune, in modo che anche la tensione sul cavo di terra comune sia ridotta, in tal modo controlla l'accoppiamento di impedenza comune. Un altro metodo è quello di evitare il cavo di terra comune di circuiti che sono facili da interferire tra loro attraverso metodi di messa a terra appropriati. Generalmente, è necessario evitare il cavo di terra condiviso del circuito di corrente forte e del circuito di corrente debole, e il circuito digitale e il circuito analogico per condividere il filo di terra. Come accennato in precedenza, Il problema con la riduzione dell'impedenza del filo di terra è quello di ridurre l'induttanza del filo di terra. Ciò include l'uso di conduttori piatti per la messa a terra e di conduttori paralleli multipli distanziati per la messa a terra. Per circuiti stampati, La posa di una griglia del filo di terra su una scheda a doppio strato può ridurre efficacemente l'impedenza del filo di terra. Anche se uno strato è usato come filo di terra in una scheda multistrato, ha una piccola impedenza, ma aumenterà il costo del circuito stampato. . Il metodo di messa a terra per evitare l'impedenza comune da una messa a terra corretta è quello di macinare un singolo punto in parallelo. Lo svantaggio della messa a terra parallela è che ci sono troppi fili a terra. Pertanto, nella pratica, non è necessario che tutti i circuiti siano messi a terra in un unico punto in parallelo. Per circuiti con minore interferenza reciproca, La messa a terra a punto singolo in serie può essere utilizzata. Per esempio, I circuiti possono essere classificati secondo segnali forti, segnali deboli, segnali analogici, segnali digitali, ecc., e quindi utilizzare la messa a terra a punto singolo di serie all'interno di circuiti simili, e utilizzare la messa a terra parallela a un punto singolo per diversi tipi di circuiti.
5. Summary
The main reason for the electromagnetic interference caused by the ground wire is the impedance of the ground wire. Quando la corrente scorre attraverso il filo di terra, una tensione sarà generata sul filo di terra, che è il rumore del filo di terra. Spinto da questa tensione, verrà generata una corrente del circuito di terra, con conseguente interferenza del circuito di massa. L'accoppiamento di impedenza comune si verifica quando due circuiti condividono un segmento di terra. I metodi per risolvere l'interferenza del loop di terra sono di tagliare il loop di terra, aumentare l'impedenza del circuito di massa, e utilizzare un circuito bilanciato. La soluzione all'accoppiamento di impedenza comune è quella di ridurre l'impedenza del filo di terra comune, o utilizzare un collegamento a terra monopunto in parallelo per eliminare completamente l'impedenza comune su Scheda PCB.