Руководство по методам заземления печатных плат

Перейти к:

• Что такое земля?
• Основная терминология
• Методы заземления печатных плат
• Что нужно помнить при заземлении
• Убедитесь, что все прикреплено
• Сохраняйте основной слой в целости
• Сведите к минимуму использование последовательных переходных отверстий.
• Имейте общее мнение

Заземление является важной концепцией для любой электронной схемы и любой системы, имеющей дело с электрическим током. Все, от электросети до дома и печатной платы (PCB), имеет заземление. Печатные платы имеют решающее значение для функционирования почти всей электроники, и каждая печатная плата требует надлежащего заземления для правильной работы.

Люди используют термин «земля» для описания различных понятий. В этой статье мы обсудим эти концепции, важность заземления на печатной плате и различные методы, которые можно использовать для заземления на печатной плате.

Что такое заземляющий слой печатной платы?

Заземляющий слой на печатной плате представляет собой проводящее тело, выполняющее роль произвольного узла потенциального напряжения и общего возврата электрического тока. Это точка отсчета нуля или нуля вольт. Земля — это точка отсчета, относительно которой вы основываете сигнал.

В электронике земля — это название, данное определенной точке цепи. В цепи с одной батареей с положительной и отрицательной клеммой отрицательная клемма обычно называется землей.

Некоторые цепи имеют соединения, называемые положительным, отрицательным и заземлением. В этих случаях земля является средней точкой между отрицательной и положительной клеммами, измеряемой по напряжению. Если напряжение равно девяти, на заземляющем слое будет 4,5 вольта. Однако вы бы назвали нулевой уровень, положительную клемму 4,5 вольта и отрицательную клемму -4,5 вольта. Вы можете сделать это, потому что напряжение измеряется между двумя точками, а разница между 4,5 и -4,5 по-прежнему составляет девять.

Неправильное использование методов заземления может резко снизить производительность системы. Вы должны управлять различными аспектами заземления, включая контроль паразитного заземления и обратного напряжения сигнала, которые могут ухудшить производительность. Появление внешних сигналов, общие токи и другие факторы могут вызывать эти напряжения. Правильная прокладка и сечение проводников, использование дифференциальной обработки сигналов и использование методов изоляции заземления помогают контролировать эти нежелательные напряжения.

Существуют также особые соображения при работе в аналогово-цифровой среде со смешанными сигналами. Заземление может помочь минимизировать шум при работе с сигналами с широким динамическим диапазоном.

Терминология заземления

Существуют различные типы узлов, которые называются площадками, включая плавающие площадки, виртуальные площадки и земли.

• Плавающие основания: Эти узлы являются опорными точками в изолированной системе и физически не связаны с землей.
• Виртуальные площадки: Эти узлы можно найти в цепи отрицательной обратной связи на инвертирующем выводе операционного усилителя. Когда неинвертирующий вход имеет нулевое напряжение, обратная связь заставит инвертирующую клемму соответствовать ему в стабильной цепи. Это значение не является стабильным для других цепей и поддерживается только обратной связью.
• Основания AC: Эти узлы имеют низкоимпедансные значения постоянного тока. Это постоянное напряжение стабильно даже при небольших помехах. Из-за значения постоянного тока этот узел нельзя использовать в качестве надлежащего заземления, но поскольку он стабилен, его можно использовать в качестве контрольной точки.
• Земля: В большой электрической системе заземление буквально является соединением с землей. В каждом доме, например, есть медный столб, воткнутый в землю для отвода избыточных токов.
• Площадка шасси: Электроника на печатной плате не может подключаться к физическому заземлению, но заземление шасси служит той же цели. Это заземление — это соединение контровочной проволоки от сети переменного тока к корпусу или шасси продукта.

Поскольку заземление и заземление корпуса выполняют одну и ту же функцию, эти термины часто используются взаимозаменяемо вместе с термином защитное заземление.

Когда дело доходит до заземления печатной платы, не существует универсального подхода. Чтобы определить наилучший способ заземления системы, вам необходимо понять, как в ней протекают токи. Однако существуют различные методы на выбор и несколько советов по передовым методам заземления, применимым к большинству систем. Чтобы определить, какой подход подходит для вашей доски, вам нужно убедиться, что вы понимаете структуру доски, и, возможно, вам придется попробовать несколько методов.

Запросить бесплатное предложение

Методы заземления печатных плат

Существуют различные методы, которые можно использовать для заземления печатной платы. Ниже приведены некоторые из наиболее распространенных подходов, используемых сегодня.

1. Наземная плоскость

Одним из распространенных методов является использование заземляющего слоя, который представляет собой большой кусок меди на печатной плате. Как правило, производители печатных плат покрывают все области, на которых нет компонентов или трасс, медным заземляющим слоем.

В двухслойной плате стандартные правила заземления печатной платы указывают, что заземление должно быть размещено на нижнем слое платы, а компоненты и сигнальные дорожки — на верхнем слое.

Лучше избегать создания кольца из проводящего материала, образованного плоскостью заземления, так как это делает плоскость заземления более восприимчивой к электромагнитным помехам (ЭМП). Это токопроводящее кольцо действует как индуктор, а внешнее магнитное поле может вызывать электрический ток, называемый контуром заземления. Вы можете получить токопроводящее кольцо, если поместите заземляющую пластину по всему нижнему слою, а затем удалите части, содержащие электронные компоненты. Чтобы избежать этой проблемы, делайте трассы как можно короче, а после их отображения поместите заземляющую плоскость так, чтобы она полностью проходила под ними. Возможно, вам придется изменить расположение дорожек и компонентов, чтобы избежать создания токопроводящих колец.

Плоскость заземления также часто находится на обеих сторонах платы. В некоторых случаях плоскость со стороны компонентов остается под напряжением питания, а плоскость с другой стороны платы заземляется. Плата заземления подключается к контактам заземления компонентов и разъемов, чтобы поддерживать напряжение заземления на одном уровне по всей печатной плате.

На двухслойной печатной плате вы также можете использовать более одной заземляющей пластины. Каждая плоскость должна подключаться к источнику питания отдельно, чтобы обеспечить разделение плоскостей и предотвратить возникновение контуров заземления.

2. Плоскость заземления переходных отверстий

Если на обеих сторонах печатной платы есть заземляющие пластины, они будут соединены через переходные отверстия во многих разных местах на плате. Эти переходные отверстия представляют собой отверстия, которые проходят через плату и соединяют две стороны друг с другом. Они позволяют вам получить доступ к заземляющей пластине из любого места, которое может поместиться в переходном отверстии.

Использование переходных отверстий может помочь вам избежать контуров заземления. Они соединяют компоненты непосредственно с точками заземления, которые через низкий импеданс соединяются со всеми другими точками заземления схемы. Они также помогают сократить длину циклов возврата.

Кусочки меди, такие как заземляющие пластины, могут резонировать на одной четверти длины волны частоты тока, протекающего через них. Сшивание переходных отверстий вокруг плоскости заземления через определенные промежутки времени может помочь контролировать это. Практическим правилом является размещение переходных отверстий заземления на уровне одной восьмой длины волны или меньше. Это работает, потому что заглушка на трассе начинает становиться проблемой только на одной восьмой длины волны.

Чтобы создать переходные отверстия, вы просверливаете в плате небольшие отверстия и пропускаете через них тонкие медные провода, а затем припаиваете их с каждой стороны, чтобы сформировать необходимые соединения.

3. Заземление разъема

Все разъемы на печатной плате должны быть заземлены. В разъемах все сигнальные проводники должны идти параллельно. По этой причине вы должны разделять разъемы с помощью заземляющих контактов.

Каждой плате, скорее всего, потребуется более одного контакта разъема, ведущего к земле. Наличие только одного контакта может вызвать проблемы с несоответствием импеданса, что может вызвать колебания. Если импеданс двух соединенных проводников не совпадает, ток, протекающий между ними, может отражаться взад и вперед. Эти колебания могут изменить производительность системы и привести к тому, что она не будет работать должным образом. Контактное сопротивление каждого контакта разъема низкое, но со временем может увеличиваться. По этой причине идеально использовать несколько заземляющих контактов. Приблизительно от 30 до 40 процентов контактов в разъеме для печатной платы должны быть контактами заземления.

Разъемы бывают разного шага и могут иметь разное количество рядов контактов. Выводы разъема также могут располагаться параллельно поверхности печатной платы или под прямым углом к ​​ней.

4. Разделение

Печатные платы содержат одну или несколько интегральных микросхем, для работы которых требуется питание. Эти микросхемы имеют контакты питания для подключения к внешнему источнику питания. У них также есть заземляющие контакты, которые соединяют их с заземляющим слоем печатной платы. Между выводами питания и земли находится развязывающий конденсатор, служащий для сглаживания колебаний напряжения, подаваемого на микросхему. Противоположный конец развязывающего конденсатора подключается к заземляющему экрану.

Одна из основных причин использования развязывающих конденсаторов связана с функциональностью. Развязывающий конденсатор может действовать как устройство накопления заряда. Когда интегральной схеме (ИС) требуется дополнительный ток, развязывающий конденсатор может обеспечить его через цепь с низкой индуктивностью. По этой причине лучше всего размещать развязывающие конденсаторы рядом с выводами питания микросхемы.

Другой основной целью является снижение шума, создаваемого парами слоев питания и заземления, и уменьшение электромагнитных помех. Этот шум может быть вызван двумя основными причинами. Одним из них является развязывающий конденсатор, который не обеспечивает адекватный ток, что приводит к временному снижению напряжения на выводе питания микросхемы. Другой представляет собой преднамеренный ток, пропущенный между слоями питания и заземления с использованием переходного отверстия с быстро переключающимся сигналом.

Вы должны выбрать размещение и количество развязывающих конденсаторов для проекта, исходя из их двух функциональных возможностей. Часто распределение конденсаторов по всей плате является лучшим подходом — попробуйте разместить некоторые из них рядом с заземлением микросхемы и выводами питания. Также рекомендуется использовать максимальное значение емкости, и лучше всего, чтобы все конденсаторы имели одинаковое значение. Вы также можете использовать комбинацию высокого эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) и обычных конденсаторов.

Правила заземления печатных плат, которые следует помнить

Заземление является неотъемлемой частью любой конструкции печатной платы. Все конструкции печатных плат должны соответствовать определенным правилам заземления. Вот несколько советов, которые следует помнить при заземлении.

1. Убедитесь, что все подключено

Убедитесь, что на вашей печатной плате ничего не прикреплено. Желательно заполнить любое открытое пространство медью и переходными отверстиями, которые соединяются с заземляющей пластиной. Поступая таким образом, вы гарантируете, что существует структурированный путь, который позволит всем вашим сигналам эффективно дойти до земли.

2. Держите свой первый слой в целости

Если у вас есть выделенный наземный слой, как на многих четырехслойных платах, убедитесь, что на нем нет следов маршрута. Разделение вашего наземного слоя путем добавления трассировки маршрута создает петлю тока заземления. Вместо этого убедитесь, что слой земли остается целым.

3. Имейте общую точку зрения

Каждая печатная плата должна иметь единую точку, в которой сходятся все земли. Зачастую это металлический каркас или шасси изделия. Это также может быть выделенный слой платы. Эту единственную точку часто называют заземлением звезды, потому что различные проводники отходят от этого места по образцу, который чем-то напоминает звезду. В приложениях со смешанными сигналами могут быть отдельные аналоговые и цифровые источники питания с отдельными аналоговым и цифровым заземлением, которые пересекаются в точке звезды.

4. Сведите к минимуму использование последовательных переходных отверстий

Лучше всего свести к минимуму количество переходных отверстий на путях заземления и направить заземление компонента как можно непосредственно на заземляющий слой. Добавление дополнительных переходных отверстий на плату создает дополнительный импеданс. Это соображение особенно важно для быстрых переходных токов, которые могут привести к тому, что путь импеданса станет дифференциальным напряжением.

5. Проектирование заземления перед трассировкой

Земля должна быть спроектирована до любой маршрутизации. Земля является основой для процесса трассировки, поэтому очень важно правильно спроектировать землю. Если заземление спроектировано плохо, риску подвергается все устройство, в то время как это не так, если один сигнал не работает должным образом.

6. Поймите, как текут ваши потоки

Понимание того, где проходят токи на плате, может помочь обеспечить правильное заземление. Важно учитывать, куда идет сигнал, а также обратный путь, по которому он пойдет. Пути отправки и возврата сигнала имеют одинаковый ток, что может повлиять на скачки заземления и стабильность питания.

7. Подготовьтесь к динамической разнице между площадками

В системе с несколькими платами при отправке заземляющих соединений между платами важно учитывать динамическую дисперсию. Это особенно важно при работе с приложениями, требующими использования кабелей большой протяженности. Оптические изоляторы, низковольтные дифференциальные сигналы и синфазные дроссели помогают держать дисперсию под контролем.

8. Помните о смешанных сигналах

Имея дело с аналоговыми и цифровыми сигналами вместе, вы должны быть осторожны при планировании. Аналоговые части платы должны быть изолированы, включая аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи. Вы можете связать землю АЦП с общей точкой заземления, через которую можно передавать цифровые сигналы на другие участки печатной платы.

Партнерство с Millennium Circuits Limited для удовлетворения ваших потребностей в печатных платах

Надлежащее заземление является важным фактором для всех печатных плат. Вокруг этой концепции часто возникает путаница, и ее реализация может быть затруднена. Убедитесь, что вы понимаете поток тока в своем проекте, и примените некоторые приемы и приемы, описанные в этой статье.

Партнерство с опытным поставщиком печатных плат, таким как Millennium Circuits, также может помочь. Мы можем помочь гарантировать, что вы получите печатные платы, в которых используются надлежащие методы заземления для ваших приложений. Свяжитесь с нами, если у вас есть вопросы или если вам нужна помощь в поиске идеальных печатных плат для вашего следующего проекта. Запросите быструю смету, чтобы начать сегодня.

Запросить бесплатное предложение