Освоение заземления печатных плат: Основные техники для надежного дизайна цепей

Навигация:

• Что такое заземление?
• Терминология заземления
• Техники заземления печатных плат
• Что помнить при заземлении
• Убедитесь, что все подключено
• Держите ваш заземляющий слой целым
• Минимизируйте использование последовательных вьез
• Имейте общую точку заземления

Заземление — это критическая концепция для любой электронной цепи и любой системы, имеющей дело с электрическим током. Все от электрической сети до дома до печатной платы (ПП) имеет заземление. Печатные платы критичны для функционирования почти всей электроники, и каждой печатной плате нужно правильное заземление для правильной работы.

Люди используют термин заземление для описания различных концепций. В этой статье мы обсудим эти концепции, важность заземления в печатной плате и разные методы, которые можно использовать для заземления в печатной плате.

Что такое заземляющий слой печатной платы?

Заземляющий слой на печатной плате — это проводящее тело, которое действует как произвольный узел потенциального напряжения и общий возврат для электрического тока. Это точка нулевой отсчета или нулевых вольт. Заземление — это отсчет, против которого вы базируете сигнал.

В электронике заземление — это имя, данное определенной точке в цепи. В цепи с одной батареей с положительным и отрицательным терминалом, отрицательный терминал обычно называется заземлением.

Некоторые цепи имеют соединения, называемые положительным, отрицательным и заземлением. В этих случаях заземление — это средняя точка между отрицательным и положительным терминалами, измеренная в напряжении. Если напряжение девять, заземляющий слой был бы 4,5 вольт. Вы бы, однако, назвали заземление нулём, положительный терминал 4,5 вольт и отрицательный терминал -4,5 вольт. Вы можете сделать это, потому что напряжение — это измерение между двумя точками, и там все еще разница девяти между 4,5 и -4,5.

Неправильное использование техник заземления может драматично снизить производительность системы. Вы должны управлять различными аспектами заземления, включая контроль паразитных заземляющих и сигнальных напряжений возврата, которые могут ухудшить производительность. Внешнее сигнальное сцепление, общие токи и другие проблемы могут вызывать эти напряжения. Правильная трассировка и размер проводников, использование дифференциальной обработки сигналов и техник изоляции заземления помогают контролировать эти нежелательные напряжения.

Существуют также специальные соображения при работе в смешанной аналогово-цифровой среде. Заземление может помочь минимизировать шум при работе с сигналами, имеющими широкий динамический диапазон.

Терминология заземления

Существуют различные типы узлов, которые называются заземлением, включая плавающие заземления, виртуальные заземления и земляные заземления.

• Плавающие заземления: Эти узлы являются отсчетными точками в изолированной системе и не физически соединены с землей.
• Виртуальные заземления: Эти узлы могут быть найдены в цепи отрицательной обратной связи на инвертирующем входе операционного усилителя. Когда неинвертирующий вход находится при нулевых вольтах, обратная связь заставит инвертирующий терминал совпадать с ним в стабильной цепи. Значение не является стабильным возвратом для других цепей и удерживается только обратной связью.
• AC заземления: Эти узлы имеют низкоимпедансные постоянные значения. Это постоянное напряжение стабильно даже при воздействии малых помех. Из-за своего постоянного значения этот узел не может быть использован как правильное заземление, но потому что он стабилен, он может быть использован как отсчетная точка.
• Земляные заземления: В большой электрической системе земляное заземление буквально является соединением с землей. Каждый дом, например, имеет медный полюс, который вонзен в землю для отвода излишков токов.
• Шасси заземления: Электроника в печатной плате не может соединиться с физической землей, но шасси заземление служит той же цели. Это заземление — соединение провода безопасности от переменного тока сети с корпусом или шасси продукта.

Поскольку земляное заземление и шасси заземление служат одной функции, эти термины часто используются взаимозаменяемо вместе с термином защитное заземление.

Когда речь идет о заземлении печатной платы, нет единого подхода для всех. Чтобы определить лучший способ заземления системы, вам нужно понять, как текут токи внутри нее. Есть, однако, различные методы для выбора и некоторые советы лучших практик заземления, которые применяются по большинству систем. Чтобы определить подход, работающий для вашей платы, вам нужно будет убедиться, что вы понимаете дизайн платы и можете попробовать несколько техник.

Запросить бесплатную котировку

 

Техники заземления печатных плат

Существуют различные техники, которые можно использовать для заземления печатной платы. Следующие — некоторые из наиболее распространенных подходов, используемых сегодня.

1. Заземляющий слой

Одна общая техника — использовать заземляющий слой, который является большим куском меди на печатной плате. Обычно производители печатных плат покроют все области, которые не имеют компонента или дорожки на них, медным заземляющим слоем.

В двухслойной плате стандартные правила заземляющего слоя печатных плат указывают, что заземляющий слой должен быть размещен на нижнем слое платы, в то время как компоненты и сигнальные дорожки на верхнем слое.

Лучше избегать создания кольца проводящего материала, сформированного заземляющим слоем, так как это делает заземляющий слой более восприимчивым к электромагнитным интерференциям (EMI). Это проводящее кольцо действует как индуктор, и внешнее магнитное поле может вызвать электрический ток, называемый заземляющей петлей. Вы можете закончить с проводящим кольцом, если разместите заземляющий слой над всем нижним слоем, а затем удалите части, имеющие электронные компоненты. Чтобы избежать этой проблемы, делайте дорожки максимально короткими, и после их картографии поместите ваш заземляющий слой так, чтобы он проходил полностью под ними. Вам может понадобиться скорректировать компоновку дорожек и компонентов, чтобы избежать необходимости создания проводящих колец.

Заземляющий слой также часто на обеих сторонах платы. В некоторых случаях слой на стороне компонентов держится на напряжении питания, а слой на другой стороне платы заземлен. Заземляющий слой соединен с заземляющими контактами компонентов и разъемов, чтобы держать заземляющее напряжение на том же уровне через всю печатную плату.

На двухслойной печатной плате вы также можете использовать более одного заземляющего слоя. Каждый слой должен соединяться с источником питания индивидуально, чтобы держать слои разделенными и предотвратить возникновение заземляющих петель.

2. Вьезы заземляющего слоя

Если есть заземляющие слои на обеих сторонах печатной платы, они будут соединены через вьезы во многих разных местах на плате. Эти вьезы — это отверстия, которые идут через плату и соединяют две стороны друг с другом. Они позволяют вам получить доступ к заземляющему слою откуда угодно, где вы можете вписать вьез.

Использование вьез может помочь вам избежать заземляющих петель. Они соединяют компоненты непосредственно с заземляющими точками, которые соединяются через низкое импедансо ко всем другим заземляющим точкам цепи. Они также помогают держать длину петель возврата короткой.

Куски меди, такие как заземляющие слои, могут резонировать на одной четверти длины волны частоты тока, который течет в него. Размещение стыковочных вьез вокруг заземляющего слоя на конкретных интервалах может помочь контролировать это. Практическое правило большого пальца — размещать заземляющие вьезы на одной восьмой длины волны или меньше. Это работает, потому что штырек на дорожке только начинает становиться проблемой на одной восьмой длины волны.

Чтобы создать вьезы, вы сверляете маленькие отверстия через плату и проходите тонкие медные провода через них перед пайкой их на каждой стороне для формирования необходимых соединений.

3. Разъемные заземления

Все разъемы в печатной плате должны быть соединены с заземлением. В разъемах все сигнальные проводники должны идти параллельно. Из-за этого вы должны разделять разъемы, используя заземляющие контакты.

Каждая плата, вероятно, понадобится более одного разъемного контакта, ведущего к заземлению. Имея только один контакт, может вызвать проблемы с несоответствием импеданса, которые могут вызывать осцилляции. Если импеданс двух соединенных проводников не совпадает, ток, текущий между ними, может отскакивать туда-сюда. Эти осцилляции могут изменить производительность системы и заставить её не работать как задумано. Контактное сопротивление каждого контакта разъема низко, но может повышаться со временем. По этой причине идеально использовать множественные заземляющие контакты. Примерно 30-40 процентов контактов в разъеме печатной платы должны быть заземляющими контактами.

Разъемы приходят в различных шагах и могут иметь разное количество рядов контактов. Контакты разъема также могут быть параллельны поверхности печатной платы или под прямым углом к ней.

4. Развязка

Печатные платы содержат одну или более интегральных схем чипов, которым требуется питание для работы. Эти чипы имеют контакты питания для соединения их с внешним источником питания. У них также есть заземляющие контакты, которые соединяют их с заземляющим слоем печатной платы. Между контактами питания и заземления есть развязывающий конденсатор, который служит для сглаживания осцилляций в напряжении, поставляемом чипу. Противоположный конец развязывающего конденсатора соединяется с заземляющим слоем.

Одна из основных причин использования развязывающих конденсаторов связана с функциональностью. Развязывающий конденсатор может действовать как устройство хранения заряда. Когда интегральная схема (IC) требует дополнительный ток, развязывающий конденсатор может предоставить его через низкоиндуктивный путь. Из-за этого лучше размещать развязывающие конденсаторы близко к контактам питания IC.

Другая первичная цель — снизить шум, вносимый в пары слоев питания и заземления, и снизить EMI. Две основные проблемы могут вызывать этот шум. Одна — развязывающий конденсатор, который не обеспечивает адекватный ток, приводящий к временному снижению напряжения на контакте питания IC. Другая — намеренный ток, посланный между слоями питания и заземления с использованием вьеза с быстрокоммутируемым сигналом.

Вы должны выбирать размещение и количество развязывающих конденсаторов для дизайна на основе их двух функциональностей. Часто распределение конденсаторов по всей плате — лучший подход — попробуйте разместить некоторые рядом с заземляющими и контактами питания IC для использования. Использование наивысшего значения емкости также рекомендуется, и лучше держать все конденсаторы при одном значении. Вы также можете захотеть использовать комбинацию высокого эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) и обычных конденсаторов.

Правила заземления печатных плат, которые нужно помнить

Заземление — важная часть любого дизайна печатной платы. Все дизайны печатных плат должны следовать определенным практикам заземления. Вот несколько советов для запоминания при заземлении.

1. Убедитесь, что все подключено

Убедитесь, что ничего в вашей компоновке печатной платы не остается неподключенным. Рекомендуется заполнить любое открытое пространство медью и вьезами, которые соединяются с вашей заземляющей пластиной. Делая так, вы обеспечиваете, что есть структурированный путь, позволяющий всем вашим сигналам эффективно попасть к заземлению.

2. Держите ваш заземляющий слой целым

Если у вас есть выделенный заземляющий слой, как у многих четырехслойных плат, убедитесь, что на нем нет дорожек трассировки. Разделение вашего заземляющего слоя добавлением дорожек трассировки создает заземляющую петлю тока. Вместо этого убедитесь, что заземляющий слой остается целым.

3. Имейте общую точку заземления

Каждая печатная плата должна иметь одну точку, где все заземления сходятся. Часто это металлическая рама или шасси продукта. Это также может быть выделенный слой платы. Эта единственная точка часто называется звездным заземлением, потому что различные проводники расходятся от этого места в узоре, который немного напоминает звезду. В смешанных сигнальных применениях может быть отдельные аналоговые и цифровые источники питания, имеющие отдельные аналоговые и цифровые заземления, которые встречаются в звездной точке.

4. Минимизируйте использование последовательных вьез

Лучше минимизировать количество вьез вдоль ваших заземляющих путей и отправлять заземления компонентов как можно более непосредственно к заземляющему слою. Добавление дополнительных вьез к плате создает дополнительное импедансо. Это соображение особенно критично для быстрых переходных токов, которые могут заставить импедансный путь стать напряженным дифференциалом.

5. Проектируйте заземление перед трассировкой

Заземление должно быть спроектировано перед любой трассировкой. Заземление — это основа для процесса трассировки, поэтому критически важно спроектировать заземление правильно. Если заземление спроектировано плохо, все устройство под риском, в то время как это не случай, если один сигнал не работает как ожидается.

6. Понимайте, как ваши токи текут

Понимание того, куда идут токи на плате, может помочь обеспечить правильное заземление. Необходимо учитывать, куда сигнал идет, а также путь возврата, который он примет. Путь отправки и возврата сигнала имеют тот же ток, и это может влиять на заземляющий отскок и стабильность питания.

7. Готовьтесь к динамическому отклонению между заземлениями

В многослойной системе, при отправке заземляющих соединений между платами, важно планировать динамическое отклонение. Это особенно критично при работе с применениями, требующими длинных кабелей. Оптические изоляторы, дифференциальные сигналы низкого напряжения и общие катушки могут помочь держать отклонение под контролем.

8. Держите в уме соображения смешанных сигналов

При работе с аналоговыми и цифровыми сигналами вместе, вы должны быть осторожны в своем планировании. Аналоговые части платы должны быть изолированы, включая аналого-цифровые преобразователи (ADC) и цифро-аналоговые преобразователи. Вы можете связать заземление ADC обратно к общей точке заземления, где вы можете передать цифровые сигналы в другие секции печатной платы.

Партнерство с Millennium Circuits Limited для ваших потребностей в печатных платах

Правильное заземление — критическое соображение для всех печатных плат. Часто существует путаница вокруг этой концепции, и реализация может быть сложной. Обеспечение того, что вы понимаете поток тока в вашем дизайне, и применение некоторых из практик и техник, описанных в этой статье, может помочь.

Партнерство с опытным поставщиком печатных плат, как Millennium Circuits, может помочь также. Мы можем помочь обеспечить, что вы получаете печатные платы, использующие правильные техники заземления для ваших применений. Свяжитесь с нами с любыми вопросами или для помощи в нахождении идеальных печатных плат для вашего следующего проекта. Запросите быструю котировку, чтобы начать сегодня.

 

Запросить бесплатную котировку