Präzisions-Leiterplattenherstellung, Hochfrequenz-Leiterplatten, mehrschichtige Leiterplatten und Leiterplattenbestückung.
PCB-Blog
Störung und Unterdrückung von PCB-Erdungsdraht
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Störung und Unterdrückung von PCB-Erdungsdraht

2022-02-24
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Author:pcb

In Leiterplatte Design, besonders in Hochfrequenzschaltungen, Einige unregelmäßige und abnormale Phänomene, die durch Erdungsdrahtstörungen verursacht werden, werden häufig angetroffen. Diese Arbeit analysiert die Ursachen von Massedraht Interferenzen, Einführung von drei Arten von Massedraht-Interferenzen im Detail, und schlägt Lösungen auf der Grundlage praktischer Erfahrungen vor. Diese Anti-Stau-Methoden haben gute Ergebnisse in praktischen Anwendungen erzielt, Ermöglichung eines erfolgreichen Betriebs einiger Systeme im Feld. Im Ein-Chip-Mikrocomputersystem, die Leiterplatte (printed circuit board) is an important component used to support circuit components and provide electrical connections between circuit components and devices. Es muss eine bestimmte Impedanz im Leitungsprozess geben. Die Induktivitätskomponente im Draht beeinflusst die Übertragung des Spannungssignals, und die Widerstandskomponente beeinflusst die Übertragung des Stromsignals. Der Einfluss der Induktivität ist in der Hochfrequenzleitung besonders gravierend. Die Auswirkungen der Erdimpedanz müssen notiert und beseitigt werden.

Leiterplatten


1. The reason for the interference
Resistance and impedance are two different concepts. Widerstand bezieht sich auf die Impedanz des Drahtes zum Strom im DC-Zustand, und Impedanz bezieht sich auf den Widerstand des Drahtes zum Strom im AC-Zustand, die hauptsächlich durch die Induktivität des Drahtes verursacht wird. Da der Erdungskabel immer Impedanz hat, bei der Messung des Massedrahts mit einem Multimeter, der Widerstand des Erdungskabels ist im Allgemeinen mmΩ. Nehmen Sie ein Stück Draht mit einer Länge von 10 cm, eine Breite von 1.5 mm und eine Dicke von 50 μm auf der Leiterplatte als Beispiel, die Impedanz kann durch Berechnung ermittelt werden. R=L/s(Ω), where L is the length of the wire (m), s is the cross-sectional area of the wire (mm2), und ρ ist der Widerstand ρ=0.02, so ist der Widerstandswert des Drahtes etwa 0.026 Ω. Wenn ein Stück Draht weit weg von anderen Drähten ist und seine Länge viel größer als seine Breite ist, die Selbstinduktivität des Drahtes ist 0.8 μH/m, dann ist die Induktivität eines 10 cm langen Drahtes 0.08 μH. Berechnen Sie dann die induktive Reaktanz des Drahtes nach folgender Formel: XL=2πfL, in der folgenden Formel, f is the frequency (Hz) of the signal passing through the wire, and L is the self-inductance of the wire per unit length (H). Daher, Die induktiven Reaktanzwerte des Drahtes bei Niederfrequenz und Hochfrequenz werden jeweils berechnet: im Istkreis, Das Signal, das elektromagnetische Störungen verursacht, ist oft das Impulssignal, und das Impulssignal enthält reiche Hochfrequenzkomponenten, so wird es eine große Menge an Rauschen auf dem Erdungskabel erzeugen. Spannung. Aus der obigen Formelberechnung kann ersichtlich werden, dass der Drahtwiderstand bei der niederfrequenten Signalübertragung größer ist als die Drahtinduktivität. Für digitale Schaltungen, die Betriebsfrequenz der Schaltung ist sehr hoch, und die Drahtinduktivität ist viel größer als der Drahtwiderstand in Hochfrequenzsignalen. Daher, Der Einfluss der Erdimpedanz auf digitale Schaltungen ist sehr beträchtlich. Deshalb tritt ein großer Spannungsabfall auf, wenn Strom durch einen kleinen Widerstand fließt, die Schaltung abnormal funktioniert.

2. Ground wire interference mechanism
2.1 Ground loop interference
Ground loop interference is a relatively common interference phenomenon that often occurs between devices that are connected by long cables and are far apart. Der Hauptgrund für die elektromagnetischen Störungen, die durch den Erdungskabel verursacht werden, ist die Impedanz des Erdungskabels. Wenn der Strom durch den Erdungskabel fließt, Eine Spannung wird auf dem Erdungskabel erzeugt, das ist das Rauschen des Erdungskabels. Angetrieben von dieser Spannung, wird ein Erdschleifenstrom erzeugt, zur Störung der Erdschleife. Masseschleifenstörung: Aufgrund der unterschiedlichen Massepotenziale der beiden Geräte, eine Erdungsspannung gebildet wird. Angetrieben von dieser Spannung, Strom fließt zwischen der Schleife gebildet durch "Vorrichtung 1, Verbindungskabel, Gerät 2, und Boden". Aufgrund der Unwucht der Schaltung, der Strom auf jedem Draht ist unterschiedlich, so wird eine Differenzspannung erzeugt, die die Schaltung stören. Da die Erdschleifeninterferenz durch den Erdschleifenstrom verursacht wird, Es wird manchmal festgestellt, dass wenn der Erdungskabel eines Geräts getrennt wird, das Interferenzphänomen verschwindet, weil die Erdungsschleife abgeschnitten wird, wenn der Erdungskabel getrennt wird. Dieses Phänomen tritt häufig bei niederfrequenten Störungen auf. Wenn die Störfrequenz hoch ist, Es spielt keine Rolle, ob das Erdungskabel getrennt ist oder nicht.
2.2 Common Impedance Interference
In digital circuits, aufgrund der hohen Frequenz des Signals, Der Erdungskabel weist oft eine große Impedanz auf. Zur Zeit, wenn mehrere Schaltungen einen Abschnitt des Erdungskabels teilen, aufgrund der Impedanz des Erdungskabels, Das Massepotenzial einer Schaltung wird durch den Betriebsstrom der anderen Schaltung moduliert, so dass das Signal in einer Schaltung in eine andere Schaltung gekoppelt wird, Diese Kupplung nennt man gemeinsame Impedanzkupplung. Das Verfahren zur Lösung der gemeinsamen Impedanzkupplung besteht darin, die Impedanz des gemeinsamen Erdungsdrahts zu reduzieren, oder verwenden Sie eine Einpunkt-Erdung, um die gemeinsame Impedanz vollständig zu beseitigen, das ist eine Art Interferenzphänomen. Abbildung 2 ist eine einfache Schaltung mit vier Toren. Vorausgesetzt, dass sich der Ausgangspegel von Gate 1 von hoch nach niedrig ändert, 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. Aufgrund der Impedanz des Erdungskabels, Der Entladestrom wird eine Spitzenspannung auf der Erdungsleitung erzeugt. Wenn der Ausgang von Gate 3 zu diesem Zeitpunkt niedrig ist, Die Spitzenspannung wird an die Ausgangsklemme von Gate 3 und die Eingangsklemme von Gate 4 übertragen. Wenn die Amplitude dieser Spitzenspannung das Rauschen des Gate 4 Schwelle überschreitet, es wird Fehlfunktion der Tür 4 verursachen.
2.3 Ground loop electromagnetic coupling interference
The "ground loop" will surround a certain area. Nach dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion, wenn sich in dem von der Schleife umgebenen Bereich ein Magnetfeld ändert, Ein induzierter Strom wird in der Schleife erzeugt, Störung verursachen. Die Veränderungen des Weltraummagnetfeldes sind überall, je größer die geschlossene Fläche, je schwerwiegender die Störung.

3. Methods to solve the ground wire interference
3.1 Solve the ground loop interference
There are three basic ideas to solve the ground loop interference: one is to reduce the impedance of the ground wire, dadurch die Störspannung reduziert, aber dies hat keinen Einfluss auf die Erdschleifeninterferenz verursacht durch den zweiten Grund. Die zweite Methode besteht darin, die Erdungsstruktur zu ändern, Verbinden Sie den Erdungskabel eines Chassis mit einem anderen Chassis, und durch das andere Chassis geschliffen, das Konzept der Einpunkt-Erdung ist. Die dritte ist, die Impedanz der Erdschleife zu erhöhen, dadurch den Erdschleifenstrom reduzieren. Wenn die Impedanz unendlich ist, die Erdschleife ist tatsächlich abgeschnitten, das ist, die Erdschleife wird eliminiert. Daher, Die folgenden Lösungen werden vorgeschlagen, um die Erdschleifeninterferenz zu lösen.
1) Float the device on one side
If one side of the circuit is left floating, die Erdschleife ist abgeschnitten, so eliminiert der Masseschleifenstrom. Aber es gibt zwei Themen, die Aufmerksamkeit erfordern. Erstens: Aus Sicherheitsgründen, der Stromkreis darf nicht schwimmen. In diesem Fall, Erwägen Sie die Erdung des Geräts durch eine Induktion. Auf diese Weise, Die Erdungsimpedanz der 50-Hz-Wechselstromgeräte ist sehr klein, und für das Störsignal mit einer höheren Frequenz, die Erdungsimpedanz der Ausrüstung ist groß, die den Erdungsschleifenstrom reduziert. Aber dies kann nur die Erdschleifeninterferenz von Hochfrequenzstörungen reduzieren. Ein weiteres Problem ist, dass obwohl das Gerät schwebt, Es gibt noch parasitäre Kapazität zwischen Gerät und Masse. Diese Kapazität bietet eine niedrigere Impedanz bei höheren Frequenzen und reduziert daher nicht effektiv den hochfrequenten Masseschleifenstrom.
2) Use a transformer
The basic method to solve the ground loop interference is to cut off the ground loop. Zu diesem Zweck wird ein Trenntransformator verwendet, und die Signalübertragung zwischen den beiden Geräten erfolgt durch Magnetfeldkopplung, Vermeidung des direkten elektrischen Anschlusses. Zur Zeit, Die Störspannung auf dem Erdungskabel erscheint zwischen der Primär- und Sekundärstufe des Transformators, nicht am Eingangsende der Schaltung. Eine Möglichkeit, den Hochfrequenz-Isolationseffekt des Transformators zu verbessern, besteht darin, eine Abschirmschicht zwischen der Primär- und Sekundärstufe des Transformators aufzubauen. Allerdings, Es ist zu beachten, dass das Erdungsende der Abschirmschicht des Isolationstransformators am Empfangsende der Schaltung sein muss. Ansonsten, Es wird nicht nur scheitern, den hochfrequenten Isolationseffekt zu verbessern, aber auch die Hochfrequenzkupplung ernster machen. Daher, Der Transformator sollte seitlich am Signalempfangsgerät installiert werden. Die Transformatortrennungsmethode hat einige Nachteile, es kann DC nicht übertragen, es ist sperrig, und die Kosten sind hoch. Aufgrund der parasitären Kapazität zwischen Primär und Sekundär des Transformators, der Isolationseffekt bei hohen Frequenzen ist nicht sehr gut.
3) Use Optical Isolation Elements
Transmitting signals with light is an ideal solution to ground loop problems. Wie in Abbildung 3 gezeigt, Die parasitäre Kapazität des Optokopplergeräts beträgt etwa 2 pF, so kann es bei sehr hohen Frequenzen isoliert werden. Wenn eine Glasfaser verwendet wird, es gibt kein Problem der parasitären Kapazität, und ein sehr perfekter Isolationseffekt erzielt werden kann. Allerdings, die Verwendung von optischen Fasern wird andere Probleme bringen, wie: die Notwendigkeit einer größeren Macht, Bedarf an mehr Peripheriegeräten, Linearität und Dynamikbereich optischer Verbindungen können die Anforderungen analoger Signale nicht erfüllen, und die Installation und Wartung von optischen Kabeln sind komplizierter. Bei Verwendung, pay attention to the use of optical isolation components
4) Use a common mode choke
The ground wire voltage is actually a common mode voltage, und der Strom, der im Kabel fließt, ist der Gleichtaktstrom, der durch diese Spannung angetrieben wird. Die Verwendung einer Gleichtaktdrossel am Anschlusskabel entspricht einer Erhöhung der Impedanz der Masseschleife, so dass der Erdungsschleifenstrom unter Einwirkung einer bestimmten Erdungsspannung reduziert wird. Aber achten Sie darauf, die parasitäre Kapazität der Gleichtaktdrossel zu steuern, ansonsten ist der Isolationseffekt bei Hochfrequenzstörungen sehr schlecht. Je mehr Drehungen der Gleichtaktdrossel, Je größer die parasitäre Kapazität und desto schlechter die Hochfrequenz-Isolation.
5) Suppression of ground loop interference by balanced circuit
A balanced circuit is defined as two conductors and the circuit they connect to have the same impedance with respect to a ground wire or other reference object. Es ist sehr schwierig, bei hoher Frequenz auszugleichen, und die tatsächliche Schaltung wird viele parasitäre Faktoren haben, wie parasitäre Kapazität, Induktivität und so weiter. Diese Parameter spielen eine größere Rolle bei der Schaltungsimpedanz bei höheren Frequenzen. Aufgrund der Unsicherheit dieser parasitären Parameter, die Impedanz der Schaltung ist auch ungewiss, Daher ist es schwierig zu garantieren, dass die Impedanz der beiden Leiter genau gleich ist. Daher, bei hohen Frequenzen, die Kreislaufbilanz ist oft schlecht, was bedeutet, dass die symmetrische Schaltung einen schlechten Unterdrückungseffekt auf die Erdschleifenstrominterferenz mit höheren Frequenzen hat.

3.2 Eliminate common impedance coupling
There are two ways to eliminate the common impedance coupling. Eine ist, die Impedanz des gemeinsamen Erdungsdrahts zu reduzieren, so dass auch die Spannung am gemeinsamen Erdungskabel reduziert wird, dadurch die gemeinsame Impedanzkupplung steuern. Eine andere Methode besteht darin, den gemeinsamen Erdungskabel von Schaltungen zu vermeiden, die anfällig für gegenseitige Störungen sind, durch geeignete Erdungsmethoden. Allgemein, Es ist notwendig, den gemeinsamen Erdungskabel von Starkstromkreisen und Schwachstromkreisen zu vermeiden, und der gemeinsame Erdungskabel von digitalen Schaltungen und analogen Schaltungen. Der Nachteil der Parallelerdung ist, dass zu viele Drähte geerdet werden müssen. Daher, in der Praxis, Es ist nicht notwendig, dass alle Schaltungen parallel an einem einzigen Punkt geerdet werden. Für Schaltungen mit weniger gegenseitigen Störungen, Ein-Punkt-Erdung in Serie kann verwendet werden. Zum Beispiel, Schaltungen können nach starken Signalen klassifiziert werden, schwache Signale, analoge Signale, digitale Signale, etc., und dann Reihen-Einpunkt-Erdung innerhalb ähnlicher Schaltungen verwenden, wie in Abbildung 4 dargestellt, und verschiedene Arten von Schaltungen verwenden parallele Einpunkt-Erdung, wie in Abbildung 5 gezeigt. Wenn die Signalfrequenz niedriger als 1 MHz ist, Ein Ein-Punkt-Erdungsverfahren kann verwendet werden, um zu verhindern, dass es eine Schleife bildet. Wenn die Signalfrequenz höher als 10 MHz ist, Verwenden Sie Mehrpunkt-Erdung, um die Erdungsdraht-Impedanz so weit wie möglich zu reduzieren. Die Stromleitung und die Erdungsleitung sollten so nah wie möglich an den Leiterbahnen sein, um den geschlossenen Schleifenbereich zu reduzieren, Dadurch wird die elektrische Feldstörung durch das externe Magnetfeld auf den Schleifenschnitt reduziert, und auch die Verringerung der externen elektromagnetischen Strahlung der Schleife. Wie bereits erwähnt, Das Problem mit der Verringerung der Impedanz des Erdungskabels besteht darin, die Induktivität des Erdungskabels zu verringern. Sie können einen flachen Leiter als Erdungskabel verwenden, oder verwenden Sie mehrere parallele Leiter, die weit voneinander entfernt sind als Massedraht. Für die Leiterplatte, Das Verlegen des Erdungskabelgitters auf der Doppelschichtplatte kann die Erdungskabelimpedanz effektiv reduzieren. In der Mehrschichtplatte, Eine spezielle Schicht kann als Massedraht verwendet werden, um die Impedanz zu reduzieren.

4. Conclusion
Anti-interference design is an important part of single-chip system design, und die Qualität seines Designs bestimmt oft den Erfolg oder Misserfolg des gesamten Systems. Zur Erdung, viele Monographien zur elektromagnetischen Verträglichkeit haben ausführliche Diskussionen geführt. Allerdings, Die Erdungsmethode sollte durch Experimente ausgewählt werden, und die Massedraht-Interferenz sollte auch durch Experimente gefunden und beseitigt werden. Dieses Papier stellt die Gründe und Lösungen für die Interferenz vor, die durch den Erdungskabel verursacht werden, und erklärt die allgemeinen Methoden und Prinzipien bei der Auslegung des Erdungskabels. Nur unter der Leitung der Theorie, nach viel Testprozess und Erfahrungsakkumulation, Können wir die Entwurfsmethode des Erdungssystems besser erfassen und Störbeseitigungsmittel, um die Zuverlässigkeit der Leiterplatten Arbeit.