Leiterplatte Blog - Analyse- und Unterdrückungsmethode der Erdungsdraht-Interferenz in der Leiterplattenverdrahtung

1. Definition of ground wire
What is a ground wire on Leiterplatte? Die Definition von Erdungskabel, die jeder in Lehrbüchern lernt, lautet: Der Erdungskabel ist ein Potenzialäquivalentkörper, der als Bezugspunkt des Schaltungspotenzials dient. Diese Definition entspricht nicht der tatsächlichen Situation. Das Potential auf dem eigentlichen Erdungskabel ist nicht konstant. Wenn Sie ein Messgerät verwenden, um das Potenzial zwischen den Punkten auf der Grundlinie zu messen, Sie werden feststellen, dass das Potenzial jedes Punktes auf der Grundlinie stark variieren kann. Es sind diese Potentialunterschiede, die den abnormalen Betrieb des Schaltkreises verursachen. Die Definition eines Schaltkreises als gleichpotentialkörper ist nur die Erwartung des Erdpotentials. HENRY gab eine realistischere Definition des Erdungskabels, Er definierte den Erdungskabel als: den niederohmigen Pfad für den Rückfluss des Signals zur Quelle. Der Stromfluss im Erdungskabel wird in dieser Definition hervorgehoben. Nach dieser Definition, Es ist leicht, die Ursache des Potenzialunterschieds im Erdungskabel zu verstehen. Weil die Impedanz des Erdungskabels nie Null ist, wenn ein Strom durch eine endliche Impedanz fließt, ein Spannungsabfall tritt auf. Daher, Wir sollten uns vorstellen, dass das Potential auf dem Erddraht wie Wellen im Meer ist, einer nach dem anderen.

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, Viele Menschen finden es undenkbar: wenn wir den Widerstand des Erdungsdrahtes mit einem Ohmmeter messen, Der Widerstand des Erdungsdrahtes liegt oft auf Milliohm-Niveau, Wie kann ein solcher großer Spannungsabfall auftreten, wenn der Strom durch einen so kleinen Widerstand fließt, die Schaltung abnormal funktioniert. Um dieses Problem zu verstehen, Wir müssen zuerst die zwei verschiedenen Konzepte von Widerstand und Impedanz des Drahtes unterscheiden. Widerstand bezieht sich auf den Widerstand 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. Jeder Draht hat Induktivität, und wenn die Frequenz hoch ist, Die Impedanz des Drahtes ist viel größer als der DC-Widerstand. In praktischen Schaltungen, Die Signale, die elektromagnetische Störungen verursachen, sind oft Impulssignale, und die Impulssignale enthalten reiche Hochfrequenzkomponenten, so wird eine große Spannung auf dem Erdungskabel erzeugt. Für digitale Schaltungen, die Betriebsfrequenz der Schaltung ist sehr hoch, So ist der Einfluss der Erdungsdraht Impedanz auf die digitale Schaltung sehr beträchtlich. Wenn die Impedanz bei 10Hz ungefähr als Gleichstromwiderstand betrachtet wird, Es kann gesehen werden, dass wenn die Frequenz 10MHz erreicht, für einen 1-Meter langen Draht, seine Impedanz ist 1000 bis 100,Tausendfacher Gleichstromwiderstand. Also für HF-Strom, wenn der Strom durch den Erdungskabel fließt, der Spannungsabfall ist groß. Aus der Tabelle ist auch ersichtlich, dass die Erhöhung des Drahtdurchmessers bei der Verringerung des Gleichstromwiderstands sehr effektiv ist, hat aber einen begrenzten Effekt auf die Verringerung der AC-Impedanz. Aber in der elektromagnetischen Verträglichkeit, Menschen sind besorgt über die AC Impedanz. Um die AC-Impedanz zu reduzieren, Ein effektiver Weg ist, mehrere Drähte parallel anzuschließen. Wenn zwei Drähte parallel verbunden sind, the total inductance L is: L = ( L1 + M ) / 2; wobei L1 die Induktivität eines einzelnen Drahtes ist, und M ist die gegenseitige Induktivität zwischen den beiden Drähten. Es kann aus der Formel gesehen werden, dass, wenn zwei Drähte weit voneinander entfernt sind, die gegenseitige Induktivität zwischen ihnen ist sehr gering, und die Gesamtinduktivität entspricht der Hälfte der Induktivität eines einzelnen Drahtes. Daher, Wir können die Erdungsimpedanz durch mehrere Erdungsdrähte reduzieren. Aber es sollte beachtet werden, dass der Abstand zwischen mehreren Drähten nicht zu nah sein kann.

3. Ground wire interference mechanism
3.1 Ground loop interference
Because of the ground wire impedance, wenn Strom durch das Erdungskabel fließt, Eine Spannung wird auf dem Erdungskabel erzeugt. Diese Spannung kann groß sein, wenn der Strom groß ist. Zum Beispiel, wenn ein Hochleistungs-Elektrogerät in der Nähe gestartet wird, Ein starker Strom fließt durch den Erdungskabel. Dieser Strom erzeugt einen Strom im Verbindungskabel zwischen den beiden Geräten. Aufgrund der Unwucht der Schaltung, der Strom auf jedem Draht ist unterschiedlich, so wird eine Differenzspannung erzeugt, die die Schaltung beeinflussen. Da diese Störung durch den Schleifenstrom erzeugt wird, der durch das Kabel und den Erdungskabel gebildet wird, es wird zur Erdschleifenstörung. Der Strom in der Erdschleife kann auch durch das externe elektromagnetische Feld induziert werden.

3.2 Common Impedance Interference
When two circuits share a ground wire, Das Massepotenzial einer Schaltung wird durch den Betriebsstrom der anderen Schaltung aufgrund der Impedanz des Massedrahtes moduliert. Signale in einem solchen Stromkreis werden in einen anderen Stromkreis gekoppelt, und diese Kupplung wird gemeinsame Impedanzkupplung genannt. In digitalen Schaltungen, aufgrund der hohen Frequenz des Signals, Der Erdungskabel weist oft eine große Impedanz auf. Zur Zeit, wenn es verschiedene Schaltungen gibt, die einen Abschnitt des Erdungskabels teilen, das Problem der gemeinsamen Impedanzkopplung kann auftreten. 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.

4. Ground wire interference countermeasures
4.Aus dem Mechanismus der Erdschleifeninterferenz kann bekannt sein, dass die Erdschleifeninterferenz reduziert werden kann, solange der Strom in der Erdschleife reduziert wird. Wenn der Strom in der Masseschleife vollständig eliminiert werden kann, Das Problem der Erdschleifeninterferenz kann vollständig gelöst werden. Daher, Wir schlagen die folgenden Lösungen vor, um die Erdschleifeninterferenz zu lösen.
1) Floating the equipment at one end If the circuit at one end is floated, die Erdschleife ist abgeschnitten, so kann der Masseschleifenstrom eliminiert werden. Aber es gibt zwei Probleme, die beachtet werden müssen. Erstens: Aus Sicherheitsgründen, Der Stromkreis darf oft nicht schwimmen. In diesem Fall, Erwägen Sie die Erdung des Geräts durch eine Induktion. Auf diese Weise, Die Erdungsimpedanz der 50Hz Wechselstromausrüstung ist sehr klein, und für das Störsignal mit einer höheren Frequenz, die Erdungsimpedanz der Ausrüstung ist relativ 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 the transformer to realize the connection between the devices. Verwenden Sie den Magnetkreis, um die beiden Geräte zu verbinden, die den Erdungsschleifenstrom abschneiden kann. Allerdings, Es sollte beachtet werden, dass die parasitäre Kapazität zwischen Primär- und Sekundärstrom des Transformators immer noch einen Pfad für den hochfrequenten Masseschleifenstrom bereitstellen kann, So hat das Transformatortrennverfahren einen schlechten Unterdrückungseffekt auf den hochfrequenten Masseschleifenstrom. 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. Ein gut abgeschirmter Transformator kann eine effektive Isolation bei Frequenzen unter 1MHz bieten.
3) Using an optical isolator Another way to cut off the ground loop is to use light to transmit signals. Dies kann als ideale Lösung für das Störproblem der Erdschleife bezeichnet werden. Es gibt zwei Methoden für die optische Verbindung, einer ist Optokoppler, und die andere ist Glasfaserverbindung. Die parasitäre Kapazität des Optokopplers beträgt im Allgemeinen 2pf, die eine gute Isolation bei sehr hohen Frequenzen bieten kann. Optische Fasern haben fast keine parasitäre Kapazität, aber sie sind Optokopplern in Bezug auf die Installation unterlegen, Wartung, und Kosten.
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, so dass der Erdungsschleifenstrom unter Einwirkung einer bestimmten Erdungsspannung abnimmt. 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.
4.2 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 sich leicht gegenseitig durch geeignete Erdungsmethoden stören lassen. Allgemein, Es ist notwendig, den gemeinsamen Erdungskabel des Starkstromkreises und des Schwachstromkreises zu vermeiden, und die digitale Schaltung und die analoge Schaltung, um den Erdungskabel zu teilen. Wie bereits erwähnt, Das Problem mit der Verringerung der Impedanz des Erdungskabels besteht darin, die Induktivität des Erdungskabels zu verringern. Dies schließt die Verwendung von Flachleitern für die Erdung und mehreren parallelen Leitern für die Erdung ein. Für Leiterplatten, Das Verlegen eines Erddrahtgitters auf einer Doppelschichtplatte kann die Erddrahtimpedanz effektiv reduzieren. Obwohl eine Schicht als Massedraht in einer mehrschichtigen Platine verwendet wird, es hat eine geringe Impedanz, aber es erhöht die Kosten der Leiterplatte. . Die Erdungsmethode zur Vermeidung gemeinsamer Impedanz durch richtige Erdung besteht darin, einen einzelnen Punkt parallel zu erden. 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, und parallele Ein-Punkt-Erdung für verschiedene Arten von Schaltungen verwenden.
5. Summary
The main reason for the electromagnetic interference caused by the ground wire is the impedance of the ground wire. 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. Gemeinsame Impedanzkopplung tritt auf, wenn zwei Schaltungen ein Segment der Masse teilen. Die Methoden zur Lösung der Erdschleifeninterferenz bestehen darin, die Erdschleife abzuschneiden, Erhöhung der Impedanz der Masseschleife, und eine symmetrische Schaltung verwenden. Die Lösung zur gemeinsamen Impedanzkupplung besteht darin, die Impedanz des gemeinsamen Massedrahts zu reduzieren, oder verwenden Sie eine Einzelpunkt-Masseverbindung parallel, um die gemeinsame Impedanz vollständig zu eliminieren Leiterplatte.