Blogue PCB - Méthodes d'analyse et de suppression des interférences de ligne de terre dans le câblage de carte PCB

1. Définition du fil de terre qu'est - ce qu'un fil de terre sur une carte PCB? La définition de la ligne de terre que tout le monde apprend dans un manuel est la suivante: une ligne de terre est un corps équipotentiel qui sert de point de référence pour le potentiel d'un circuit. Cette définition ne correspond pas à la réalité. Le potentiel sur la ligne de terre réelle n'est pas constant. Si vous mesurez le potentiel électrique entre les points de la ligne de sol avec un compteur, vous constaterez que le potentiel électrique de chaque point de la ligne de sol peut varier considérablement. Ce sont ces différences de potentiel qui provoquent un fonctionnement anormal du circuit. La définition qu'un circuit est un corps équipotentiel est simplement ce que l'on attend du potentiel de la terre. Henry a donné une définition plus réaliste de la ligne de terre, qu'il a définie comme: un chemin de faible impédance par lequel le signal retourne à la source. Le flux de courant dans la ligne de terre est mis en évidence dans cette définition. Selon cette définition, il est facile de comprendre la cause de la différence de potentiel dans la ligne de masse. Parce que l'impédance d'une ligne de masse n'est jamais nulle, une chute de tension se produit lorsqu'un courant circule à travers une impédance finie. Nous devrions donc imaginer que le potentiel électrique sur la ligne de terre est comme des vagues dans la mer, les unes après les autres.

2. Impédance de la ligne de terre quand il s'agit de la différence de potentiel entre les points sur la ligne de terre causée par l'impédance de la ligne de terre, beaucoup de gens trouvent incroyable: lorsque nous mesurons la résistance de la ligne de terre avec un ohmmètre, la résistance de la ligne de terre est généralement de l'ordre du Milli - euro, comment une telle chute de tension peut - elle se produire lorsque le courant circule à travers une si petite résistance, ce qui provoque un fonctionnement anormal du circuit. Pour comprendre ce problème, il faut d'abord distinguer deux notions différentes de résistance et d'impédance d'un fil. La résistance se réfère à la résistance d'un fil à un courant électrique à l'état continu et l'impédance se réfère à l'impédance d'un fil à un courant électrique à l'état alternatif, qui est principalement causée par l'inductance du fil. Tout fil électrique a une inductance et lorsque la fréquence est élevée, l'impédance du fil est beaucoup plus grande que la résistance DC. Dans les circuits réels, les signaux qui provoquent des interférences électromagnétiques ont tendance à être des signaux impulsionnels qui contiennent une riche composante haute fréquence, de sorte qu'une tension plus importante est générée sur la ligne de masse. Pour un circuit numérique, la fréquence de fonctionnement du circuit est très élevée, de sorte que l'impédance de la ligne de masse a un impact très important sur le circuit numérique. Si l'on considère l'approximation de l'impédance à 10 Hz comme une résistance continue, on voit que lorsque la fréquence atteint 10 MHz, elle est de 1 000 à 100 000 fois supérieure à celle d'une résistance continue pour un fil de 1 mètre de long. Ainsi, pour un courant radiofréquence, la chute de tension est importante lorsqu'un courant circule à travers la ligne de masse; il ressort également du tableau que l'augmentation du diamètre du fil est très efficace pour réduire la résistance continue, mais a un effet limité pour réduire l'impédance alternative. Mais en ce qui concerne la compatibilité électromagnétique, les gens se soucient de l'impédance AC. Pour réduire l'impédance AC, une méthode efficace consiste à mettre en parallèle plusieurs fils électriques. Lorsque les deux fils sont en parallèle, l'inductance totale l est: l = (L1 + m) / 2; Où L1 est l'inductance d'un seul fil et m l'inductance mutuelle entre deux fils. Il ressort de la formule que lorsque deux fils sont éloignés l'un de l'autre, l'inductance mutuelle entre eux est très faible, l'inductance totale étant égale à la moitié de l'inductance d'un seul fil. Ainsi, nous pouvons réduire l'impédance de terre par plusieurs lignes de terre. Mais il est important de noter que la distance entre plusieurs fils ne doit pas être trop proche. Mécanisme d'interférence de la ligne de terre 3.1 interférence de la boucle de terre en raison de l'impédance de la ligne de terre, une tension est générée sur la ligne de terre lorsqu'un courant circule à travers elle. Cette tension peut être importante lorsque le courant est important. Par exemple, un fort courant circule à travers la ligne de terre lorsqu'un appareil électrique de forte puissance est activé à proximité. Ce courant génère un courant dans le câble de connexion entre les deux appareils. En raison du déséquilibre du circuit, le courant sur chaque fil est différent, ce qui crée une tension de mode différentiel qui affecte le circuit. Comme cette perturbation est générée par le courant de boucle formé par le câble et la ligne de masse, elle devient une perturbation de boucle de masse. Le courant dans la boucle de masse peut également être causé par un champ électromagnétique externe.? 3.2 interférence d'impédance commune lorsque deux circuits partagent une ligne de masse, le potentiel de masse d'un circuit sera modulé par le courant de fonctionnement de l'autre circuit en raison de l'impédance de la ligne de masse. Un signal dans un tel circuit est couplé à un autre circuit, ce couplage étant appelé couplage d'impédance commun. Dans les circuits numériques, les lignes de masse présentent généralement une impédance importante en raison des hautes fréquences du signal. A ce stade, si différents circuits partagent un tronçon de ligne de masse, le problème du couplage d'impédance commun peut se poser. En supposant que le niveau de sortie de la grille 1 passe du haut au bas, la capacité parasite du circuit (il y a parfois un condensateur de filtrage à l'entrée de la grille 2) va se décharger à travers la grille 1 vers la ligne de masse. En raison de l'impédance de la ligne de masse, le courant de décharge créera une tension de crête sur la ligne de masse. Si la sortie de la porte 3 est basse à ce moment - là, la tension crête sera transmise à l'entrée de la porte 3 et à la sortie de la porte 4. Si l'amplitude de cette tension crête dépasse le bruit du seuil de la porte 4, cela provoquera une défaillance de la porte 4.4. Contre - mesures d'interférence de la ligne de terre 4.1 contre - mesures de la boucle de terre le mécanisme d'interférence de la boucle de terre permet de savoir que l'interférence de la boucle de terre peut être réduite en diminuant le courant dans la boucle de terre. Si l'on peut éliminer complètement le courant dans la boucle de mise à la terre, le problème des interférences de la boucle de mise à la terre peut être complètement résolu. Nous proposons donc la solution suivante pour résoudre les interférences de la boucle de terre. 1) flotter une extrémité de l'appareil si le circuit à une extrémité flotte, la boucle de terre est coupée, éliminant ainsi le courant de la boucle de terre. Mais il y a deux problèmes à noter. L'un est que les circuits ne sont généralement pas autorisés à flotter pour des raisons de sécurité. Dans ce cas, envisagez de mettre l'appareil à la Terre par l'intermédiaire d'une inductance. De cette manière, l'impédance de masse d'un dispositif à courant alternatif de 50 Hz est très faible, alors que pour des signaux parasites de fréquence plus élevée, l'impédance de masse du dispositif est relativement importante, ce qui réduit le courant de boucle de masse. Mais cela ne peut que réduire les interférences de la boucle de terre avec des interférences à haute fréquence. Un autre problème est que, bien que le dispositif soit flottant, il existe encore une capacité parasite entre le dispositif et la masse. Une telle capacité fournit une impédance plus faible à des fréquences plus élevées et ne peut donc pas réduire efficacement le courant de boucle de masse haute fréquence. 2) La connexion entre les appareils est réalisée à l'aide d'un transformateur. L'utilisation d'un circuit magnétique pour connecter les deux appareils permet de couper le courant de la boucle de terre. Cependant, il est à noter que la capacité parasite entre le primaire et le secondaire du transformateur peut encore fournir un chemin pour le courant de boucle de masse haute fréquence, de sorte que la méthode d'isolation du transformateur est moins efficace pour inhiber le courant de boucle de masse haute fréquence. Une façon d'améliorer l'effet d'isolation haute fréquence d'un transformateur consiste à placer un blindage entre le primaire et le secondaire du transformateur. Il faut cependant noter que l'extrémité de masse du blindage isolant du transformateur doit être à l'extrémité de réception du circuit. Sinon, non seulement l'effet d'isolation haute fréquence ne peut pas être amélioré, mais le couplage haute fréquence est également aggravé. Le transformateur doit donc être installé sur le côté du dispositif de réception du signal. Un transformateur bien blindé peut fournir une isolation efficace à des fréquences inférieures à 1 MHz. 3) Une autre façon de couper la boucle de terre à l'aide d'un isolateur optique consiste à utiliser la lumière pour transmettre le signal. C'est sans doute la solution idéale au problème des interférences de la boucle de terre. Il existe deux méthodes de connexion optique, l'une est un coupleur optique et l'autre est une connexion par fibre optique. La capacité parasite de l'optocoupleur est typiquement de 2 PF, ce qui permet une bonne isolation aux très hautes fréquences. Les fibres optiques ont peu de capacité parasite, mais ne sont pas aussi performantes que les optocoupleurs en termes d'installation, de maintenance et de coût. 4) l'utilisation d'une Self de mode commun sur un câble de connexion équivaut à augmenter l'impédance de la boucle de terre, de sorte que le courant de la boucle de terre diminue sous l'effet d'une certaine tension de terre. Mais faites attention à la capacité parasite qui contrôle la Self de mode commun, sinon l'effet d'isolation des interférences à haute fréquence est mauvais. Plus il y a de spires de self de mode commun, plus la capacité parasite est grande et moins l'isolation haute fréquence est bonne.? 4.2 Il existe deux façons d'éliminer le couplage d'impédance de mode commun. L'une consiste à réduire l'impédance de la ligne de masse commune, de sorte que la tension sur la ligne de masse commune diminue également, contrôlant ainsi le couplage d'impédance commun. Une autre méthode consiste à éviter, par une méthode de mise à la terre appropriée, les lignes de masse communes des circuits susceptibles d'interférer les unes avec les autres. D'une manière générale, on évite que le circuit électrique fort et le circuit électrique faible aient une ligne de masse commune et que le circuit numérique et le circuit analogique aient une ligne de masse commune. Comme indiqué précédemment, le problème de la réduction de l'impédance de la ligne de masse est de réduire l'inductance de la ligne de masse. Cela comprend l'utilisation de conducteurs plats pour la mise à la terre et l'utilisation de plusieurs conducteurs parallèles espacés pour les lignes de terre. Pour les cartes de circuit imprimé, la pose d'un réseau de terre sur une carte à double couche peut réduire efficacement l'impédance du fil de terre. Bien qu'une couche soit utilisée comme ligne de masse dans un panneau multicouche, son impédance est faible, mais augmente le coût de la carte. La méthode de mise à la terre pour éviter une impédance commune par une mise à la terre appropriée consiste à mettre un point unique à la terre en parallèle. L'inconvénient de la mise à la terre en parallèle est qu'il y a trop de fils de terre. Ainsi, en pratique, tous les circuits n'ont pas besoin d'être connectés à la masse en parallèle en un seul point. Pour les circuits qui interfèrent moins les uns avec les autres, il est possible d'utiliser un point de masse unique en série. Par example, les circuits peuvent être classés selon un signal fort, un signal faible, un signal analogique, un signal numérique, etc., puis utiliser un point de masse unique en série dans un circuit similaire et un point de masse unique en parallèle pour différents types de circuits. Résumé: la principale cause d'interférences électromagnétiques causées par les lignes de terre est l'impédance des lignes de terre. Lorsque le courant circule à travers la ligne de terre, une tension est générée sur la ligne de terre, qui est le bruit de la ligne de terre. Sous l'impulsion de cette tension, un courant de boucle de terre sera généré, ce qui provoquera une perturbation de la boucle de terre. Un couplage d'impédance commun se produit lorsque deux circuits partagent un segment de masse. La solution à l'interférence de la boucle de terre est de couper la boucle de terre, d'augmenter l'impédance de la boucle de terre et d'utiliser un circuit d'équilibrage. La solution pour un couplage d'impédance commun est de réduire l'impédance de la ligne de masse commune ou d'utiliser un point unique de mise à la terre parallèle pour éliminer complètement l'impédance commune sur la carte PCB.