Design von PCB-Erdung

PCB-Erdung zur Gewährleistung von geringem Rauschen und EMV

Auch die Erdungsstrategie und die physische Anordnung der Erdung auf einer Leiterplatte haben einen großen Einfluss auf die Einhaltung der EMV. Die meisten EMV-Fehler, die beim PCB-Design angesprochen werden, werden durch Betrachtung der Erdungsstrategie und anschließend der Routing-Strategie behoben. In diesem Artikel geben wir einen umfassenden Überblick über die Erdung in komplexen Leiterplatten, einschließlich in Systemen mit Mixed-Signal-Leiterplattenlayout und -Routing sowie in Systemen mit einer Chassis-/Erdungsverbindung und Stromversorgungssystemen.

Erste Schritte mit der PCB-Erdung

Die Erdung in einer Leiterplatte und in der umgebenden physischen Konstruktion eines Systems spielt mehrere Rollen, einschließlich Störfestigkeit ,

Referenzen für Signalmessungen und EMV. Im Allgemeinen gibt es in einer Leiterplatte drei Arten von Erdungsbereichen, die in einem komplexen System berücksichtigt werden müssen:

• Erdung: Dies ist die ultimative Erdungsreferenz, wie sie in der Versorgungsverkabelung verwendet wird. Es bietet die beste Sicherheit für jedes System, sofern es verfügbar ist. Dabei handelt es sich um eine buchstäbliche Verbindung zur Erde über einen Versorgungsschrank.
  
  
• Gehäuseerdung: Dies wird manchmal als Rahmenerdung bezeichnet und bezieht sich wörtlich auf den Systemrahmen, sofern im System ein leitfähiger Rahmen vorhanden ist. Bei vorhandenem Erdungsanschluss ist die Rahmenmasse normalerweise mit der Erde verbunden.
  
  
• Signalerdung: Was Ihnen die meisten Richtlinien nicht sagen, ist, dass dies etwas willkürlich ist; Dabei könnte es sich um eine Erdungsebene in einer Leiterplatte handeln, aber es könnte sich auch um jeden anderen großen Leiter handeln, der Rückströme zurück zur Systemstromversorgung leiten kann. Im Allgemeinen sollte die Gehäusemasse nicht die Signalmasse sein, wenn der Benutzer jemals direkt mit dem Gehäuse interagiert.
  
  

Wie diese drei Bereiche (wenn alle vorhanden sind) verbunden sind und ob sie verbunden werden müssen, kann komplex sein, wenn in einem elektrischen System mehrere Geräte vorhanden sind. Die Verbindungen zwischen diesen Erdungsbereichen werden in Ihrer PCB-Designsoftware (in den Schaltplänen der Leiterplatte) und in einem elektrischen Diagramm für das gesamte System angegeben.

Erdung auf einer Leiterplatte

Wie Sie eine Leiterplatte erden, hängt wirklich davon ab, was die Leiterplatte tun muss. Die Richtlinien für eine isolierte Stromversorgung unterscheiden sich von denen für ein kleines Gerät, das mit einer Batterie betrieben wird. Die PCB-Erdung mit einem Erdungsanschluss und einem isolierten Leistungsteil unterscheidet sich von der in einem System mit einem Erdungsanschluss und einer einfacheren, nicht isolierten Stromversorgung. Irgendwann stellen Sie möglicherweise fest, dass Sie nicht einmal den Erdungsanschluss benötigen, da eine schwebende Erdung in Ordnung ist, selbst wenn Sie Wechselstrom aus dem Netz oder einem Generator beziehen, um das Gerät mit Strom zu versorgen.

Auf der Leiterplatte können auch geerdete Strukturen vorhanden sein, um eine Abschirmung, zusätzliche Pfade für Rückströme oder praktische Erdungsverbindungen für bestimmte Komponenten bereitzustellen. Dies erfolgt normalerweise als Kupferguss, was über die Bereitstellung praktischer Erdungsverbindungen hinaus einige zusätzliche Vorteile bietet.

Um zu sehen, wie das alles funktioniert, müssen wir tatsächlich darüber nachdenken, wie der Strom in die Leiterplatte gelangt und ob mehrere Geräte vorhanden sind und ob sie sich die Masse teilen müssen. Wir werden hier versuchen, die meisten Grundlagen abzudecken, obwohl einige dieser Themen recht komplex sind und eigene Artikel erfordern.

Wechselstrom mit Erdungsanschluss

Dies ist eine Standardmethode, um eine Platine mit Strom zu versorgen, die Netzstrom benötigt und mit mäßig hohem Strom betrieben wird. Im unten gezeigten Diagramm bringen wir dreiadrigen einphasigen Wechselstrom in das System ein und regeln ihn auf der Platine mit einem Transformator auf den erforderlichen Wert herunter. Die Trennung zwischen der primären Masse (PGND) und der sekundären Masse (SGND) im PCB-Aufbau bedeutet, dass wir jetzt im Wesentlichen über eine isolierte Stromversorgung auf der Platine verfügen, zusammen mit den übrigen wichtigen Komponenten, bei denen es sich um digitale Hochgeschwindigkeitskomponenten oder analoge Präzisionskomponenten handeln kann.

 

Die Trennung zwischen PGND und SGND dient der galvanischen Trennung zwischen Ein- und Ausgang. Dies ist typisch für ein System, das mit genügend Strom betrieben wird, um Sicherheitsbedenken hervorzurufen, und die beiden Seiten mit einem Y-Typ-Kondensator überbrückt werden, dessen Kapazität viel größer ist als die Kapazität der TX-Wicklung. Das Ergebnis ist, dass hochfrequentes Rauschen auf der SGND-Seite leicht zurück in die PGND-Seite und über die Montagelochverbindung zurück zur Erde fließen kann. Dies bietet auch einen Pfad für ESD-Ereignisse an einem I/O, insbesondere wenn der I/O einem Benutzer ausgesetzt ist. Wenn in diesem Fall ein solcher E/A-Anschluss an einen Anschluss weitergeleitet wird, sollte der Anschluss an SGND angeschlossen werden, sodass etwaige ESD-Ereignisse an diesem Anschluss über das PGND-Montageloch zur Erde und nicht in nahegelegene Komponenten abgeleitet werden.

Wechselstrom ohne Erde

Dies ist häufig der Fall, wenn die Sicherheit keine so große Rolle spielt. Stellen Sie sich einen einfachen AC/DC-Netzadapter vor, der an die Wand angeschlossen wird. Dieses Gerät verwendet möglicherweise eine Isolierung zwischen einer PGND- und einer SGND-Seite des Adapters, diese Geräte verfügen jedoch nicht über eine Erdungsverbindung. Das ist völlig in Ordnung, selbst in einem Hochstromgerät wie einem Laptop; Sie erhalten immer noch eine Isolierung zwischen der Eingangs- und Ausgangsleistung, benötigen jedoch eine andere Möglichkeit, eine Sicherheitserdung herzustellen. Das Endgerät verfügt möglicherweise über eine eigene Sicherheitserdungsmethode, die in sein Gehäuse integriert ist, oder es nutzt aus Sicherheitsgründen einfach seine eigene Erdungsebene.

Direkte 2-Draht-Gleichstromverbindung mit Erde

Dies kommt zum Einsatz, wenn Sie ein Gerät über ein separates Gleichstromnetzteil mit Strom versorgen und es über einen eigenen Erdungsanschluss verfügt. Der Erdungsanschluss ist im Allgemeinen nicht mit der Platine verbunden, sondern mit dem Chassis. Wenn Sie ein Gleichstromnetzteil mit eigenem Erdungs-/Chassis-Anschluss verwenden, können Sie das Chassis mit einer solchen Stromversorgungsanordnung verbinden. Die Idee besteht darin, dass das Gehäuse eine gewisse Sicherheit gegen ESD bietet und außerdem alle großen schwebenden Metallteile eliminiert, die eine EMI-Kopplung rund um das Design bewirken könnten . Was Sie nicht tun sollten, ist, die Systemerde mit dem Gehäuse zu verbinden, da Sie keine Erdschleife erzeugen oder hohe Ströme durch das Gehäuse fließen lassen möchten, da dies ein Sicherheitsrisiko darstellen.

Direkter 2-Draht-Gleichstromanschluss, keine Erdung

Bei einem 2-Leiter-Gleichstromanschluss ohne Erde liegt grundsätzlich eine erdfreie Masse gegenüber jeder anderen Masse vor. Die Strategie besteht hier darin, ein Metallgehäuse in der Nähe des Gleichstromeingangs oder der Batterieklemmen zu erden. Auf diese Weise fließen etwaige Rückströme im Gerät nicht durch das Metallgehäuse, das nicht als Signalrückführung gedacht ist. Dies wird normalerweise nur dann problematisch, wenn im Design eine hochfrequente HF-Quelle vorhanden ist, die kapazitiv gekoppeltes Gleichtaktrauschen um das Design herum und durch das Gehäuse induzieren könnte. In einer solchen Umgebung wäre eine Erdverbindung besser, da es einen Pfad mit niedriger Impedanz gibt, der Störungen ableitet.

Erdung mit mehreren Erden

Diese Situation tritt im Allgemeinen auf, wenn ein Kabel zwischen zwei Geräten verlegt wird und das Kabel möglicherweise über eine Abschirmung verfügt, die an beiden Enden mit der Erdung verbunden ist. Hier ist Vorsicht geboten, da zwischen den beiden Erdungsanschlüssen ein Gleichspannungspotentialunterschied bestehen kann, der im Labor gemessen etwa 10 V betragen kann. Wenn die Erdungen überbrückt werden (z. B. durch die Verwendung einer Abschirmung entlang eines abgeschirmten Kabels), kann der Erdungsversatz einen großen Gleichstromfluss verursachen, der das Kabel frittiert. Eine Möglichkeit, eine Verbindung mit hoher Impedanz für Gleichstrom zu schaffen, aber hochfrequentes Wechselstromrauschen durchzulassen, besteht darin, an jedem Ende der Abschirmung eine kondensatorbasierte Verbindung zu verwenden, die den Erdungsversatz tolerieren kann. Andernfalls sollten Sie die Erdung wahrscheinlich nicht überbrücken.

Das Interessante daran ist, dass dies die ursprüngliche Motivation für die Verwendung von Differentialpaaren zur Datenübertragung über lange Verbindungen war. Differenzsignale können sehr große Erdungsversätze tolerieren, die auftreten können, wenn Geräte an verschiedene Schaltkreise angeschlossen sind. Durch die Quantifizierung von Signalen auf der Grundlage eines Differenzwerts und nicht auf der Grundlage einer Summe oder einzelner Pegel wird die Immunität gegen Masseversatz sowie die Immunität gegen Gleichtaktrauschen geschaffen.