Leitfaden zu PCB-Erdungstechniken

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• Was ist ein Grund?
• Grundlegende Terminologie
• PCB-Erdungstechniken
• Was Sie bei der Erdung beachten sollten
• Stellen Sie sicher, dass alles angehängt ist
• Halten Sie Ihre Bodenschicht intakt
• Minimieren Sie die Verwendung von Serien-Durchkontaktierungen
• Einen gemeinsamen Grundpunkt haben

Erdung ist ein kritisches Konzept für jede elektronische Schaltung und jedes System, das mit elektrischem Strom zu tun hat. Alles, vom Stromnetz über ein Haus bis hin zu einer Leiterplatte (PCB), hat eine Erdung. Leiterplatten sind für das Funktionieren fast aller elektronischen Geräte von entscheidender Bedeutung, und jede Leiterplatte muss ordnungsgemäß geerdet werden, um ordnungsgemäß zu funktionieren.

Menschen verwenden den Begriff Boden, um verschiedene Konzepte zu beschreiben. In diesem Artikel besprechen wir diese Konzepte, die Bedeutung der Erdung in einer Leiterplatte und die verschiedenen Methoden, die man zur Erdung in einer Leiterplatte verwenden kann.

Was ist eine PCB-Grundplatte?

Die Erdungsebene auf einer Leiterplatte ist ein leitender Körper, der als willkürlicher Knoten einer potentiellen Spannung und als gemeinsame Rückleitung für elektrischen Strom fungiert. Es ist ein Punkt der Nullreferenz oder Null Volt. Die Masse ist die Referenz, auf der Sie das Signal aufbauen.

In der Elektronik bezeichnet Masse einen bestimmten Punkt im Stromkreis. In einem Stromkreis mit einer Batterie mit Plus- und Minuspol wird der Minuspol normalerweise Masse genannt.

Einige Schaltungen haben Verbindungen, die als positiv, negativ und Masse bezeichnet werden. In diesen Fällen ist die Masse der Mittelpunkt zwischen den negativen und positiven Anschlüssen, gemessen in Spannung. Wenn die Spannung neun beträgt, würde die Masseebene 4,5 Volt betragen. Sie würden jedoch Masse Null, den Pluspol 4,5 Volt und den Minuspol -4,5 Volt nennen. Sie können dies tun, weil die Spannung eine Messung zwischen zwei Punkten ist und zwischen 4,5 und -4,5 immer noch eine Differenz von neun besteht.

Die unsachgemäße Verwendung von Erdungstechniken kann die Leistung eines Systems drastisch reduzieren. Sie müssen verschiedene Aspekte der Erdung verwalten, einschließlich der Kontrolle von Erdungs- und Signalrückspannungen, die die Leistung verschlechtern können. Externe Signalkopplung, gemeinsame Ströme und andere Probleme können diese Spannungen verursachen. Die richtige Verlegung und Dimensionierung von Leitern, die Verwendung von differentieller Signalverarbeitung und die Verwendung von Masseisolationstechniken helfen, diese unerwünschten Spannungen zu kontrollieren.

Auch bei der Arbeit in einer analogen und digitalen Umgebung mit gemischten Signalen müssen besondere Überlegungen angestellt werden. Die Erdung kann helfen, Rauschen zu minimieren, wenn Sie mit Signalen arbeiten, die einen großen Dynamikbereich haben.

Erdungsterminologie

Es gibt verschiedene Arten von Knoten, die Grounds genannt werden, einschließlich Floating Grounds, Virtual Grounds und Earth Grounds.

• Schwimmende Gründe: Diese Knoten sind Bezugspunkte in einem isolierten System und nicht physikalisch mit der Erde verbunden.
• Virtuelle Gründe: Diese Knoten befinden sich in einer Gegenkopplungsschaltung am invertierenden Anschluss eines Operationsverstärkers. Wenn der nicht invertierende Eingang auf null Volt liegt, sorgt die Rückkopplung dafür, dass der invertierende Anschluss in einem stabilen Stromkreis mit ihm übereinstimmt. Der Wert ist kein stabiles Ergebnis für andere Schaltungen und wird nur durch Feedback gehalten.
• AC-Gründe: Diese Knoten haben DC-Werte mit niedriger Impedanz. Diese Gleichspannung ist auch bei kleinen Störungen stabil. Aufgrund seines DC-Werts kann dieser Knoten nicht als richtige Masse verwendet werden, aber da er stabil ist, kann er als Bezugspunkt verwendet werden.
• Erdgründe: In einem großen elektrischen System ist die Erde buchstäblich eine Verbindung zum Boden. Jedes Haus hat zum Beispiel einen Kupfermast, der in die Erde gesteckt wird, um überschüssige Ströme abzubauen.
• Fahrgestellgründe: Die Elektronik in einer Leiterplatte kann nicht mit der physischen Masse verbunden werden, aber eine Gehäusemasse dient demselben Zweck. Diese Erdung ist die Verbindung eines Sicherheitskabels vom Wechselstromnetz zum Gehäuse oder Chassis des Produkts.

Da eine Erdung und eine Gehäuseerdung dieselbe Funktion erfüllen, werden diese Begriffe oft synonym mit dem Begriff Sicherheitserdung verwendet.

Wenn es um die Erdung einer Leiterplatte geht, gibt es keinen einheitlichen Ansatz. Um den besten Weg zur Erdung eines Systems zu bestimmen, müssen Sie verstehen, wie die Ströme darin fließen. Es stehen jedoch verschiedene Methoden zur Auswahl und einige Tipps für bewährte Erdungspraktiken, die für die meisten Systeme gelten. Um den Ansatz zu bestimmen, der für Ihr Board funktioniert, müssen Sie sicherstellen, dass Sie das Design des Boards verstehen, und möglicherweise mehrere Techniken ausprobieren.

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PCB-Erdungstechniken

Es gibt verschiedene Techniken, die zum Erden einer Leiterplatte verwendet werden können. Im Folgenden sind einige der heute am häufigsten verwendeten Ansätze aufgeführt.

1. Grundebene

Eine gängige Technik besteht darin, eine Masseebene zu verwenden, bei der es sich um ein großes Stück Kupfer auf einer Leiterplatte handelt. Typischerweise decken PCB-Hersteller alle Bereiche, die keine Komponente oder Leiterbahn aufweisen, mit der Kupfer-Masseebene ab.

Bei einer zweilagigen Platine besagen die Standardregeln für die Erdungsebene von Leiterplatten, dass die Erdungsebene auf der unteren Ebene der Platine platziert werden sollte, während sich die Komponenten und Signalspuren auf der oberen Ebene befinden.

Es ist am besten, die Bildung eines Rings aus leitfähigem Material zu vermeiden, der von der Masseebene gebildet wird, da dies die Masseebene anfälliger für elektromagnetische Interferenzen (EMI) macht. Dieser leitfähige Ring wirkt als Induktor, und ein externes Magnetfeld kann einen elektrischen Strom verursachen, der als Erdschleife bezeichnet wird. Sie können mit einem leitfähigen Ring enden, wenn Sie die Masseebene über die gesamte untere Schicht legen und dann die Teile mit elektronischen Komponenten entfernen. Um dieses Problem zu vermeiden, machen Sie die Leiterbahnen so kurz wie möglich und platzieren Sie nach der Zuordnung Ihre Grundebene so, dass sie vollständig darunter verläuft. Möglicherweise müssen Sie das Layout von Leiterbahnen und Komponenten anpassen, um zu vermeiden, dass leitfähige Ringe erstellt werden müssen.

Die Masseebene befindet sich auch oft auf beiden Seiten der Platine. In einigen Fällen wird die Ebene auf der Komponentenseite auf Versorgungsspannung gehalten und die Ebene auf der anderen Seite der Platine wird geerdet. Die Erdungsebene ist mit den Erdungsstiften der Komponenten und Anschlüsse verbunden, um die Erdungsspannung auf der gesamten Leiterplatte auf dem gleichen Niveau zu halten.

Auf einer zweilagigen Leiterplatte können Sie auch mehr als eine Masseebene verwenden. Jede Ebene sollte einzeln an die Stromversorgung angeschlossen werden, um die Ebenen getrennt zu halten und Erdschleifen zu vermeiden.

2. Ground Plane Vias

Wenn auf beiden Seiten der Leiterplatte Masseebenen vorhanden sind, werden sie an vielen verschiedenen Stellen auf der Leiterplatte durch Durchkontaktierungen verbunden. Diese Vias sind Löcher, die durch die Platine gehen und die beiden Seiten miteinander verbinden. Sie ermöglichen Ihnen den Zugriff auf die Masseebene von überall, wo Sie in eine Durchkontaktierung passen.

Die Verwendung von Durchkontaktierungen kann Ihnen helfen, Masseschleifen zu vermeiden. Sie verbinden die Komponenten direkt mit den Massepunkten, die über eine niedrige Impedanz mit allen anderen Massepunkten der Schaltung verbunden sind. Sie helfen auch, die Länge der Rückschleifen kurz zu halten.

Kupferstücke, wie z. B. Erdungsebenen, können bei einem Viertel der Wellenlänge der Frequenz des darin fließenden Stroms in Resonanz treten. Das Anbringen von Stitching-Durchkontaktierungen um die Masseebene in bestimmten Abständen kann helfen, dies zu kontrollieren. Eine praktische Faustregel besteht darin, Massedurchkontaktierungen bei einem Achtel einer Wellenlänge oder weniger zu platzieren. Dies funktioniert, weil ein Stummel auf einer Leiterbahn erst bei einem Achtel einer Wellenlänge zu einem Problem wird.

Um Vias zu erstellen, bohren Sie kleine Löcher durch die Platine und führen dünne Kupferdrähte hindurch, bevor Sie sie auf jeder Seite verlöten, um die erforderlichen Verbindungen herzustellen.

3. Anschlussmasse

Alle Anschlüsse in einer Leiterplatte sollten mit Masse verbunden sein. Bei Steckverbindern müssen alle Signalleitungen parallel verlaufen. Aus diesem Grund müssen Sie die Anschlüsse mit Erdungsstiften trennen.

Jede Platine benötigt wahrscheinlich mehr als einen Anschlussstift, der zum Boden führt. Wenn nur ein Pin vorhanden ist, kann dies zu Problemen mit Impedanzfehlanpassungen führen, die zu Schwingungen führen können. Wenn die Impedanz zweier verbundener Leiter nicht übereinstimmt, kann der zwischen ihnen fließende Strom hin und her springen. Diese Schwingungen können die Leistung des Systems verändern und dazu führen, dass es nicht wie vorgesehen funktioniert. Der Kontaktwiderstand jedes Pins eines Steckers ist gering, kann aber mit der Zeit ansteigen. Aus diesem Grund ist es ideal, mehrere Erdungsstifte zu verwenden. Ungefähr 30 bis 40 Prozent der Pins in einem PCB-Steckverbinder sollten Erdungspins sein.

Steckverbinder sind in verschiedenen Rastern erhältlich und können eine unterschiedliche Anzahl von Stiftreihen haben. Die Pins eines Steckverbinders können auch parallel zur Leiterplattenoberfläche oder im rechten Winkel dazu sein.

4. Entkopplung

PCBs enthalten einen oder mehrere integrierte Schaltungschips, die zum Betrieb Strom benötigen. Diese Chips haben Versorgungspins, um sie mit einer externen Stromquelle zu verbinden. Sie haben auch Erdungsstifte, die sie mit der Erdungsebene der Leiterplatte verbinden. Zwischen den Versorgungs- und Massepins befindet sich ein Entkopplungskondensator, der dazu dient, Schwingungen in der dem Chip zugeführten Spannung zu glätten. Das gegenüberliegende Ende des Entkopplungskondensators ist mit der Masseebene verbunden.

Einer der Hauptgründe für die Verwendung von Entkopplungskondensatoren hängt mit der Funktionalität zusammen. Ein Entkopplungskondensator kann als Ladungsspeicher wirken. Wenn die integrierte Schaltung (IC) zusätzlichen Strom benötigt, kann der Entkopplungskondensator diesen über einen Pfad mit niedriger Induktivität bereitstellen. Aus diesem Grund ist es am besten, Entkopplungskondensatoren in der Nähe der IC-Stromanschlüsse zu platzieren.

Ein weiterer Hauptzweck besteht darin, das in die Leistungs- und Masseebenenpaare eingebrachte Rauschen zu reduzieren und EMI zu reduzieren. Zwei Hauptprobleme können dieses Rauschen verursachen. Einer ist ein Entkopplungskondensator, der keinen ausreichenden Strom liefert, was zu einem vorübergehenden Absinken der Spannung am IC-Leistungspin führt. Der andere ist ein absichtlicher Strom, der zwischen der Stromversorgungs- und Masseebene unter Verwendung einer Durchkontaktierung mit einem schnell schaltenden Signal gesendet wird.

Sie sollten die Platzierung und Anzahl der Entkopplungskondensatoren für ein Design basierend auf ihren beiden Funktionalitäten auswählen. Oft ist es am besten, die Kondensatoren über die gesamte Platine zu verteilen – versuchen Sie, einige in der Nähe der zu verwendenden IC-Erdungs- und Stromversorgungsstifte zu platzieren. Es wird auch empfohlen, den höchsten Kapazitätswert zu verwenden, und es ist am besten, alle Kondensatoren auf demselben Wert zu halten. Sie können auch eine Kombination aus hohem äquivalentem Serienwiderstand (ESR) und normalen Kondensatoren verwenden.

Erdungsregeln für Leiterplatten, die Sie sich merken sollten

Die Erdung ist ein wesentlicher Bestandteil jedes PCB-Designs. Alle PCB-Designs müssen bestimmten Erdungspraktiken folgen. Hier sind einige Tipps, die Sie beim Erden beachten sollten.

1. Stellen Sie sicher, dass alles angehängt ist

Stellen Sie sicher, dass nichts in Ihrem PCB-Layout unbefestigt ist. Es ist ratsam, jeden offenen Raum mit Kupfer und Durchkontaktierungen zu füllen, die mit Ihrer Grundplatte verbunden sind. Auf diese Weise stellen Sie sicher, dass es einen strukturierten Weg gibt, der es allen Ihren Signalen ermöglicht, effizient zum Boden zu gelangen.

2. Halten Sie Ihre Bodenschicht intakt

Wenn Sie eine dedizierte Bodenschicht haben, wie dies bei vielen vierschichtigen Platten der Fall ist, stellen Sie sicher, dass sich darauf keine Trassenspuren befinden. Die Aufteilung Ihrer Erdungsschicht durch Hinzufügen von Trassenspuren erzeugt eine Erdstromschleife. Stellen Sie stattdessen sicher, dass die Grundschicht ganz bleibt.

3. Einen gemeinsamen Erdungspunkt haben

Jede Leiterplatte sollte einen einzigen Punkt haben, an dem alle Erdungen zusammenkommen. Oft ist dies der Metallrahmen oder das Chassis des Produkts. Es könnte auch eine dedizierte Schicht der Platine sein. Dieser einzelne Punkt wird oft als Sternerde bezeichnet, da sich die verschiedenen Leiter von dieser Stelle in einem Muster erstrecken, das einem Stern ähnelt. In Mixed-Signal-Anwendungen kann es separate analoge und digitale Netzteile geben, die eine separate analoge und digitale Masse haben, die sich am Sternpunkt treffen.

4. Minimieren Sie die Verwendung von Serien-Durchkontaktierungen

Es ist am besten, die Anzahl der Durchkontaktierungen entlang Ihrer Massepfade zu minimieren und die Masse der Komponenten so direkt wie möglich an die Masseebene zu senden. Das Hinzufügen zusätzlicher Durchkontaktierungen zu einer Platine erzeugt eine weitere Impedanz. Diese Überlegung ist besonders wichtig für schnelle transiente Ströme, die dazu führen können, dass ein Impedanzpfad zu einer Spannungsdifferenz wird.

5. Design-Erdung vor dem Routing

Der Boden sollte vor jeder Verlegung ausgelegt werden. Der Boden ist die Grundlage für den Routing-Prozess, daher ist es entscheidend, den Boden richtig zu gestalten. Wenn eine Masse schlecht ausgelegt ist, ist das gesamte Gerät gefährdet, während dies nicht der Fall ist, wenn ein Signal nicht wie erwartet funktioniert.

6. Verstehe, wie deine Ströme fließen

Zu verstehen, wo Ströme auf einer Platine fließen, kann helfen, eine ordnungsgemäße Erdung sicherzustellen. Es ist wichtig zu überlegen, wohin das Signal geht und welchen Rückweg es nehmen wird. Der Sende- und der Rückweg eines Signals haben denselben Strom, was sich auf Masseprellen und Leistungsstabilität auswirken kann.

7. Bereiten Sie sich auf dynamische Abweichungen zwischen den Gründen vor

In einem Mehrplatinensystem ist es beim Senden von Erdungsverbindungen zwischen Platinen wichtig, eine dynamische Varianz einzuplanen. Dies ist besonders kritisch, wenn es um Anwendungen geht, die Langstreckenkabel erfordern. Optische Isolatoren, Niederspannungs-Differenzsignale und Gleichtaktdrosseln können dazu beitragen, die Varianz unter Kontrolle zu halten.

8. Bedenken Sie Mixed-Signal-Überlegungen

Beim gemeinsamen Umgang mit analogen und digitalen Signalen müssen Sie sorgfältig planen. Die analogen Teile der Platine sollten isoliert gehalten werden, einschließlich Analog-Digital-Wandler (ADCs) und Digital-Analog-Wandler. Sie können die Masse eines ADC mit einem gemeinsamen Massepunkt verbinden, wo Sie digitale Signale an andere Abschnitte der Leiterplatte weiterleiten können.

Partner von Millennium Circuits Limited für Ihre PCB-Anforderungen

Die richtige Erdung ist ein entscheidender Aspekt für alle Leiterplatten. Dieses Konzept ist oft verwirrend und die Umsetzung kann schwierig sein. Es kann hilfreich sein, sicherzustellen, dass Sie den Stromfluss in Ihrem Design verstehen, und einige der in diesem Artikel beschriebenen Praktiken und Techniken anzuwenden.

Eine Partnerschaft mit einem erfahrenen PCB-Lieferanten wie Millennium Circuits kann ebenfalls hilfreich sein. Wir können Ihnen helfen sicherzustellen, dass Sie Leiterplatten erhalten, die die richtigen Erdungstechniken für Ihre Anwendungen verwenden. Kontaktieren Sie uns bei Fragen oder wenn Sie Hilfe bei der Suche nach den perfekten Leiterplatten für Ihr nächstes Projekt benötigen. Fordern Sie ein schnelles Angebot an, um noch heute loszulegen.

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