Die Herausforderung der Erdung

Altium Designer bietet Ihnen eine Vielzahl von Methoden, um alle verschiedenen Erdungsprobleme bei allen verschiedenen Designtypen zu lösen.

EINFÜHRUNG

Die Erdung hat sich als eine der größten Herausforderungen im modernen LeiterplattenPCB-Erdungsdesign erwiesen. Schaltkreise werden im Laufe der Zeit immer komplexer, da neue Technologien sie kleiner machen und wir den Übergang von analog zu digital fortsetzen. Und diese kleineren, intelligenteren, stärker vernetzten Geräte stellen eine Vielzahl von zunehmenden Herausforderungen dar, wenn es darum geht, ihre Schaltkreise ordnungsgemäß zu erden. Und diese Herausforderung wird in absehbarer Zukunft nicht einfacher werden. Leider gibt es kein Handbuch, in dem wir nachschlagen können, wie wir die unzähligen Herausforderungen, denen wir bei der Erdung gegenüberstehen, lösen können. Wenn es das gäbe, könnten wir es einfach während des Designprozesses griffbereit halten und uns keine Sorgen machen. Stattdessen müssen wir jedoch eine Vielzahl von kleinen, scheinbar unbedeutenden Aufgaben im Erdungsprozess durchführen, mit dem Wissen, dass jeder Fehltritt dazu führen kann, dass das Design scheitert und neu gestaltet werden muss. Infolgedessen überschreiten Sie Ihr Budget und Ihren Zeitplan, da Ihre Time to Market steigt und Ihre Konkurrenten mehr Gelegenheit haben, ihre Version des Produkts vor Ihnen auf den Markt zu bringen. All dies und eine Reihe anderer Probleme können sich aus Herausforderungen bei der Erdung ergeben. Wie also gehen Sie diese Herausforderungen an und eliminieren Fehler? Schauen wir uns das an.

DIGITALE UND ANALOGE WELTEN SIND BEREITS VERSCHMOLZEN

Wir haben früher den "Übergang" von analog zu digital erwähnt, aber das ist eigentlich etwas irreführend. Tatsächlich verschmelzen die analoge und digitale Welt miteinander, was die Erdung sowohl für analoge als auch für digitale Designs zu einem Thema macht, manchmal sogar gleichzeitig.

METHODEN FÜR EINE ANGEMESSENE ERDUNG

Was bedeutet das also für Ihren Entwurfsprozess? Es bedeutet, dass Sie die Kontrolle über die Rückkehrspannungen von Signalen übernehmen müssen und auf der Hut vor störenden Erdungssignalen sein sollten, die die Leistung mindern können. Diese können aufgrund von gemeinsamen Strömen, Signalverkopplungen (sowohl intern als auch extern) usw. auftreten. Mit den richtigen Techniken können Sie dieses Rauschen minimieren und sich von den meisten parasitären Spannungen befreien.

Dies führt uns direkt in unsere Diskussion über eine gemischte Signalumgebung, analog/digital. Gemischte Signal-ICs sind ein perfektes Beispiel, da sie sowohl digitale als auch analoge Ports haben, was die Erdung zusätzlich erschwert. Um die Sache noch herausfordernder zu machen, haben einige gemischte Signal-ICs relativ niedrige digitale Ströme, während andere deutlich höhere aufweisen. Daher haben diese beiden Typen sehr unterschiedliche Bedürfnisse in Bezug auf optimale Erdung und müssen unterschiedlich behandelt werden.

Zusätzlich funktioniert das, was in einem Frequenzbereich funktioniert, nicht immer in einem anderen. Der Schlüssel ist, zu erkennen, wie der Strom fließt. Um ein klareres Bild des Themas zu bekommen, sprechen wir jetzt ein wenig über einige der allgemeinen Philosophien, die es gibt, wenn es um Erdungsmethoden in Mixed-Signal-Geräten geht. Es gibt mehrere verschiedene Methoden, die häufig verwendet werden.

1) Stern-Erdung:

Die Theorie der Stern-Erdung bezieht alle Signale auf einen einzigen Erdungspunkt. Das Schlüsselelement ist der einzelne „Stern“-Punkt, von dem aus alle entsprechenden Spannungen gemessen werden. Die Konzentration auf einen einzigen Punkt lässt keinen undefinierten Boden zu, der sonst falsche Werte für Ihre Messung verursachen würde. Leider, obwohl diese Methode auf dem Papier gut funktioniert, kann es oft ein wenig schwierig sein, sie in einem realen Szenario umzusetzen.

Stern-Erdungstopologie

2) Verwendung von Ebenen zur Abschirmung:

Layer Stack Legende

In den meisten Fällen beginnt die Verwendung von Masseflächen mit einer einzelnen Schicht in einer Mehrlagenplatine oder der Unterseite einer doppelseitigen Leiterplatte, die vollständig aus Kupfer besteht. Da der Widerstand der überfluteten Seite so niedrig wie möglich ist, bildet sie einen perfekten Schutzschild, der es ermöglicht, die Schicht für die Erdung zu verwenden. Da sie zudem über die gesamte Größe der Schicht verteilt ist, bietet sie die niedrigstmögliche Induktion sowie die bestmögliche Leitung, um spurious ground different voltages so gering wie möglich zu halten.

Wir können auch Spannungsebenen einbeziehen. Sie funktionieren nach demselben Prinzip, indem sie die gesamte Schicht fluten und den Vorteil eines sehr niedrigen Impedanzleiters haben. Dies wird dann jeder Ebene pro Systemspannung gewidmet, sodass ein System mehr als eine Ebene haben kann. Auch wenn dies auf dem Papier gut klingt, ist es in der Praxis nicht immer die beste Lösung. Die Ebene selbst hat immer noch einen Restwiderstand und eine Restinduktivität. Unter bestimmten Umständen kann das ausreichen, um zu verhindern, dass die Schaltung so funktioniert, wie es erwartet wird. Insbesondere wenn wir sehr hohe Ströme in eine Ebene einspeisen, kann dies einen Spannungsabfall verursachen, der die Funktion der Schaltung stört. Ein weiterer Vorteil von Masseebenen ist die Möglichkeit, Impedanz-kontrollierte Mikrostreifen- oder Streifenleitungstechniken zu verwenden, für die Verwendung von Hochgeschwindigkeits-Analog- oder Digitalsignalen.

3) Trennung von Analog- und Digitalmasse:

Es ist allgemein anerkannt, dass digitale Schaltungen viel lauter sind als analoge – insbesondere Logikschaltungen wie TTL oder CMOS. Logikschaltungen verwenden oft nur einige hundert Millivolt, was sie nahezu immun gegenüber lauten Umgebungen macht. Jedoch erzeugen sie auch eine Menge eigenen Lärms.

Analoge sind andererseits viel anfälliger für äußere Störungen, erzeugen jedoch selbst nicht viel davon. Das bedeutet, dass die Leistung der Analogen leicht durch das digitale Rauschen beeinträchtigt werden kann, es sei denn, die beiden sind getrennt.

Wenn Sie weitere Komponenten wie RAM, Lüfter und andere Geräte mit hohem Stromverbrauch hinzufügen, ist es plötzlich nicht mehr in Ordnung, Ihre Systeme in einer lauten Umgebung ohne angemessene Abschirmung zu betreiben.

Die Lösung besteht darin, Ihren analogen und digitalen Massepunkt an einem einzigen Punkt in Ihrem System zu verbinden und alle Signale auf ein gemeinsames Potential zu beziehen, ähnlich dem Sternpunktsystem, jedoch unter Beibehaltung einer angemessenen Abschirmung. Der einzelne Punkt muss weise gewählt werden, da der Standort einen großen Einfluss auf den gesamten Schaltkreis haben kann. In den meisten Fällen erzielen Sie die besten Ergebnisse, wenn Sie ihn in der Nähe der Stromversorgung platzieren. Daher ist eine Analyse des fließenden Stroms oft nützlich, um einen besseren Überblick über das Design zu erhalten.

Störsignal

FASSUNG ZUSAMMEN

Von allen Methoden, die wir besprochen haben, bietet keine eine 100% effektive Lösung für jedes Design. Was können Sie also tun? Überlegen Sie sich Ihre Optionen sorgfältig für jedes Design und bestimmen Sie, welche Lösung am besten funktioniert, basierend auf den Designmerkmalen. Besonders beim Arbeiten mit gemischten Signalgeräten ist es wesentlich, ein System zur Hand zu haben, das jede benötigte Technologie unterstützen kann und Ihnen hilft, eine angemessene Erdung zu implementieren, die die richtigen Kontrollmechanismen bietet, basierend auf Ihrer gegebenen Designumgebung.

WIE WIR IHNEN HELFEN KÖNNEN

Wir haben gesehen, dass es mehrere Methoden gibt, wie Erdung erreicht werden kann, sowie die Wichtigkeit der Kontrolle von Analysemethoden. Das Problem ist, all diese Themen in einem Werkzeug anzugehen. Altium Designer bietet jedoch genau das..

Mit unseren verschiedenen Plugins und Funktionen, wie Net-Ties, können wir mehrere unterschiedliche Signale an einem Ort verbinden, um eine Stern-Erdung zu erstellen. Ebenen werden direkt in unserem Schichtstapel implementiert und sind sofort einsatzbereit. Das Tool bietet auch die Möglichkeit, geteilte Ebenen zu verwenden und den Verbindungsstil in einer schnellen und benutzerfreundlichen Umgebung zu definieren. Intelligente Kupferflächen, bekannt als Polygone, können für das einfache Fluten von definierten Bereichen verwendet werden. Es unterstützt auch gestrichelte Technologien, die mit einem einzigen Klick angepasst werden können.

Mit zusätzlicher Technologieunterstützung für verschiedene Analysefunktionen durch unser Plugin-System sind Sie immer einen Schritt voraus vor dem Problem und bereit, jeglichen Erdungsherausforderungen, die auf Sie zukommen könnten, zu begegnen.