Sternerdung auf Leiterplatten: Was ist das und warum wird sie eingesetzt?

Wenn Sie sich im Internet umsehen, stoßen Sie auf einige interessante Erdungsempfehlungen. Manchmal wird mit der Terminologie um sich geworfen und bei Leiterplatte eingesetzt, obwohl der richtige Kontext oder das Verständnis des tatsächlichen elektrischen Verhaltens fehlt. Gleichstromempfehlungen werden auf Wechselstrom angewandt, Schwachstrom auf Starkstrom (und umgekehrt) … die Liste ist lang. Eine der interessanteren Erdungstechniken (korrekterweise „Masseführungstechniken“), die auch in einigen populären Blogs in der Branche empfohlen wird, ist der Einsatz einer Leiterplatten-Sternerdung.

Der Begriff ist nicht ausschließlich auf das PCB-Design beschränkt und wird in einer Vielzahl von Zusammenhängen verwendet, bei denen es nicht direkt um die Masseverbindung auf der Leiterplatte geht. Es handelt sich dabei um einen Begriff aus der Systemanalyse, und es scheint, dass er auf Platinen angewendet wurde, ohne den praktischen Aspekt der Herstellung von Masseverbindungen auf einer realen Leiterplatte viel Aufmerksamkeit zu schenken. Es gibt einige Layouts, bei denen man eine sternenförmige Masseführung nachahmen kann, doch wenn man darüber nachdenkt, wird dies schnell ein unpraktisches Unterfangen. Der korrekte Weg ist die Nutzung von Masseebenen im Layeraufbau, außer in einigen Fällen, in denen Sie wenig oder keine Kontrolle über die Rückleitungen haben oder eine bessere Isolierung benötigt wird.

Obwohl die Implementierung einer Sternerdung auf einer Platine schwierig und nicht immer notwendig ist, ist sie in Haushalten, im Handel und in der Industrie üblich. In einem Multi-Board-System, das möglicherweise eine Isolierung oder lange Kabelverbindungen erfordert, lassen sich ebenfalls einige interessante Konfigurationen realsisieren, die der Philosophie der Leiterplatten-Sternerdung folgen, nur in einem etwas größeren Maßstab. Lassen Sie uns diese Idee der Sternerdung etwas genauer betrachten. Dazu sehen wir uns ein Beispiel an, bei dem diese Erdungsmethode im Rahmen bestimmter Voraussetzungen auf einer Leiterplatte angewendet werden kann.

Was ist eine Sternerdung?

Die sternförmige Erdung wird normalerweise verwendet, um mehrere Module, Instrumente oder andere Geräte an einen einzigen Erdungspunkt anzuschließen, sodass alle dasselbe Potenzial haben. Die in der Hausverkabelung verwendeten Gruppen von verketteten Steckdosen sind grundsätzlich sternförmig angeordnet, wobei die Erde als Sicherheits- und Referenzpunkt dient. Dieses Konzept wird häufig auf Module, Baugruppen oder Geräte angewandt, die an einem gemeinsamen Stromkreis angeschlossen sind, ähnlich der Hausverkabelung (ohne Verkettung).

Wird dieses Konzept für Leiterplatten übernommen, begünstigt es eine Erdungsstrategie, die für das Routing (insbesondere impedanzkontrolliertes Routing), für EMI und oft auch für die Stromverteilung nachteilig ist. Der einzige Anwendungsfall, in dem man ein EMI-freies Mixed-Signal-System durch die Implementierung einer sternförmigen Masse in einer Leiterplatte realisieren kann, ist jedoch trivial und bietet dem Entwickler keinen Vorteil. Darüber hinaus gibt es eine weitere Variante, bei der eine analoge Mehrplatinen-Konstruktion mit sternförmiger Erdung verwendet wird, die jedoch die gleiche Topologie wie die oben beschriebene Anordnung aufweist. In anderen Anwendungen, wie z. B. bei Gleichstrom oder Niederstrom-, Niederfrequenz- und Audiosignalen, kann eine sternförmige Masseverbindung auf einer Leiterplatte sinnvoll sein. Dies hängt jedoch davon ab, welche anderen Funktionen in dem System integriert sind.

Ganz klar: die Sternerdung ist nicht für jedes Design geeignet. Dennoch wird sie immer wieder als Allheilmittel für EMI-Probleme empfohlen, auch bei Mixed-Signal-Designs. Warum, wenn es gar nicht für den Einsatz auf einer Leiterplatte gedacht war?

Wieso sollte jemand eine Sternerdung auf einer Platine empfehlen?

Aus zwei Gründen wird oft die sternförmige Erdung empfohlen: Zur Isolierung zwischen digitalen und hochfrequenten Analogsignalen und die Vermeidung von Masseschleifen. Betrachten wir diese beiden Punkte einmal etwas genauer.

Zur Isolation ist keine Sternerdung erforderlich

This recommendation dates back to a longstanding bad design guideline: you should place splits or cutouts in planes to prevent high frequency and digital interference. This guideline is bad f

Bei der sternförmigen Erdung geht es darum, ein hochohmiges Hindernis zwischen den Rückwegen zweier Signalarten (Gleichstrom, niederfrequenter Wechselstrom und High-Speed, HF usw.) oder zwischen zwei verschiedenen Schaltungsgruppen zu legen, die über ihre eigenen Masseflächen verfügen sollen. Ich könnte mir drei Fälle vorstellen, in denen dies sinnvoll sein könnte:

1. Vollständig isolierte Schaltungsblöcke, die nur eine einzige Masseverbindung an der Stromversorgung haben; keine Leitwege zwischen den einzelnen Schaltungsteilen oder Schnittstellen, die die einzelnen Abschnitte überbrücken (keine A/D- oder D/A-Wandler usw.).
2. Sie verwenden Gleichstromsignale oder sehr langsame Signale (langsam ladende/entladende RC-Schaltungen), insbesondere, wenn hohe Signal-Rausch-Verhältnisse (SNR) angestrebt werden (z. B. bei Präzisionsmessungen).
3. Sie müssen analoge Signale mit niedrigem Pegel und niedriger Frequenz (d. h. kHz oder niederfrequenter) von einem digitalen Schaltungsteil mit niedriger oder hoher Geschwindigkeit trennen.

Abgesehen von diesen Spezialfällen lässt sich die Verwendung einer sternförmigen Erdung auf einer Leiterplatte aufgrund von EMI und Übersprechen im Allgemeinen nicht rechtfertigen. Bei einer sternförmigen Masseverbindung mit digitalen Signalen können Sie keine Leitungen zwischen den Leiterplattenabschnitten verlegen, da dies eine erhebliche EMI-Abstrahlung zur Folge hätte. Im Wesentlichen wird jedes Signal, das Sie über die Lücke zwischen den beiden Abschnitten leiten, auf eine sehr hohe Induktionsschleife treffen, die die Rückstromführung definiert.

Wenn Sie mit MHz oder höheren Frequenzen arbeiten und übliche Digitalsignale verwenden, die in eine Schnittstelle in der Nähe des Analogteils geleitet werden müssen, benötigen Sie keine sternförmige Masse, sofern Sie das Platinenlayout gestalten. Die Isolierung der Rückleitung stellt kein Problem dar. Diese koppeln sich in der Nähe von Leiterbahnen kapazitiv ein, statt sich in der Massefläche auszubreiten. Am besten ist es, analoge und digitale Schaltungen und Komponenten in verschiedene Bereiche über einer durchgehenden Massefläche aufzuteilen.

Was den zweiten Fall betrifft, so ist dies in Ordnung, solange die Verbindungsleitung und die Platine vollständig abgeschirmt sind, jedoch ist es die falsche Vorgehensweise, wenn empfindliche Messungen mit hoher Störfestigkeit erforderlich sind. Dann könnte eine Abschirmung auf Platinen- und Gehäuseebene die Lösung sein, um eine möglichst hohe Schirmwirkung zu erreichen.

Sternförmige Masseverbindung auf einer Platine ist für Masseschleifen bedeutungslos

Der andere Grund, warum eine sternförmige Masseführung in einem Layout empfohlen wird, ist die Vermeidung von Masseschleifen. Wenn Ihre Konstruktion ein Problem mit Masseschleifen hat, liegt ein anderes Problem in dem Design vor, das nicht durch eine sternförmige Masseverbindung gelöst werden kann. Dies ist ein weiterer Fall, in dem man die Terminologie aus anderen Bereichen der Elektronik übernommen und auf eine Art und Weise verwendet hat, für die sie ursprünglich nicht gedacht war:

1. Leiterplattendesigner bezeichnen eine Masseschleife manchmal als eine Leiterschleife, die einen Rückstrom führt. Dies kann dadurch entstehen, dass (a) Masseverbindungen in einem großen Kreis verlegt werden, oder (b) bei einer Mehrpunkt-Masseverbindung über durchkontaktierte Befestigungslöcher der Leiterplatte zu einem Gehäuse. 
2. Energietechniker verwenden diesen Begriff, um einen unbeabsichtigten Stromfluss in geerdeten Systemen zu beschreiben, die durch große Entfernungen voneinander getrennt sein können (nicht auf derselben Leiterplatte). Häufig findet man diesen Hinweis auf Leitungsmasten, die buchstäblich mit der Erde verbunden sind. Da der Widerstand dieser Erdungsanschlüsse nicht gleich null ist, ist es nicht verwunderlich, dass zwischen Geräten, die an unterschiedliche Erdungspunkte angeschlossen sind, Potenzialunterschiede auftreten können.

Masseschleifen wie in Nr. 2 beschrieben können in einer Leiterplatte gemäß Nr. 1 (b) auftreten, wenn zwei Verbindungen zwischen einem bestimmten Masseverbund und dem Gehäuse oder wenn GND auf zwei verschiedenen Lagen hochohmig verbunden ist und zwischen diesen Elementen ein von null abweichendes Potenzial herrscht.

Auf Leiterplatten ergibt sich eine analoge Situation, nur in kleinerem Maßstab, die nur im Digitalteil, nur im Analogteil, in oder zwischen beiden Schaltungsteilen (wenn das Gehäuse beteiligt ist) auftreten kann. Ein Beispiel, das nur im digitalen Teil unserer hypothetischen Stern-Masse-Leiterplatte vorkommt, ist unten dargestellt.

Diese Problematik stellt bei getrennten Geräten einen der Hauptgründe für die Verwendung von Differenzsignalen über längere Verbindungskabel dar, statt mehrere unsymmetrische Signale in abgeschirmten Kabeln zu verwenden. Abgeschirmte Kabel eignen sich gut für kurze Strecken, bei denen kein hoher Erdungsversatz auftritt. Wenn jedoch die Abschirmungen an beiden Enden mit der Erde verbunden sind und ein Erdungsversatz besteht, führt Ihr abgeschirmtes Kabel jetzt einen Strom in einer Masseschleife! Dies ist ein Sicherheitsrisiko, da jemand, der die Abschirmung oder den Gehäuseanschluss auf einer der beiden Seiten anfasst, einen Pfad zur Erde herstellen und einen Stromschlag bekommen oder das Kabel durchbrennen könnte.

Auf der Leiterplatte gibt es dieses Problem jedoch praktisch nicht, es sei denn, Sie haben hochohmige Masseverbindungen, die ein gewisses Masse-Offset-Potenzial in der Masseebene erzeugen. Dies kann beispielsweise im Gehäuse passieren, wenn Sie die Mehrpunkt-Erdung in der falschen Situation verwenden (z. B. bei Hochstrom-DC-Anwendungen im Gegensatz zu HF). Es wird erst dann zu einem Sicherheitsproblem, wenn:

• Alle Mehrpunktmasseverbindungen in einer einzigen Masseregion eine hohe Impedanz gegenüber den im System vorhandenen Masseverbindungen haben,
• Das System mit hohen Stromstärken betrieben wird oder
• Der Anwender die Leiter der Erdschleife berühren können.

Beachten Sie, dass ich nicht einmal die Möglichkeit verschiedener Masseflächen erwähnt habe: Alles befindet sich in ein und demselben Layer. Der Punkt ist, dass man eine sternförmige Masse und Masseschleifen haben kann. Wenn aber Masseschleifen Probleme mit der Signalintegrität verursachen, dann gibt es wahrscheinlich ganz andere Probleme, die nicht mit einer sternförmigen Masseauslegung gelöst werden können. Bei den meisten Leiterplatten besteht das Hauptproblem mit Masseschleifen in einem breitbandigen Rauschen, das analoge Signale mit niedrigem Pegel (i. d. R. von einem Sensor) stören kann, was zu einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) im abgetasteten Signal und damit zu ungenauen Daten führt.

Fundierter Ansatz

Gut konzipierte Platinen verfügen über Masseführungen, die einen niederohmigen Rückstrompfad für den Strom bereitstellen. Um dem Rauschen entgegenzuwirken, könnte ein Design stattdessen auf eine durchgehende Massefläche setzen. Zwischen dem analogen Massebereich und dem digitalen Bereich darf keine Unterbrechung zur Entkopplung eingefügt werden. Die einzige Ausnahme ist bei Audiofrequenzen, wenn Sie die Gleichstromversorgung von allem anderen trennen müssen, und wenn Sie zufällig überall in der Platine nur mit Gleichstrom arbeiten. Ich bin sicher, dass es noch einige andere Ausnahmen gibt, die nicht so häufig vorkommen.

Bei den meisten Designs mit einem Digitalteil sollten Sie sich darauf konzentrieren, die Platine ordnungsgemäß über eine Massefläche zu verlegen, anstatt die Massebereiche aufzuteilen und durch schlechtes Routing eine sternförmige Masseanordnung zu schaffen. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die verschiedenen Erdungsarten und die Probleme bei der sternförmigen Masseverbindung. Wie Sie sehen werden, ist der Hauptnutzen einer sternförmigen Masseverbindung beim Leiterplattendesign völlig unbedeutend. Sie haben keinen Vorteil davon, und man könnte genauso gut jeden Teil des Designs auf einer eigenen Leiterplatte unterbringen. Wenn Sie die Platine richtig layouten, können Sie die abgestrahlte EMI durch geeignete Leiterbahnführung reduzieren.

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