Free Trials

Download a free trial to find out which Altium software best suits your needs

How to Buy

Contact your local sales office to get started on improving your design environment

Downloads

Download the latest in PCB design and EDA software

  • PCB DESIGN SOFTWARE
  • Altium Designer

    Complete Environment for Schematic + Layout

  • CircuitStudio

    Entry Level, Professional PCB Design Tool

  • CircuitMaker

    Community Based PCB Design Tool

  • NEXUS

    Agile PCB Design For Teams

  • CLOUD PLATFORM
  • Altium 365

    Connecting PCB Design to the Manufacturing Floor

  • COMPONENT MANAGEMENT
  • Altium Concord Pro

    Complete Solution for Library Management

  • Octopart

    Extensive, Easy-to-Use Component Database

  • PRODUCT EXTENSIONS
  • PDN Analyzer

    Natural and Effortless Power Distribution Network Analysis

  • See All Extensions
  • EMBEDDED
  • TASKING

    World-Renowned Technology for Embedded Systems Development

  • TRAININGS
  • Live Courses

    Learn best practices with instructional training available worldwide

  • On-Demand Courses

    Gain comprehensive knowledge without leaving your home or office

  • ONLINE VIEWER
  • Altium 365 Viewer

    View & Share electronic designs in your browser

  • Altium Designer 20

    The most powerful, modern and easy-to-use PCB design tool for professional use

    ALTIUMLIVE

    Annual PCB Design Summit

    • Forum

      Where Altium users and enthusiasts can interact with each other

    • Blog

      Our blog about things that interest us and hopefully you too

    • Ideas

      Submit ideas and vote for new features you want in Altium tools

    • Bug Crunch

      Help make the software better by submitting bugs and voting on what's important

    • Wall

      A stream of events on AltiumLive you follow by participating in or subscribing to

    • Beta Program

      Information about participating in our Beta program and getting early access to Altium tools

    All Resources

    Explore the latest content from blog posts to social media and technical white papers gathered together for your convenience

    Downloads

    Take a look at what download options are available to best suit your needs

    How to Buy

    Contact your local sales office to get started improving your design environment

    • Training & Events

      View the schedule and register for training events all around the world and online

    • Design Content

      Browse our vast library of free design content including components, templates and reference designs

    • Webinars

      Attend a live webinar online or get instant access to our on demand series of webinars

    • Support

      Get your questions answered with our variety of direct support and self-service options

    • Technical Papers

      Stay up to date with the latest technology and industry trends with our complete collection of technical white papers.

    Zapobieganie powstawaniu pętli zwarcia w projektach płytek PCB

    Altium Designer
    |  March 30, 2018
    Zapobieganie powstawaniu pętli zwarcia w projektach płytek PCB

    Proper signal trace routing can prevent ground loops

    Chyba każdy kiedyś przez to przechodził. Kupujesz wspaniałą wieżę audio, włączasz ją i słyszysz dobrze znany dźwięk buczenia. Gdy składasz w sklepie reklamację, sprzedawca obwinia producenta urządzenia. Ten z kolei twierdzi, że winny jest producent komponentów, który nie ma już na kogo zrzucić winy. Prawdziwym źródłem problemu są pętle zwarcia doziemnego, powstające na skutek błędów w projekcie.

    Pętle zwarcia są źródłem szumów w obwodach elektrycznych. W płaszczyznach masy mogą płynąć duże prądy, a różnica napięć pomiędzy połączeniami z masą powoduje powstanie pętli zwarcia. Dźwięki brzęczenia lub buczenia w niektórych systemach audio są jednym z przejawów szumu wytwarzanego przez pętle zwarcia.

    Dlaczego trasowanie połączeń z masą jest tak ważne?

    Jeśli pamiętasz lekcje podstaw elektroniki, wiesz, że prąd elektryczny zawsze płynie w zamkniętej pętli. W pętli zwarcia doziemnego na płytce PCB sygnały przepływają wokół płytki poprzez ścieżki przewodzące i pobliskie ścieżki powrotne. Gdy sygnał osiąga pełną siłę i przemieszcza się po płytce, powoduje to wzbudzanie sygnału powrotnego w pobliskiej ścieżce powrotnej. Innymi słowy, ścieżka sygnałowa i powrotna tworzą pętlę prądową, a siła wzbudzanego sygnału powrotnego jest tym większa, im mniejsza jest powierzchnia pętli.

    Dlaczego to takie ważne? Oznacza to, że jeśli chcesz zapewnić skuteczny powrót sygnału do masy, musisz prowadzić ścieżki sygnałowe tak blisko powrotnych, jak tylko to możliwe. Jako że ścieżki sygnałowe są z reguły umieszczane na górze płytki, najprostszym rozwiązaniem jest poprowadzenie ścieżek powrotnych bezpośrednio pod nimi. Takie rozwiązanie minimalizuje powierzchnię pętli prądowych i zmniejsza interferencję elektromagnetyczną.

    Połączenia z płaszczyzną masy

    Zamiast prowadzić ścieżki sygnałowe i powrotne bezpośrednio jedne nad drugimi, możesz umieścić płaszczyznę przewodzącą pod ścieżkami sygnałowymi i połączyć ją z masą. Takie umieszczenie płaszczyzny masy umożliwia naturalne wzbudzanie sygnału powrotnego pod ścieżką sygnałową, a więc obwód będzie zamknięty.

    Gdy płaszczyzna masy znajduje się bezpośrednio pod płaszczyzną zawierającą ścieżki sygnałowe, będą one wszystkie wzbudzały swoje własne ścieżki powrotne bezpośrednio w płaszczyźnie masy. Ten przykład świetnie ilustruje, jak wygodne jest zastosowanie dużej płaszczyzny masy do prowadzenia sygnałów powrotnych zamiast trasowania każdej ścieżki powrotnej oddzielnie.

    Żadna płaszczyzna masy nie jest jednak przewodnikiem doskonałym – zawsze ma pewien opór i indukcyjność. Jeśli dwie ścieżki sygnałowe łączą się w różnych punktach z płaszczyzną masy, pomiędzy tymi połączeniami może istnieć niewielka różnica napięć. Jest to jedna z głównych przyczyn powstawania pętli zwarcia w płaszczyźnie masy płytki PCB. Potencjały pętli zwarcia i drogi powrotnej mogą mieć wartości rzędu mikrowoltów, ale nawet tyle wystarczy, aby doprowadzić do problemów z integralnością sygnału, szczególnie w urządzeniach niskoprądowych.

    PCB schematic and finished board

    Odpowiednie planowanie może zniwelować wiele potencjalnych problemów z pętlami zwarcia

    Chociaż nie da się całkowicie wyeliminować zakłóceń powodowanych przez pętle zwarcia, można je znacznie zredukować i ograniczyć ich wpływ na integralność sygnałów do minimum. Zamiast tworzyć wiele różnych punktów połączenia z masą, lepiej poprowadzić ścieżki do połączenia z masą poprzez jej płaszczyznę. Pomaga to zminimalizować potencjalną różnicę napięć pomiędzy ścieżkami na płytce PCB a połączeniem z płaszczyzną masy poprzez zmniejszenie odległości pomiędzy nimi.

    Przewód powrotny do masy prowadzący do źródła zasilania również powinien być połączony z płaszczyzną masy w jednym punkcie. Gdy płaszczyzna masy łączy się ze źródłem zasilania tylko w jednym punkcie, potencjał będzie rozkładał się niemal równomiernie w całej tej płaszczyźnie. Jeśli płaszczyzna masy ma wiele połączeń powrotnych do źródła zasilania, może to doprowadzić do powstania pętli zwarcia ze względu na różnicę napięć pomiędzy tymi połączeniami. Zastosowanie jednego, odpowiedniego punktu połączenia z masą pozwala na wyeliminowanie tych pętli.

    Właściwa topologia

    Niestety, umieszczenie takiej płaszczyzny masy, która rozciąga się pod wszystkimi ścieżkami sygnałowymi, jest możliwe jedynie w prostszych projektach z małą liczbą połączeń między komponentami. Zastosowanie rozległej płaszczyzny masy pod ścieżkami sygnałowymi jest zazwyczaj dobrym pomysłem w urządzeniach o niskiej częstotliwości. Jeśli ścieżki sygnałowe i płaszczyzna masy wyznaczają małą powierzchnię, zmniejsza to również wrażliwość układu na interferencję elektromagnetyczną z zewnątrz.

    Taka płaszczyzna masy rozciągająca się pod każdym komponentem może jednak nie być pożądana w zastosowaniach wysokich częstotliwości. Na przykład,wskutek umieszczenia płaszczyzny masy bezpośrednio pod zegarem sygnałowym w obwodach analogowo-cyfrowych o wysokiej częstotliwości napędzanych przez generatory stabilizowane piezoelektrycznie powstaje centralnie zasilany promiennik. To doprowadzi do dalszego pogorszenia problemów z interferencją. Jeśli nie zastosujemy dobrego ekranowania, prawdopodobnie ucierpi na tym integralność sygnału.

    Gdy w obwodzie znajduje się wiele płaszczyzn masy, można zapobiec powstawaniu pętli zwarcia pomiędzy nimi poprzez zastosowanie odpowiedniej topologii. Zamiast łączyć płaszczyzny masy w topologię pierścienia lub łańcucha, można je połączyć z masą źródła zasilania w topologii gwiazdy. Połączenie łańcuchowe płaszczyzn masy może doprowadzić do powstania pętli zwarcia pomiędzy nimi. Topologia gwiazdy pozwala na bezpośrednie połączenie każdej płaszczyzny do źródła zasilania i eliminację pętli pomiędzy płaszczyznami masy. 

    Metallic spheres connected in a start-type-shape

    Projektuj połączenia wielu płaszczyzn masy w topologii gwiazdy

    Gdy w projekcie stosujesz wiele płaszczyzn masy, uważaj, aby nie trasować żadnych ścieżek nad wieloma takimi płaszczyznami. Każda ścieżka powinna być poprowadzona jedynie nad jej własną płaszczyzną masy. Jest to szczególnie ważne w projektach układów analogowo-cyfrowych. Na przykład, jeśli sygnał cyfrowy zostanie poprowadzony nad analogową płaszczyzną masy, może dojść do sprzężenia zakłóceń pomiędzy sygnałami analogowymi a cyfrowymi. Jest to sprzeczne z celem topologii gwiazdy.

    Narzędzie PDN Analyzer™ w programie Altium Designer® pozwala na optymalizację projektu pod kątem zmniejszenia problemów z integralnością sygnałów. Oprócz tego, trójwymiarowy interfejs projektowania płytek PCB zdecydowanie pomaga w wizualizacji projektów. Aby dowiedzieć się więcej, już dziś porozmawiaj z ekspertem z firmy Altium.

    About Author

    About Author

    PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

    most recent articles

    Back to Home