Wszystko o masie odniesienia i masie obudowy w projektowaniu elektroniki

Pojęcia takie jak techniki uziemienia, uziemienie, wykonywanie połączeń uziemienia PCB oraz uziemienie obudowy PCB są wszystkie bardzo skomplikowane w elektronice, pomimo międzynarodowych standardów, które próbowały oddzielić pojęcia i terminologię. Uziemienie jest ważne we wszystkich aspektach projektowania elektroniki, prac elektrycznych i oczywiście w projektowaniu PCB. Wszystkie obwody będą potrzebować połączenia odniesienia, coś, co nazywamy ziemią, ale dokładne odniesienie jest definiowane na różne sposoby dla różnych systemów.

Jeśli nie jesteś pewien, jak działają uziemienia PCB w różnych typach elektroniki i jak używać połączeń uziemienia, nie ma prostej odpowiedzi, która byłaby zastosowana do każdego systemu. Różne typy elektroniki będą miały różne sposoby definiowania swojego potencjału odniesienia, i wszystkie uziemienia nie zawsze są na tym samym potencjale, wbrew temu, czego mogłeś się nauczyć na wstępnym kursie elektroniki. W tym artykule podejdziemy do tematu z poziomu systemowego, definiując i integrując uziemienia cyfrowe, uziemienia analogowe, uziemienia obudowy i ostatecznie połączenie z uziemieniem ziemnym. Czytaj dalej, aby dowiedzieć się, jak ostatecznie uziemienie jest połączone z twoją płytą PCB i ostatecznie ze wszystkimi komponentami w twoim systemie.

Co to jest odniesienie do ziemi w obwodzie i do czego to służy?

Istnieje kilka sposobów definiowania masy, w zależności od tego, kogo się pyta. Fizycy definiują ją na swój sposób (głównie teoretyczny), podczas gdy elektrycy i inżynierowie elektrycy mogą dosłownie odnosić się do ziemi pod twoimi stopami (masa ziemska). W elektronice czasami odnosimy się do masy jako do funkcji, które mogą być stosowane zamiennie. Oto niektóre z podstawowych funkcji masy w elektronice:

• Masa zapewnia punkt odniesienia, który jest używany do pomiaru napięć. Wszystkie napięcia są definiowane w terminach pola elektrycznego (i energii potencjalnej) między dwoma punktami. Jeden z tych punktów może być zdefiniowany jako "0 V", i właśnie dlatego nazywamy to odniesienie 0 V "masą". To jeden z powodów, dla których mówimy, że płaszczyzna masy w PCB to "płaszczyzna odniesienia".
• Masa może być używana do zapewnienia ścieżki dla prądu powrotnego do źródła zasilania, tym samym zamykając obwód.
• Koncepcyjnie, masa działa jak duży zbiornik ładunku, który również definiuje kierunek przepływu prądu. Ponieważ przyjmujemy masę za nasze odniesienie 0 V, napięcia powyżej lub poniżej tej wartości (dodatnie lub ujemne) będą napędzać przepływ prądu w różnych kierunkach względem lokalizacji masy.
• Ziemia zapewnia punkt, w którym kończą się pola elektryczne. Jest to naprawdę wariacja na temat pierwszego punktu. Jeśli kiedykolwiek musiałeś rozwiązywać problemy z metodą obrazów na zajęciach z elektromagnetyzmu, powinieneś pamiętać, że ziemia jest definiowana jako powierzchnia o jednakowym potencjale, utrzymywana specjalnie na poziomie 0 V. Zauważ, że ta definicja dotyczy również każdego przewodnika utrzymywanego na określonym napięciu (np. płaszczyzna zasilania w PCB).
• Spadek napięcia na idealnym przewodniku uziemiającym wynosi 0 V. Innymi słowy, jeśli zmierzysz napięcie między dowolnymi dwoma punktami w odniesieniu do ziemi, zawsze powinieneś zmierzyć 0 V. Jest to ponowne stwierdzenie punktu 2 powyżej.

W projektowaniu PCB często mówimy o uziemieniu w kontekście punktów 1 i 3, ponieważ definiuje to, jak zasilane są komponenty i jak mierzone są sygnały cyfrowe/analogowe w projekcie. Specjaliści od EMI/EMC czasami mówią o uziemieniu w kontekście punktu 4, ponieważ opisuje to zasadniczo funkcję materiałów ekranujących. Wszyscy akceptują punkt 5 jako ewangelię, chociaż punkt 5 nie zdarza się w rzeczywistości.

Teraz, gdy omówiliśmy te punkty, należy zdać sobie sprawę z kilku rzeczy dotyczących uziemienia i różnych rodzajów uziemień w elektronice.

Wszystkie uziemienia są niedoskonałe

Chociaż wszystkie obszary masy mają na celu posiadanie powyższych cech, rzeczywista natura przewodników oznacza, że funkcjonują one inaczej, gdy są używane jako odniesienie do masy. Ponadto, geometria obszaru masy określa, jak wchodzi on w interakcje z polami elektrycznymi i magnetycznymi, co następnie wpływa na sposób przepływu prądu do i wewnątrz obszaru masy. Dlatego różne sygnały będą miały określoną ścieżkę powrotną, która zależy od ich zawartości częstotliwościowej. Ponadto, wszystkie masy mają niezerową rezystancję, co prowadzi do kolejnego punktu dotyczącego rzeczywistych mas.

Nie wszystkie masy są na 0 V

Przewodniki, które są pozostawione niepodłączone, lub przewodniki w systemie, które są odniesieniem do różnych źródeł zasilania, mogą nie mieć tego samego potencjału 0 V. Innymi słowy, mogłoby być tak, że masz dwa odniesienia do masy dla dwóch różnych urządzeń, oba podłączone do tego samego odniesienia, ale jeśli zmierzysz potencjał między nimi, zmierzysz napięcie niezerowe.

To może się zdarzyć nawet, gdy dwa urządzenia odnoszą się do tego samego przewodnika jako do połączenia z masą. Gdybyś zmierzył różnicę potencjałów na długim przewodniku (np. za pomocą multimetru), mogłaby być ona różna od zera, co oznacza, że pewien prąd jest przeprowadzany wzdłuż przewodnika. Ta różnica potencjałów wzdłuż dużej masy lub między dwoma połączeniami z masą nazywana jest "przesunięciem masy". W większych systemach wielopłytowych lub w obszarach takich jak sprzęt przemysłowy i sieciowy, przesunięcie masy jest jednym z czynników skłaniających do stosowania sygnalizacji różnicowej (np. CAN bus, Ethernet itp.). Ponieważ protokoły różnicowe wykorzystują różnicę napięć między dwoma przewodami, ich odniesienia do masy są nieistotne, a sygnały mogą być nadal interpretowane.

Typy mas w elektronice

W elektronice, dla nowego projektanta łatwo jest się pogubić w różnorodnej terminologii używanej dla mas w projektowaniu PCB: cyfrowa, analogowa, systemowa, sygnałowa, obudowy i ziemia. Do tego dochodzi fakt, że symbole reprezentujące masę są mieszane i często używane niepoprawnie, coś, czego i ja z pewnością dopuszczam się dla wygody. Bez względu na to, istnieją pewne standardowe symbole masy, które są używane w inżynierii elektrycznej i elektronicznej, w tym w twoich schematach elektroniki.

Różne rodzaje połączeń z masą są oznaczane na schematach przy użyciu symboli zdefiniowanych w normach IEC 60417. Powszechnie używane symbole w projektowaniu PCB przedstawiono poniżej:

Symbol masy sygnałowej może być używany dla masy cyfrowej lub analogowej, wystarczy zastosować odpowiednią nazwę sieci (czasami używam AGND dla masy analogowej i DGND dla masy cyfrowej). Masa obudowy PCB jest czasami połączona z powrotem z masą ziemi, w zależności od konstrukcji systemu i sposobu zasilania. Wreszcie, masa bezpieczeństwa może być czasami połączona bezpośrednio z ziemią przez przewód neutralny, z obudową lub możliwie z ziemią przez połączenie z obudową o niskiej indukcyjności.

Masa Ziemi

Termin "uziemienie do ziemi", czy po prostu "ziemia" w elektronice, odnosi się do dosłownego połączenia z ziemią. Innymi słowy, potencjał ziemi jest używany jako nasze odniesienie do 0 V ziemi. Jeśli kiedykolwiek przyglądałeś się słupowi energetycznemu, który przenosi linie energetyczne, czasami można zobaczyć przewód biegnący w dół słupa i wchodzący w ziemię. Jest to połączenie z uziemieniem, które jest niedoskonałe, ponieważ opór w glebie wzdłuż kabla może być wysoki. Jednakże, używanie ziemi zapewnia duży zbiornik ładunku, który jest charakterystyczny dla pożądanego połączenia z uziemieniem. To połączenie nie jest przeznaczone do przewodzenia prądu, gdy obciążenia pobierają moc, przenosi prąd tylko podczas rozpraszania prądów przypadkowych (np. zakłóceń lub zdarzeń ESD).

Połączenia uziemienia obudowy PCB

Ważnym punktem, na który należy zwrócić uwagę w elektronice, jest to, że nie wszystkie systemy będą miały połączenie z masą obudowy. Zazwyczaj termin ten odnosi się do metalowej obudowy znajdującej się w zamknięciu, do której wykonuje się połączenie. W 3-przewodowych systemach AC (przewody fazowy, neutralny i uziemiający) lub w 3-przewodowych systemach DC (DC+, wspólny DC i przewody uziemiające) masa obudowy jest zwykle połączona z masą ziemi w punkcie, gdzie zasilanie wchodzi do wtyczki w systemie. Część systemu może być również połączona z masą obudowy PCB, aby odprowadzać zakłócenia lub ze względów bezpieczeństwa (np. ochrona ESD), jak w poniższym przykładzie. Układ ten zapewnia filtrację szumów wspólnych dla wejścia AC lub DC w połączeniu 3-przewodowym.

Ten typ połączenia z masą ziemi zapewnia trzy funkcje:

1. Ponieważ obudowa jest teraz ustawiona na globalny potencjał odniesienia masy 0 V, działa ona jako klatka Faradaya i zapewnia szerokopasmowe ekranowanie.
2. Zapewnia funkcję bezpieczeństwa, która rozprasza prądy błądzące (ESD, zwarcia lub zakłócenia) z powrotem do ziemi. To jeden z powodów, dla których czasami nazywamy masę obudowy "masą bezpieczeństwa".
3. Może zapewnić niską impedancję drenowania dla wspólnego szumu trybu w tym filtrze przeciwwybuchowym EMI, bez konieczności umieszczania na płytce ferrytu lub dużego dławika.

W systemie zasilanym bateryjnie, lub w systemie z prostym 2-przewodowym połączeniem zasilania DC, płaszczyzna masy PCB może być połączona z obudową przez otwory montażowe. Idea tutaj polega na tym, aby upewnić się, że nie ma unoszącego się przewodnika, ponieważ nieuziemiony przewodnik może działać jako radiator ze względu na pojemnościowe sprzęganie prądu do obudowy. Nieuziemiona obudowa lub inne unoszące się przewodniki na płytce mogą być źródłami promieniowanego EMI, które można łatwo wyeliminować, łącząc je z masą.

Analogowa i cyfrowa masa

Analogowa i cyfrowa masa to dwie różne kwestie od połączeń z masą ziemi i obudowy. Zazwyczaj na PCB możesz mieć połączenie z masą obudowy, jak opisano powyżej, oraz połączenie z masą ziemi dla bezpieczeństwa. Tymczasem, powinieneś mieć płaszczyznę masy na PCB, która obsługuje zarówno analogowe, jak i cyfrowe ścieżki powrotne; nie powinieneś mieć fizycznie oddzielonych sieci mas. Te fizycznie oddzielone masy mogą tworzyć silne emisje promieniowane, gdy są nakładane na siebie w układzie warstw, szczególnie przy częstotliwościach falowodów płytowych. Zamiast tego, wykonuj wszystko nad pojedynczym odniesieniem masy w twoim PCB

Aby dowiedzieć się więcej na temat różnic między masą analogową a cyfrową, przeczytaj ten artykuł o połączeniu gwiazdowym, który wyjaśnia główne powody, dla których nie powinieneś używać fizycznie oddzielonych płaszczyzn masy.

Czy należy łączyć masę sygnału z masą ziemi?

Nieczęsto wykonuje się to bezpośrednio. Może to być odpowiednie w przypadku baterii wysokonapięciowych DC/PSU lub podobnych systemów, które są testowane. Ogólnie rzecz biorąc, masa obudowy może być połączona z ziemią, która następnie łączy się z obwodem odnoszącym się do płaszczyzny masy PCB po stronie wejściowej (np. filtr EMI przed prostownikiem na wejściu). W nieizolowanym 3-przewodowym systemie AC lub w 3-przewodowym systemie AC, który jest prostowany do DC, jeśli połączysz masę odniesienia sygnału w obwodzie z ziemią, po prostu zwierasz ujemny przewód w linii AC lub DC. Nie rób tego, ponieważ teraz obudowa może być dużym przewodnikiem prądu! Istnieje teraz ryzyko porażenia (w systemach wysokonapięciowych/prądowych) lub intensywnego EMI (w systemach wysokiej częstotliwości). Gdy to się stanie, prąd będzie przepływał z powrotem do połączenia z ziemią, o ile jest to ścieżka o najmniejszej reaktancji z powrotem do ziemi, a ta ścieżka może prowadzić przez kogoś, kto dotyka urządzenia, podczas gdy przewodzi wysoki prąd.

W systemie dwuprzewodowym (bez połączenia z uziemieniem), istnieją różne wytyczne dotyczące tego, jak lub czy należy łączyć masę sygnału z powrotem z obudową. Niektóre wytyczne mówią, że uziemienie wielopunktowe jest w porządku, inne zalecają użycie pojedynczego punktu w pobliżu I/O, a jeszcze inne mówią, aby użyć pojedynczego punktu w pobliżu złącza zasilania dla bezpieczeństwa. Jeśli problemem w całym systemie jest hałas RF, możesz połączyć z powrotem z obudową w wielu punktach, aby rozproszyć hałas, ale prawdopodobnie masz większy problem z układem, ponieważ nie zbudowałeś poprawnie stosu warstw, a urządzenie po prostu odbiera zbyt dużo energii radiowej. Skup się na poprawnym budowaniu stosu warstw, a może nie będziesz musiał łączyć otworów montażowych w całej płycie, wystarczy to zrobić w kilku punktach. W tym przypadku nie powinieneś tworzyć połączenia z powrotem do ziemi.

Podsumowanie technik uziemienia PCB

Z PCB będącym naczyniem, które zawiera Twoje układy elektroniczne, ważne jest, aby prawidłowo wykonać uziemienie obudowy. Jak omówiliśmy powyżej, strategia uziemienia obudowy jest istotna dla bezpieczeństwa, EMI/EMC oraz projektowania systemów, więc ważne jest, aby zrobić to dobrze. Chociaż obecność wielu uziemień PCB w projekcie może wydawać się myląca, najlepsze narzędzia do edycji schematów i oprogramowanie do projektowania układów PCB pomogą Ci śledzić sieci uziemień w całym projekcie, gdy tworzysz swój fizyczny układ.

Najlepsze narzędzia do projektowania PCB w Altium Designer^® dają Ci wszystko, co jest potrzebne do wdrożenia uziemienia obudowy w projektowaniu elektroniki i w układzie PCB. Kiedy będziesz gotowy, aby wysłać swój projekt do produkcji, możesz łatwo udostępnić dane projektowe swojemu producentowi za pomocą platformy Altium 365^™. Altium 365 i Altium Designer dają Ci wszystko, czego potrzebujesz, aby przejść przegląd projektu, komunikować wymagania testowe i komunikować zmiany w projekcie.