Czym jest gwiaździste uziemienie PCB i dlaczego ktokolwiek miałby je stosować?

Jeśli poszukasz w internecie, znajdziesz kilka ciekawych zaleceń dotyczących uziemienia/masy, a czasem pojawiają się też różne terminy, które są rzucane bez większego namysłu i stosowane do PCB bez odpowiedniego kontekstu ani zrozumienia rzeczywistego zachowania elektrycznego. Zalecenia dla DC stosuje się do AC, rozwiązania dla małych prądów przenosi się na duże prądy i odwrotnie... lista jest długa. Jedną z bardziej interesujących technik uziemienia, którą można spotkać w zaleceniach — także na popularnych blogach inżynierskich z branży — jest stosowanie gwiaździstego prowadzenia masy na PCB.

Termin ten nie dotyczy wyłącznie projektowania PCB i jest używany w różnych kontekstach, które nie odnoszą się bezpośrednio do definiowania masy na płytce. To pojęcie z analizy systemów i wygląda na to, że zostało przeniesione do świata PCB bez większej uwagi poświęconej praktycznym aspektom wykonywania połączeń masy na rzeczywistej płytce drukowanej. Istnieją pewne układy, w których można odwzorować masę gwiaździstą, ale gdy zacznie się o tym myśleć w praktyce, okazuje się to mało użytecznym ćwiczeniem. Prawidłowym sposobem projektowania na płytce jest stosowanie pól masy, z wyjątkiem niektórych przypadków, gdy masz niewielką lub żadną kontrolę nad ścieżkami prądu powrotnego albo gdy potrzebna jest izolacja.

Chociaż implementacja masy gwiaździstej na PCB jest trudna i nie zawsze konieczna, to w pewnym sensie stosuje się ją w instalacjach domowych, komercyjnych i przemysłowych. W systemie wielopłytkowym, zwłaszcza takim, który wymaga izolacji albo długich połączeń kablowych, również można wdrożyć interesujące rozwiązania zgodne z filozofią gwiaździstego prowadzenia masy na PCB, tylko w nieco większej skali. Przyjrzyjmy się bliżej tej idei; zobaczymy też przypadek, w którym ta metoda prowadzenia masy może zostać zastosowana na PCB w określonych warunkach.

Czym jest masa gwiaździsta?

Masa gwiaździsta jest zwykle używana do podłączenia wielu modułów, przyrządów lub innych urządzeń do jednego wspólnego punktu masy, tak aby wszystkie miały ten sam potencjał. Grupy gniazd łańcuchowo łączonych w instalacjach domowych są zasadniczo ułożone w konfiguracji gwiazdy, z ziemią jako zabezpieczeniem i ostatecznym punktem odniesienia. Tę samą ideę często stosuje się do wielu modułów lub przyrządów podłączonych do tego samego obwodu zasilania, podobnie jak w instalacjach domowych (ale bez połączenia łańcuchowego).

Kiedy ten termin stosuje się do PCB, promuje on strategię prowadzenia masy, która jest niekorzystna dla trasowania (szczególnie trasowania z kontrolowaną impedancją), niekorzystna z punktu widzenia EMI i często również niekorzystna dla dystrybucji zasilania. Istnieje jeden przypadek, w którym można stworzyć układ mieszany wolny od EMI poprzez zastosowanie masy gwiaździstej na PCB, ale okazuje się to trywialnym przypadkiem, który nie daje projektantowi żadnych korzyści. Istnieje też analogiczny przypadek projektowy dla systemu wielopłytkowego z masą gwiaździstą, ale ma on tę samą topologię co opisany wyżej układ. Inne przypadki, takie jak DC albo analog/audio o małym prądzie i niskiej częstotliwości, mogą być odpowiednie dla masy gwiaździstej na PCB, ale zależy to od tego, jakie inne funkcje zawiera system.

Jasne jest więc, że masa gwiaździsta nie jest rozwiązaniem dla każdego ani dla każdego projektu, a mimo to wciąż widzę ją polecaną jako uniwersalne lekarstwo na problemy z EMI, także w systemach mixed-signal. Dlaczego więc nadal zaleca się ją na PCB, skoro w rzeczywistości nie była przeznaczona do stosowania na płytkach?

Dlaczego ktokolwiek miałby zalecać masę gwiaździstą na PCB?

Są dwa powody, dla których ludzie wciąż zalecają masę gwiaździstą na PCB. Są to: zapewnienie izolacji między sygnałami cyfrowymi i analogowymi wysokiej częstotliwości oraz zapobieganie pętlom masy. Przyjrzyjmy się obu tym argumentom.

Nie potrzebujesz masy gwiaździstej do izolacji

To zalecenie wywodzi się z od dawna funkcjonującej, błędnej wytycznej projektowej: należy wykonywać rozcięcia lub wycięcia w polach, aby zapobiegać zakłóceniom wysokoczęstotliwościowym i cyfrowym. Ta wytyczna jest zła dla trasowania i zła z punktu widzenia EMI, a w szczególności prowadzi do niezręcznych decyzji projektowych, które nie zawsze mają sens.

Idea masy gwiaździstej polega na umieszczeniu przeszkody o wysokiej impedancji między ścieżką powrotną jednego typu sygnału (DC, AC o niskiej częstotliwości) a innym typem sygnału (duża szybkość, wysoka częstotliwość itd.) albo między dwiema różnymi grupami obwodów, które chcesz odseparować na własnych poligonach masy. Widzę trzy przypadki, w których mogłoby to mieć sens:

1. Bloki obwodów są całkowicie odizolowane i współdzielą tylko jedno połączenie masy przy zasilaniu; nie ma żadnego trasowania między poszczególnymi sekcjami ani interfejsów łączących te sekcje (brak przetworników A/D lub D/A itd.)
2. Używasz sygnałów DC albo bardzo wolnych sygnałów (powoli ładujące się/rozładowujące obwody RC), szczególnie gdy kluczowe jest zapewnienie wysokiego SNR (jednym z przykładów są pomiary precyzyjne)
3. Musisz oddzielić niskopoziomowe analogowe sygnały o niskiej częstotliwości (to znaczy kHz lub mniej) od wolnej lub szybkiej sekcji cyfrowej

Poza tymi specjalistycznymi przypadkami zazwyczaj nie da się uzasadnić stosowania masy gwiaździstej na PCB z powodu problemów z EMI i przesłuchem. W przypadku masy gwiaździstej obejmującej jakiekolwiek sygnały cyfrowe nie można prowadzić tras pomiędzy sekcjami płytki, ponieważ spowoduje to znaczną emisję promieniowaną EMI. Zasadniczo każdy sygnał prowadzony przez szczelinę między dwiema sekcjami napotka pętlę o bardzo dużej indukcyjności, która wyznacza jego ścieżkę powrotną.

Jeśli masz do czynienia z częstotliwościami rzędu MHz lub wyższymi i używasz sygnałów cyfrowych, które trzeba doprowadzić do jakiegoś interfejsu w pobliżu sekcji analogowej, nie będziesz potrzebować masy gwiaździstej, jeśli rozsądnie zaprojektujesz układ płytki. Izolacja ścieżek powrotnych nie będzie problemem; ścieżki powrotne będą naturalnie sprzęgać się pojemnościowo w pobliżu ścieżek sygnałowych, zamiast rozlewać się po polu masy. Najlepszym wyborem jest tutaj właściwe wydzielenie obwodów i komponentów analogowych oraz cyfrowych do różnych obszarów nad ciągłym polem masy.

Jeśli chodzi o przypadek nr 2 powyżej, jest to w porządku pod warunkiem, że połączenie i płytka są całkowicie ekranowane, ale jest to zły wybór, jeśli wymagane są czułe pomiary o wysokiej odporności na szum. W takim przypadku rozwiązaniem może być ekranowanie na poziomie płytki i obudowy, ponieważ można w ten sposób uzyskać wysoką skuteczność ekranowania.

Masa gwiaździsta na PCB nie ma znaczenia w kontekście pętli masy

Drugim powodem, dla którego zaleca się masę gwiaździstą na PCB, jest eliminacja pętli masy, a raczej zapobieganie ich powstawaniu. Jeśli w twoim projekcie występuje problem z pętlami masy, to w projekcie istnieje jakiś inny problem, którego nie da się rozwiązać za pomocą masy gwiaździstej. To kolejny obszar, w którym projektowanie PCB przejęło terminologię z innych dziedzin elektroniki i używa jej w sposób, do którego nigdy nie była przeznaczona:

1. Projektanci PCB czasami określają pętlę masy jako dosłowną pętlę przewodzącą prąd powrotny. Może ona powstać przez (a) prowadzenie ścieżek sieci GND po dużym okręgu albo (b) uziemienie wielopunktowe przez metalizowane otwory montażowe PCB do obudowy. W 99% przypadków nie zauważysz pętli masy, ponieważ różnica potencjałów w obrębie jednej sekcji GND jest bardzo mała. Staje się to bardzo istotne przy sygnałach o bardzo niskim poziomie, takich jak czujniki o wysokiej impedancji pracujące przy prądach mniejszych niż 1 uA.
2. Inżynierowie systemów energetycznych używają tego terminu do opisu niezamierzonego przepływu prądu w systemach uziemionych, które mogą być oddzielone dużymi odległościami (a nie znajdować się na tej samej PCB). Często spotkasz to określenie w odniesieniu do słupów uziemiających w sieciach energetycznych, które są dosłownie połączone z ziemią. Ze względu na niezerową rezystancję tych połączeń z ziemią nie powinno dziwić, że między urządzeniami podłączonymi do różnych punktów uziemienia mogą pojawiać się przesunięcia potencjału masy.

Pętle masy opisane w punkcie nr 2 mogą wystąpić na PCB tak, jak opisano w punkcie nr 1 (b), gdy istnieją dwa połączenia między daną siecią masy a obudową albo gdy GND na dwóch różnych warstwach są połączone połączeniami o wysokiej impedancji i występuje między nimi niezerowa różnica potencjałów

Na PCB mamy sytuację analogiczną, tylko w mniejszej skali; może ona wystąpić wyłącznie w sekcji cyfrowej, wyłącznie w sekcji analogowej, w obu sekcjach albo między obiema sekcjami (gdy w grę wchodzi obudowa). Przykład występujący tylko w sekcji cyfrowej naszej hipotetycznej PCB z masą gwiaździstą pokazano poniżej.

Ten problem w rozdzielonych urządzeniach jest jedną z głównych przyczyn stosowania sygnalizacji różnicowej na długich kablach zamiast grup sygnałów single-ended w długich kablach ekranowanych. Kable ekranowane są w porządku na krótkich odcinkach, gdzie nie występuje duże przesunięcie potencjału masy. Jednak gdy ekrany są podłączone do masy po obu końcach i występuje przesunięcie potencjału masy, ekranowany kabel zaczyna przewodzić prąd w pętli masy! Jest to problem bezpieczeństwa, ponieważ osoba dotykająca ekranu lub połączenia z chassis po dowolnej stronie może utworzyć drogę do ziemi i doznać porażenia, albo kabel może się przepalić.

Na PCB praktycznie nie mamy tego problemu, chyba że połączenia masy mają wysoką impedancję, która powoduje pewne przesunięcie potencjału w polu masy. Jednym z miejsc, gdzie może do tego dojść, jest obudowa, jeśli stosujesz uziemienie wielopunktowe w niewłaściwej sytuacji (np. przy wysokoprądowym DC zamiast dla RF). Staje się to problemem bezpieczeństwa tylko wtedy, gdy:

• Wszystkie wielopunktowe połączenia masy w jednym obszarze masy mają wysoką impedancję względem dowolnej ścieżki powrotnej masy w systemie
• System pracuje przy wysokim prądzie
• Użytkownik ma kontakt z przewodnikiem przenoszącym prąd pętli masy i może go dotknąć

Zwróć uwagę, że nawet nie wspomniałem o możliwości istnienia różnych obszarów masy: wszystko dzieje się w obrębie tego samego obszaru masy (jedna płaszczyzna). Sedno jest takie: możesz mieć masę gwiaździstą i pętle masy jednocześnie, ale jeśli pętle masy powodują problemy z integralnością sygnału, to prawdopodobnie istnieje inny zestaw problemów, których nie da się rozwiązać masą gwiaździstą. W większości PCB głównym problemem związanym z pętlami masy będzie pewien szerokopasmowy szum, który może zakłócać niskopoziomowe sygnały analogowe (zwykle z jakiegoś czujnika), prowadząc do wysokiego SNR w próbkowanym sygnale i niedokładnych danych.

Przyjmij dobrze uziemione podejście

Dobrze zaprojektowane PCB mają obwody uziemienia, które opierają się na precyzyjnym podejściu do zapewnienia ścieżki powrotu prądu o niskiej impedancji. Aby przeciwdziałać szumom, projekt może wykorzystywać płaszczyznę masy jako ścieżkę powrotu prądu. Nie należy wprowadzać żadnej przerwy między obszarem masy analogowej a obszarem cyfrowym w celu uzyskania izolacji. Jedyny wyjątek występuje przy częstotliwościach audio, gdy trzeba oddzielić zasilanie DC od wszystkiego innego oraz gdy akurat pracujesz wyłącznie z sygnałami DC na całej płytce. Jestem pewien, że istnieją też inne wyjątki dotyczące niskich częstotliwości.

W przypadku większości projektów zawierających sekcję cyfrową należy skupić się na prawidłowym rozmieszczeniu elementów i trasowaniu płytki nad płaszczyzną masy, zamiast dzielić obszary masy i tworzyć układ gwiazdy masy z nieprawidłowym prowadzeniem ścieżek. Więcej o różnych przypadkach związanych z uziemieniem oraz problemach z uziemieniem gwiazdowym przeczytasz w tym artykule. Jak zobaczysz, główny przypadek w projektowaniu PCB, w którym uziemienie gwiazdowe jest akceptowalne, jest całkowicie trywialny; nie uzyskasz żadnych korzyści z jego wdrożenia i równie dobrze możesz umieścić każdą sekcję projektu na osobnej płytce. Jeśli prawidłowo zaprojektujesz układ płytki, będziesz w stanie ograniczyć promieniowaną emisję EMI poprzez właściwe prowadzenie ścieżek.

Nie musisz uciekać się do przestarzałych taktyk, takich jak uziemienie gwiazdowe, gdy korzystasz z najlepszego oprogramowania do projektowania PCB. Użyj pełnego zestawu funkcji projektowania, rozmieszczania, trasowania i tworzenia stackupu w Altium Designer^®, aby stworzyć i poprowadzić fizyczny układ płytki. Gdy zakończysz projekt i będziesz chcieć przekazać pliki do producenta, platforma Altium 365^™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Zaledwie dotknęliśmy powierzchni tego, co jest możliwe dzięki Altium Designer na Altium 365. Rozpocznij już dziś bezpłatny okres próbny Altium Designer + Altium 365.