O que é o aterramento em estrela de PCB e por que alguém o usaria?

Se você pesquisar na internet, encontrará algumas recomendações interessantes sobre aterramento, e às vezes a terminologia é usada e aplicada a uma PCB sem o contexto adequado ou sem a compreensão do comportamento elétrico real. Recomendações para DC são aplicadas a AC, baixa corrente é aplicada a alta corrente, e vice-versa... a lista continua. Uma das técnicas de aterramento mais interessantes que você verá sendo recomendada, inclusive em alguns blogs populares de engenharia do setor, é o uso de aterramento em estrela em PCB.

O termo não é exclusivo do projeto de PCB, e é usado em vários contextos que não tratam diretamente da definição de terra na PCB. É um termo de análise de sistemas, e parece que o termo foi aplicado a PCBs sem muita atenção aos aspectos práticos de fazer conexões de terra em uma placa de circuito real. Existem alguns layouts em que você pode imitar um terra em estrela, mas isso acaba sendo um exercício pouco prático quando você começa a pensar nisso. A maneira correta de projetar na placa é usar planos de terra, exceto em alguns casos em que você tem pouco ou nenhum controle sobre os caminhos de retorno, ou quando precisa de isolamento.

Embora a implementação de aterramento em estrela em uma PCB seja difícil e nem sempre necessária, isso é algo que é feito, de certa forma, em instalações elétricas residenciais, comerciais ou industriais. Em um sistema com múltiplas placas, possivelmente um que exija isolamento ou links longos por cabos, você também pode implementar alguns projetos interessantes que seguem a filosofia de aterramento em estrela em PCB, apenas em uma escala um pouco maior. Vamos analisar mais a fundo essa ideia de aterramento em estrela; veremos um caso em que esse método de aterramento pode ser aplicado em uma PCB sob certas condições.

O que é aterramento em estrela?

O aterramento em estrela normalmente é usado para conectar vários módulos, instrumentos ou algum outro equipamento a um único ponto de aterramento, de forma que todos tenham o mesmo potencial. Os grupos de tomadas encadeadas usados em instalações residenciais são basicamente organizados em uma configuração em estrela, com a terra servindo como segurança e ponto de referência final. A mesma ideia costuma ser aplicada a múltiplos módulos ou instrumentos conectados ao mesmo circuito de alimentação, de forma semelhante à fiação residencial (sem encadeamento).

Quando esse termo é aplicado a uma PCB, ele incentiva o uso de uma estratégia de aterramento que é ruim para o roteamento (especialmente roteamento com impedância controlada), ruim para EMI, e frequentemente ruim para a distribuição de energia. Há um caso em que você pode criar um sistema de sinais mistos livre de EMI implementando um aterramento em estrela em uma PCB, mas isso acaba sendo um caso trivial que não oferece benefício ao projetista. Também existe um caso análogo de projeto com múltiplas placas envolvendo aterramento em estrela, mas ele tem a mesma topologia do arranjo acima. Outros casos, como DC ou analógico/áudio de baixa corrente e baixa frequência, podem ser apropriados para aterramento em estrela em uma PCB, mas isso depende de quais outras funções podem estar incluídas no sistema.

Claramente, o aterramento em estrela não é para todos nem para todo projeto, e ainda assim continuo vendo essa técnica ser recomendada como uma solução universal para problemas de EMI, inclusive em sistemas de sinais mistos. Então por que isso ainda é recomendado em uma PCB, mesmo não tendo sido realmente pensado para uso em uma PCB?

Por que alguém recomendaria aterramento em estrela em uma PCB?

Há duas razões pelas quais as pessoas continuam recomendando aterramento em estrela em uma PCB. São elas: fornecer isolamento entre digital e analógico de alta frequência, e evitar loops de terra. Vamos examinar esses dois pontos.

Você não precisa de terra em estrela para isolamento

Essa recomendação remonta a uma diretriz de projeto ruim e antiga: você deve colocar divisões ou recortes nos planos para evitar interferência digital e de alta frequência. Essa diretriz é ruim para o roteamento e ruim para EMI, e em particular leva a escolhas de layout estranhas que nem sempre fazem sentido.

A ideia no aterramento em estrela é colocar um obstáculo de alta impedância entre o caminho de retorno de um tipo de sinal (DC, AC de baixa frequência) e outro tipo de sinal (alta velocidade, alta frequência etc.), ou entre dois grupos diferentes de circuitos que você deseja isolar sobre seus próprios polígonos de terra. Consigo ver três casos em que isso pode fazer sentido:

1. Os blocos de circuito são totalmente isolados e compartilham apenas uma única conexão de terra na alimentação; não há roteamento entre cada seção nem interfaces fazendo a ponte entre elas (sem conversores A/D ou D/A, etc.)
2. Você está usando sinais DC ou de velocidade muito baixa (circuitos RC carregando/descarregando lentamente), especialmente quando garantir altos valores de SNR é crítico (medição de precisão é um exemplo)
3. Você precisa separar sinais analógicos de baixo nível e baixa frequência (ou seja, frequências em kHz ou menores) de uma seção digital de baixa velocidade ou alta velocidade

Fora esses casos especializados, geralmente não é possível justificar o uso de aterramento em estrela em uma PCB devido a preocupações com EMI e diafonia. Com um terra em estrela envolvendo quaisquer sinais digitais, você não pode rotear entre as seções da placa, pois criará EMI irradiada significativa. Essencialmente, qualquer sinal que você roteie através da lacuna entre as duas seções encontrará um loop de alta indutância que define seu caminho de retorno.

Se você estiver lidando com frequências na faixa de MHz ou superiores, e estiver usando sinais digitais que precisam ser roteados para alguma interface próxima da seção analógica, você não precisará de um terra em estrela se for inteligente na forma como faz o layout da placa. O isolamento do caminho de retorno não será um problema; os caminhos de retorno se acoplarão naturalmente de forma capacitiva próximos às trilhas, em vez de se espalharem pelo plano de terra. Setorizar corretamente os circuitos e componentes analógicos e digitais em regiões diferentes sobre um plano de terra contínuo é a melhor escolha aqui.

Quanto ao caso nº 2 acima, isso é aceitável desde que a interconexão e a placa estejam totalmente blindadas, mas é a decisão errada se forem necessárias medições sensíveis com alta imunidade a ruído. Nesse caso, a blindagem em nível de placa e de gabinete pode ser a resposta, pois é possível obter alta eficácia de blindagem.

Aterramento em estrela em uma PCB não faz sentido para loops de terra

A outra razão pela qual o aterramento em estrela é recomendado em uma PCB é para eliminar loops de terra, ou melhor, para evitar que eles existam desde o início. Se o seu projeto tem um problema com loops de terra, há algum outro problema no projeto que não pode ser resolvido com aterramento em estrela. Esta é outra área em que o projeto de PCB adotou terminologia de outras áreas da eletrônica e a usou de formas para as quais ela nunca foi destinada:

1. Projetistas de PCB às vezes se referem a um loop de terra como um laço literal que conduz uma corrente de retorno. Isso pode surgir por meio de (a) trilhas da rede GND roteadas em um grande círculo, ou (b) aterramento multiponto por meio de furos de montagem metalizados da PCB para um gabinete. Em 99% das vezes, você não notará um loop de terra porque a diferença de potencial dentro de uma única seção de GND é muito pequena. Isso se torna muito importante ao lidar com sinais de nível muito baixo, como sensores de alta impedância operando com menos de 1 uA de corrente.
2. Engenheiros de sistemas de potência usam esse termo para descrever fluxo de corrente indesejado em sistemas aterrados/conectados à terra, que podem estar separados por longas distâncias (não na mesma PCB). Você verá isso ser mencionado com frequência em relação a postes de aterramento de concessionárias que estão literalmente conectados à terra. Devido à resistência não nula dessas conexões à terra, não deve ser surpresa que possam surgir diferenças de potencial de terra entre equipamentos conectados a diferentes pontos de aterramento.

Loops de terra, conforme descritos no item nº 2, podem ocorrer em uma PCB conforme descrito no item nº 1 (b), quando existem duas conexões entre uma determinada rede de terra e o gabinete, ou quando o GND em duas camadas diferentes é conectado com conexões de alta impedância e existe um potencial não nulo entre elas

Na PCB, você tem uma situação análoga, apenas em escala menor, que pode ocorrer apenas na seção digital, apenas na seção analógica, em ambas as seções, ou entre ambas as seções (quando o gabinete está envolvido). Um exemplo ocorrendo apenas na seção digital da nossa PCB hipotética com terra em estrela é mostrado abaixo.

Esse problema em equipamentos separados é uma das principais motivações para o uso de sinalização diferencial em cabos longos, em vez de usar grupos de sinais single-ended em cabos blindados longos. Cabos blindados funcionam bem em trechos curtos que não sofrem alto deslocamento de terra. No entanto, quando as blindagens são conectadas ao terra nas duas extremidades, e há um deslocamento de terra, seu cabo blindado agora está conduzindo corrente em um loop de terra! Isso é uma questão de segurança, pois alguém que toque a blindagem ou a conexão do chassi em qualquer uma das extremidades pode criar um caminho para a terra e levar um choque, ou o cabo pode superaquecer e queimar.

Na PCB, praticamente não temos esse problema, a menos que você tenha alta impedância em suas conexões de terra que crie algum potencial de deslocamento de terra no plano de terra. Um lugar onde isso pode acontecer é no gabinete, quando você está usando aterramento multiponto na situação errada (por exemplo, em DC de alta corrente em vez de para RF). Isso só se torna um problema de segurança quando:

• Todas as conexões de aterramento multiponto em uma única região de terra têm alta impedância em relação a qualquer retorno de terra existente no sistema
• O sistema está operando com alta corrente
• O usuário interage e pode tocar o condutor que carrega o loop de terra

Observe que eu nem sequer mencionei a possibilidade de diferentes regiões de terra: está tudo dentro da mesma região de terra (plano único). O ponto é: você pode ter aterramento em estrela e loops de terra, mas se você tem loops de terra causando problemas de integridade de sinal, então provavelmente há um conjunto diferente de problemas que não pode ser resolvido com um terra em estrela. Para a maioria das PCBs, seu principal problema com loops de terra será algum ruído de banda larga que pode interferir em sinais analógicos de baixo nível (geralmente de algum sensor), levando a alto SNR em qualquer sinal amostrado e a dados imprecisos.

Adote uma abordagem fundamentada

PCBs bem projetadas têm circuitos de aterramento que dependem de uma abordagem precisa para fornecer um caminho de retorno de corrente de baixa impedância. Para combater o ruído, um projeto pode contar com um plano de terra como caminho de retorno de corrente. Não coloque nenhuma interrupção entre a região de terra analógica e a região digital para obter isolamento. A única exceção ocorre em frequências de áudio, quando é necessário separar a alimentação CC de todo o restante, e se você estiver trabalhando apenas em CC em toda a placa. Tenho certeza de que existem algumas outras exceções em baixa frequência.

Para a maioria dos projetos com uma seção digital, você deve se concentrar em fazer o layout da placa corretamente sobre um plano de terra, em vez de dividir regiões de terra e criar uma configuração de aterramento em estrela com roteamento ruim. Você pode ler mais sobre os vários casos envolvidos no aterramento e os problemas com aterramento em estrela neste artigo. Como você verá, o principal caso em projeto de PCB em que o aterramento em estrela é aceitável é completamente trivial; você não obtém nenhum benefício ao implementá-lo e poderia muito bem colocar cada seção do projeto em sua própria placa. Se você fizer o layout da placa corretamente, poderá reduzir a EMI irradiada por meio de um roteamento adequado.

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