Методики заземления металлизированных монтажных отверстий печатных плат

Всякий раз, когда плата помещается в корпус, ее нужно каким-то образом прикрепить к корпусу. Чтобы обеспечить надежное крепление без повреждения поверхности печатной платы болтами, сквозные металлизированное отверстия, как правило, размещают в углах. Контактные площадки монтажных отверстий на печатных платах обычно находятся под паяльной маской, чтобы при необходимости точку крепления можно было электрически подключить к одной из сетей. Один из вопросов, который часто возникает в этом случае, касается заземления и монтажных отверстий печатной платы. Нужно ли предусмотреть в проекте заземление креплений, и если да, то как их заземлять? Следует ли всегда подсоединять их к шасси, только к внутреннему заземлению или где-либо еще?

Это интересный вопрос, и ответ на него обычно сводится к формулировкам типа «всегда/никогда». Кто-то будет утверждать, что всегда заземляет монтажные отверстия на корпусе, другие скажут, что никогда не следует поступать таким образом, так как это испортит весь проект. Как и для большинства правил проектирования, сформулированных таким образом, верный ответ сложнее и охватывает множество аспектов проектирования, начиная от входной мощности и заканчивая структурой системы заземления. Если вы понимаете, как определить питание и заземление на входе печатной платы, вам будет легче разработать стратегию монтажа с учетом заземления.

Как спроектировать монтажные отверстия на печатной плате

Как следует из названия, монтажные отверстия на печатных платах используются для крепления печатной платы к корпусу. Существует ряд согласованных правил проектирования монтажных отверстий печатных плат:

• Как правило, монтажные отверстия должны быть металлизированными, так как это позволяет выполнить монтаж с применением металлических болтов.
• Поскольку плавающие металлические элементы могут служить источниками электромагнитных помех, монтажные отверстия должны быть подсоединены к заземляющей сети (массе (PE), заземлению сигнала (SGND), заземленному корпусу и т. п.).
• Монтажные отверстия должны соответствовать стандартному размеру крепежных элементов.
• Монтажные отверстия могут не быть металлизированными, хотя это целесообразно только при использовании в проекте пластиковых болтов или изоляционных прокладок.

Я подробно рассматривал этот вопрос в предыдущей статье об инструментальных отверстиях, в основном поскольку в ряде значимых источников не проводится различие между монтажными отверстиями и инструментальными отверстиями. Для проектировщиков это различие играет важную роль, поскольку монтажные отверстия почти наверняка будут частью системы заземления платы, и требуется точно оценить, как это повлияет на электромагнитные помехи и безопасность проектного решения.

Лучше всего соединять металлизированные монтажные отверстия с корпусом, а заземление шасси может быть соединено с массой, если такое соединение доступно. Однако это не всегда так, например в системе с батарейным питанием с металлическими элементами внутри корпуса. В зависимости от того, как соединены монтажные отверстия печатной платы, корпус и масса, устройство может испытывать электромагнитные помехи или наносить электротравмы пользователю. Последний случай — это одна из проблем, которые могут возникнуть в системе питания компьютера, если шасси блока питания плохо заземлено на массу (когда компьютер подключен к сети) или на отрицательную клемму питания (когда компьютер отключен от сети). Если методики заземления печатной платы применены правильно, включая качественное соединение с массой, можно избавиться от любых плавающих заземлений. Это одна из важнейших функций заземленных монтажных отверстий печатной платы в металлическом корпусе.

Методики заземления печатных плат и монтажные отверстия

Иллюстрацию выше не следует воспринимать как чрезмерное обобщение; в каких-то ситуациях может вообще не понадобиться заземлять монтажное отверстие на плату, а вместо этого будет необходимо заземление на корпус. Также возможны ситуации, в которых не будет выбора: из-за отсутствия других доступных участков потребуется заземлить монтажное отверстие на внутреннее соединение. Методика заземления печатной платы, применяемая к монтажному отверстию, должна учитывать силу и частоту тока, а также проблемы безопасности, в частности электростатические разряды. К сожалению, не существует единого подхода, учитывающего все возможные ситуации. Ниже рассмотрены аспекты проектирования заземляющих соединений, играющие важную роль при монтаже печатных плат.

Пример № 1. Малый постоянный ток, без гальванической изоляции

В следующих таблицах приведены примеры проектирования металлизированных монтажных отверстий в соответствии со стандартными методиками заземления печатной платы. Рассмотрены примеры с 3-проводной подачей постоянного тока (POS, NEG и соединение на массу GND), 2-проводной подачей постоянного тока (только POS и NEG) и 3-проводной подачей переменного тока, который выпрямляется и преобразуется в постоянный ток.

Очевидно, что это не единственные возможные ситуации, в которых потребуется определять заземление при слабом токе. Эти рекомендации в первую очередь предназначены для подавления электромагнитных помех от металлического корпуса (или пластикового корпуса с металлическими элементами) путем уравновешивания потенциала корпуса и заземления печатной платы.

В 3-проводной системе и в системе с 3-проводной подачей переменного тока/2-проводной подачей постоянного тока, если требуется подключить PE и отрицательный источник GND внутри системы, это нужно сделать в точке входа. Это предотвратит возникновение петель заземления, обеспечит экранирование металлических элементов в корпусе и отсутствие плавающего напряжения. Так же выполняется проводка в жилых помещениях: соединение между заземлением цепи и заземлением системы формируется только на входе системы (например, на выключателе), но НЕ в точке возврата питания к GND. Однако это соединение обычно формируется в вилке настенной розетки/выключателя, а дополнительное соединение платы с корпусом может создать маленькую петлю заземления через входной кабель.

Проблемы в примере № 1 с металлическим корпусом

3-проводная подача постоянного тока с подсоединенной массой/шасси: Если монтажные отверстия печатной платы соединяют заземление печатной платы с корпусом в одной точке, при подсоединении предыдущей секции провода к массе на проводе может возникнуть петля заземления. Подсоединение в нескольких точках формирует больше безопасных соединений с заземлением и надежный путь отвода к массе, в частности, для блуждающих токов и электростатического разряда. Однако при этом есть риск возникновения петель заземления с постоянным током вокруг платы через корпус (чтобы предотвратить это, используйте надежные соединения с низким полным сопротивлением). Даже в точке монтажного отверстия на печатной плате с однослойной металлизацией могут присутствовать емкостно-связанные токи и возникать высокочастотные шумы, связанные с емкостным током, что приводит к возврату синфазного шума на вход. Чтобы обеспечить оптимальный баланс безопасности, подавления электромагнитных помех и низкого уровня шумов, необходимо нанести металлизацию на монтажные отверстия и подсоединить их к металлическому корпусу, но не подсоединять к заземлению сигнала на печатной плате. При необходимости всегда можно сформировать пути электростатического разряда с контурами подавления.

Здесь возникает несколько потенциальных проблем. Для обеспечения безопасности требуется соединение с массой, обладающее низким полным сопротивлением.

3-проводное питание, преобразованное в 2-проводное: Если корпус металлизирован, достаточно соединить заземление печатной платы с корпусом через металлизированные монтажные отверстия. Этот вариант применим, если кабель не экранирован, и питание проходит только по двум проводам. Однако, если все элементы (выпрямитель + выход постоянного тока) находится на одной плате, следуйте предыдущим рекомендациям для 3-проводной системы. Внимательно контролируйте возможное возникновение петель заземления. При питании постоянным током петли могут проходить через корпус/плоскость заземления, если к точке заземления подключены несколько монтажных отверстий. Использование нескольких соединений предпочтительно, если возникают высокочастотные шумы или возможно присутствие нескольких источников электростатического разряда в разных точках платы. Проанализируйте конкретную проблему, которую нужно решить 

2-проводной постоянный ток: Этот вариант имеет место, если используется аккумулятор или настольный блок питания, и может быть эквивалентен предыдущему варианту. В этом случае также сначала необходимо обдумать конкретную проблему, которую нужно решить. Стратегия заземления должна учитывать проблемы, которые необходимо решить, поскольку нет единого метода заземления, который решал бы каждую проблему. Я упоминаю об этом здесь, поскольку в современной электронике во многих устройствах будет использоваться именно эта 2-проводная конфигурация и будут предприниматься попытки сбалансировать защиту от радиочастотного шума и подавить синфазный шум.

Если используется батарейное питание, токи, как правило, достаточно низкие. Поэтому, если на входе источника питания присутствуют соединения с очень низким полным сопротивлением, можно соединить корпус с заземлением платы через металлизированные монтажные отверстия печатной платы. В идеале это происходит в одной точке (на входе блока питания), если стоит задача связать заземления воедино и исключить присутствие плавающих элементов. Использование нескольких точек усиливает защиту от электростатического разряда/блуждающих токов на разных участках, особенно вблизи разъемов (в качестве примера можно привести промышленный Ethernet). Примерно это происходит в ноутбуке с металлическим корпусом, когда он отключен от сети. Однако теперь присутствуют токи, проходящие через корпус (и, возможно, через пользователя), и могут возникнуть петли заземления. Это негативно отражается на безопасности пользователя и на точности измерений.

Идеальная ситуация, которую я описываю для 3-проводной системы питания постоянным током и 3-проводной/2-проводной системы питания выпрямленным постоянным током — это подсоединение массы и корпуса через одно монтажное отверстие на входе питания с заземлением только монтажного отверстия на заземлении печатной платы. Полное сопротивление между корпусом и массой должно быть максимально уменьшено, как правило, с применением большого болта или заземляющего штифта.

К сожалению, заземлять все элементы через одно металлизированное монтажное отверстие на входе печатной платы не всегда целесообразно. Одно монтажное отверстие на печатной плате может быть размещено в центре, который не всегда является входом питания. Как правило, имеется несколько монтажных отверстий, расположенных по углам платы, однако на плате большого размера они могут быть распределены по периметру, чтобы обеспечивать структурную поддержку и предотвращать вибрацию. Если все монтажные отверстия металлизированы и формируют одинаковое соединение платы с корпусом, могут возникать петли заземления. Также всегда существует определенная емкостная связь для отражения высокочастотного шума, которая создает синфазный шум, циркулирующий обратно к стороне ввода/вывода платы, то есть емкостно связанную петлю заземления для отражения высокочастотного шума.

Очевидно, что необходимо искать баланс между использованием нескольких металлизированных монтажных отверстий для максимальной защиты от электростатического разряда, использованием одного металлизированного монтажного отверстия и оставлением остальных без металлизации, чтобы исключить появление петель заземления и шумов, и заземлением корпуса для поддержания низкого уровня электромагнитных помех и высокого экранирования. Внимательно изучите требования к проекту прежде чем соединять точки заземления печатной платы с корпусом и массой, используя металлизированные монтажные отверстия.

Пример № 2. Мощный ток, гальваническая изоляция

Этот вариант может оказаться сложным, поскольку здесь основной проблемой не всегда является шум. Проблема заключается в безопасности. Системы этого типа характерны для источников питания, и одна из целей гальванической изоляции состоит в том, чтобы не допустить переноса ударной нагрузки с первичной стороны на вторичную сторону. Кроме того, мы не хотим разрушать изоляцию, замыкая входную и выходную стороны системы через соединения с корпусом. Поэтому используйте соединение на массу на корпусе и подсоединяйте печатную плату через металлизированные монтажные отверстия только к шасси.

В этом случае настоятельно рекомендуется заземлить шасси на массу, сформировать заземление печатной платы на массу только на входе питания и использовать металлизированные монтажные отверстия только для соединения с шасси. Это показано на иллюстрации выше. На вторичной/выходной стороне изолированной системы следует поступать так же: подсоединять металлизированные монтажные отверстия только к шасси, но не к заземлению печатной платы на вторичной стороне. Чтобы предотвратить шумовое излучение с вторичного участка заземления, соедините первичный и вторичный участки заземления конденсатором класса Y. Это обеспечит гальваническую изоляцию для постоянных токов и одинаковый потенциал всех участков заземления для переменных токов.

Основные рекомендации по проектированию монтажных отверстий для печатных плат

Фактически, монтажное отверстие печатной платы является электрической особенностью, которая обязательно присутствует в проектном решении. В разрезе механики размер монтажного отверстия и контактной площадки должен быть достаточно большим для установки крепежа, но при этом, если необходимо, позволять сформировать электрическое соединение с шасси, имеющее низкое полное сопротивление. Также важно помнить, что заземление всех монтажных отверстий на металлический корпус не решит всех проблем. Методики заземления печатных плат с использованием монтажных отверстий не решают всех проблем с электромагнитными помехами или безопасностью, поэтому обязательно продумайте стратегию заземления, учитывающую конкретные проблемы в проектируемой системе.

Если вам нужны лучшие инструменты построения макетов для размещения монтажных отверстий на печатной плате, обратите внимание на полный спектр функций проектирования печатных плат в Altium Designer^®. Выстраивая стек слоев и сети на схемах, вы сможете применить методики заземления печатных плат, необходимые для подавления электромагнитных помех и обеспечения безопасности проектируемой системы. Когда проектирование будет завершено, а данные готовы для передачи на производство, платформа Altium 365^™ поможет наладить совместную работу и доступ к проектам.

Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Начните использование бесплатной пробной версии Altium Designer + Altium 365 сегодня .

Испытайте Altium Designer в действии...

Эффективное проектирование печатных узлов