Все о заземлении и корпусном заземлении в проектировании электроники

Понятия техник заземления, заземления, создания заземляющих соединений на печатных платах и заземления шасси печатных плат являются довольно запутанными в электронике, несмотря на международные стандарты, которые пытались разделить понятия и терминологию. Заземление играет важную роль в каждом аспекте проектирования электроники, электротехнических работах и, конечно же, в дизайне печатных плат. Все схемы требуют наличия опорного соединения, которое мы называем землей, но точное определение этой опоры различается для разных систем.

Если вы не уверены, как работают заземления печатных плат в различных типах электроники и как использовать заземляющие соединения, нет простого ответа, который подходил бы каждой системе. Различные типы электроники будут иметь разные способы определения своего опорного потенциала, и все заземления не всегда находятся на одном и том же потенциале, вопреки тому, что вы могли узнать на вводном курсе по электронике. В этой статье мы рассмотрим подход на уровне систем к определению и интеграции цифровых заземлений, аналоговых заземлений, заземлений шасси и, в конечном итоге, соединения с землей. Продолжайте читать, чтобы узнать, как в конечном итоге заземление подключается к вашей печатной плате и, в конечном счете, ко всем компонентам в вашей системе.

Что такое опорное заземление в цепи и для чего оно нужно?

Существует несколько способов определения земли, в зависимости от того, кого вы спросите. Физики определяют ее особым образом (в основном теоретически), в то время как электрики и электротехники могут буквально иметь в виду землю под вашими ногами (заземление). В электронике мы иногда относимся к земле как к выполняющей различные функции взаимозаменяемо. Вот некоторые из основных функций земли в электронике:

• Земля обеспечивает точку отсчета, которая используется для измерения напряжений. Все напряжения определяются с точки зрения электрического поля (и потенциальной энергии) между двумя точками. Одна из этих точек может быть определена как "0 В", и именно поэтому мы называем эту точку отсчета в 0 В "землей". Это одна из причин, по которой мы говорим, что земляная плоскость на печатной плате является "плоскостью отсчета".
• Земля может использоваться для обеспечения пути для возвратного тока к источнику питания, тем самым замыкая цепь.
• Концептуально, земля действует как большой резервуар заряда, который также определяет направление тока. Поскольку мы принимаем землю за нашу точку отсчета 0 В, напряжения выше или ниже этого значения (положительные или отрицательные) будут приводить к течению тока в разных направлениях относительно расположения земли.
• Заземление обеспечивает точку, в которой электрические поля заканчиваются. Это действительно вариация на первый пункт. Если вы когда-либо решали задачи методом зеркальных изображений на занятиях по электромагнетизму, вы должны помнить, что заземление определяется как поверхность с одинаковым потенциалом, специально удерживаемая на уровне 0 В. Обратите внимание, что это определение также применимо к любому проводнику, поддерживаемому на определенном напряжении (например, к силовой плоскости в печатной плате).
• Падение напряжения на идеальном проводнике заземления составляет 0 В. Другими словами, если вы измеряете напряжение между любыми двумя точками в системе заземления, вы всегда должны измерять 0 В. Это переформулировка пункта 2 выше.

В дизайне печатных плат мы часто говорим о заземлении в терминах пунктов 1 и 3, поскольку это определяет, как питание подается на компоненты и как измеряются цифровые/аналоговые сигналы в дизайне. Специалисты по ЭМП/ЭМС иногда говорят о заземлении в терминах пункта 4, поскольку это в основном описывает функцию экранирующих материалов. Все принимают пункт 5 как аксиому, хотя на деле пункт 5 не происходит.

Теперь, когда мы рассмотрели эти пункты, есть некоторые вещи, которые нужно понимать о заземлении и различных типах заземления в электронике.

Все заземления несовершенны

Хотя все заземляющие области предназначены для обладания вышеупомянутыми характеристиками, реальная природа проводников означает, что они функционируют по-разному, когда используются в качестве заземляющего контура. Кроме того, геометрия заземляющей области определяет, как она взаимодействует с электрическими и магнитными полями, что, в свою очередь, влияет на то, как ток перемещается в заземляющую область и внутри нее. Вот почему различные сигналы будут иметь определенный путь возврата, который зависит от их частотного содержания. Кроме того, все заземления имеют ненулевое сопротивление, что приводит к следующему пункту, касающемуся реальных заземлений.

Не все заземления находятся на уровне 0 В

Проводники, которые оставлены неподключенными, или проводники в системе, которые относятся к разным источникам питания, могут не иметь одинакового потенциала 0 В. Другими словами, у вас могут быть две заземляющие точки для двух разных устройств, обе подключенные к одной и той же точке отсчета, но если вы измерите потенциал между ними, вы измерите ненулевое напряжение.

Это может произойти даже когда два устройства используют один и тот же проводник в качестве заземления. Если вы измерите разность потенциалов на длинном проводнике (например, с помощью мультиметра), она может быть ненулевой, что означает, что по проводнику протекает некоторый ток. Эта разность потенциалов вдоль большого заземления или между двумя точками заземления называется "смещением заземления". В больших многосхемных системах или в областях, таких как промышленное оборудование и сетевое оборудование, смещение заземления является одной из причин использования дифференциальной сигнализации (например, CAN-шина, Ethernet и т. д.). Поскольку дифференциальные протоколы используют разность напряжений между двумя проводами, их соответствующие ссылки на заземление не имеют значения, и сигналы все равно могут быть интерпретированы.

Типы заземлений в электронике

В электронике новичку может быть не так просто разобраться с различной терминологией, используемой для обозначения заземлений в дизайне печатных плат: цифровое, аналоговое, системное, сигнальное, корпусное и земляное заземление. К тому же символы для обозначения заземления смешиваются и часто используются неправильно, в чем я, безусловно, тоже виноват, делая это исключительно для удобства. Тем не менее, существуют некоторые стандартные символы заземления, которые используются в электротехнике и электронной инженерии, включая ваши электронные схемы.

Различные типы заземляющих соединений обозначаются на схемах с использованием символов, определенных в стандартах IEC 60417. Обычно используемые в проектировании печатных плат символы показаны ниже:

Символ заземления сигнала может использоваться для цифрового или аналогового заземления, просто убедитесь, что вы применяете правильное имя сети (иногда я использую AGND для аналогового заземления и DGND для цифрового заземления). Заземление шасси печатной платы иногда соединяется обратно с землей, в зависимости от конструкции системы и способа ее питания. Наконец, защитное заземление иногда может быть напрямую соединено с землей через нейтральный провод, или с шасси, или возможно с землей через соединение с низкой индуктивностью шасси.

Заземление

Термин "заземление", или просто "земля" в электронике, относится к буквальному соединению с землей. Другими словами, потенциал земли используется как наша опорная точка 0 В. Если вы когда-либо смотрели на столб, по которому проходят электрические линии, иногда можно увидеть провод, идущий вдоль столба и уходящий в землю. Это соединение с землей несовершенно, поскольку сопротивление в почве вдоль кабеля может быть высоким. Тем не менее, использование земли обеспечивает большой резервуар заряда, который характерен для желаемого соединения заземления. Это соединение не предназначено для передачи тока при потреблении нагрузки, оно передает ток только при рассеивании случайных токов (например, помех или событий электростатического разряда).

Соединения заземления шасси печатной платы

Одним важным моментом в электронике является то, что не все системы будут иметь соединение с заземлением шасси. Обычно этот термин относится к металлическому шасси, которое находится в корпусе, и с ним выполняется соединение. В 3-проводных системах переменного тока (фаза, ноль и заземление) или в 3-проводных системах постоянного тока (плюс постоянного тока, общий минус постоянного тока и заземление) заземление шасси обычно соединяется с заземлением на землю в точке, где питание поступает в систему через вилку. Часть системы также может быть подключена к заземлению шасси печатной платы для устранения помех или по причинам безопасности (например, защита от электростатического разряда), как показано в примере ниже. Эта схема обеспечивает фильтрацию общемодовых помех для входа переменного или постоянного тока в 3-проводном соединении.

Такое соединение с заземлением выполняет три функции:

1. Поскольку шасси теперь установлено на глобальный потенциал заземления 0 В, шасси теперь действует как клетка Фарадея и обеспечивает широкополосное экранирование.
2. Оно выполняет функцию безопасности, рассеивая случайные токи (электростатический разряд, короткие замыкания или помехи) обратно на землю. Это одна из причин, по которой мы иногда называем заземление шасси "заземлением безопасности".
3. Он может обеспечить низкоимпедансный сток для общемодовых помех на этом входном фильтре ЭМП, не устанавливая феррит или большую дроссель на плату.

В системе с питанием от батареи или в системе с простым 2-проводным подключением постоянного тока, земляная плоскость печатной платы может быть соединена с корпусом через монтажные отверстия. Здесь идея заключается в том, чтобы обеспечить отсутствие плавающего проводника, поскольку незаземленный проводник может действовать как излучатель из-за емкостной связи тока с корпусом. Незаземленный корпус или другие плавающие проводники на плате могут быть источниками излучаемых ЭМП, которые можно легко устранить, соединив их с землей.

Аналоговая и Цифровая Земля

Аналоговая и цифровая земли - это две разные проблемы по сравнению с соединениями земли корпуса и заземлением. Обычно на печатной плате можно иметь соединение с землей корпуса, как описано выше, и соединение с землей для безопасности. Тем временем, на печатной плате должна быть земляная плоскость, которая поддерживает как аналоговые, так и цифровые пути возврата; у вас не должно быть физически разделенных земляных сетей. Эти физически разделенные земли могут создавать сильные излучаемые помехи при перекрытии в стеке, особенно на частотах волноводов с параллельными пластинами. Вместо этого, делайте все на единой земляной опоре в вашей печатной плате

Чтобы узнать больше об этих моментах, касающихся аналоговой и цифровой земли, прочтите эту статью о звездообразном заземлении, в которой объясняются основные причины, по которым не следует использовать физически разделенные земляные плоскости.

Следует ли соединять сигнальную землю с землей?

Это нечасто делается напрямую. Это может быть уместно в случае с высоковольтными постоянного тока батареями/блоками питания или аналогичными системами, которые тестируются. Обычно корпусное заземление может быть соединено с землей, которое, в свою очередь, соединяется с цепью, ссылающейся на земляную плоскость печатной платы на входной стороне (например, входной ЭМИ фильтр перед выпрямителем). В неизолированной 3-проводной системе переменного тока или в 3-проводной системе переменного тока, которая выпрямляется в постоянный, если вы соедините землю сигнала в цепи с землей, вы просто замкнете на короткое отрицательный провод в линии переменного или постоянного тока. Не делайте этого, потому что теперь корпус может быть большим проводником тока! Теперь существует риск удара током (в системах высокого напряжения/тока) или интенсивного ЭМИ (в системах высокой частоты). Когда это делается, ток будет двигаться обратно к земле, пока это путь наименьшей реактивности обратно на землю, и этот путь может пройти через кого-то, кто касается устройства, пока по нему проходит высокий ток.

В системе с двумя проводами (без подключения к заземлению), существуют различные рекомендации о том, как или следует ли соединять сигнальную землю с шасси. Некоторые рекомендации говорят, что многоточечное заземление допустимо, другие советуют использовать одну точку рядом с входом/выходом, а третьи - использовать одну точку рядом с разъемом питания для безопасности. Если проблемой в системе является радиочастотный шум, вы можете соединить с шасси в нескольких точках для рассеивания шума, но, вероятно, у вас есть более серьезная проблема с компоновкой, потому что вы неправильно построили стек слоев, и устройство просто получает слишком много радиоэнергии. Сосредоточьтесь на правильной постройке стека слоев, и вам, возможно, не понадобится соединять отверстия для монтажа по всей плате, вам просто нужно будет это сделать в нескольких точках. В этом случае вам не следует создавать соединение обратно с землей.

Обзор техник заземления печатных плат

С учетом того, что печатная плата является сосудом для ваших электронных компонентов, очень важно правильно выполнить заземление шасси. Как мы обсуждали выше, стратегия заземления шасси имеет значение для безопасности, EMI/EMC и проектирования систем, поэтому важно сделать это правильно. Наличие нескольких земель на вашей плате в дизайне может показаться запутанным, но лучшие инструменты редактирования схем и программное обеспечение для размещения печатных плат помогут вам отслеживать сети заземления на протяжении всего процесса проектирования, когда вы создаете свою физическую компоновку.

Лучшие инструменты для проектирования печатных плат в Altium Designer^® предоставляют все необходимое для реализации заземления шасси в электронном дизайне и в вашей компоновке печатной платы. Когда вы будете готовы отправить свой проект на производство, вы легко сможете передать данные вашего проекта производителю с помощью платформы Altium 365^™. Altium 365 и Altium Designer предоставляют все необходимое для прохождения проверки дизайна, коммуникации требований к тестированию и обмена изменениями в дизайне.