Что такое «звёздное» заземление на PCB и зачем его используют?

Если поискать в интернете, можно найти немало интересных рекомендаций по заземлению, и иногда терминологию используют и переносят на PCB без должного контекста или понимания реального электрического поведения. Рекомендации для DC применяют к AC, низкие токи — к высоким, и наоборот… список можно продолжать. Один из наиболее любопытных методов заземления, который часто рекомендуют, в том числе в некоторых популярных инженерных блогах отрасли, — это применение звездообразного заземления на PCB.

Этот термин не относится исключительно к проектированию PCB и используется в самых разных контекстах, не связанных напрямую с определением земли на PCB. Это термин из области системного анализа, и, похоже, его стали применять к PCB без особого внимания к практическим аспектам реализации соединений земли на реальной печатной плате. Есть некоторые варианты компоновки, где можно имитировать звездообразное заземление, но на практике это оказывается малополезным упражнением, если задуматься об этом глубже. Правильный подход при проектировании платы — использовать полигоны земли, за исключением некоторых случаев, когда у вас мало или вовсе нет контроля над путями возвратного тока или когда требуется изоляция.

Хотя реализация звездообразного заземления на PCB сложна и нужна не всегда, в определённом смысле это действительно применяется в бытовой, коммерческой и промышленной электропроводке. В многоплатной системе, особенно если требуется изоляция или длинные соединения по кабелям, также можно реализовать интересные конструкции, следующие философии звездообразного заземления для PCB, только в несколько большем масштабе. Давайте подробнее рассмотрим эту идею звездообразного заземления; мы увидим пример, когда такой способ заземления может применяться на PCB при определённых условиях.

Что такое звездообразное заземление?

Звездообразное заземление обычно используется для подключения нескольких модулей, приборов или другого оборудования к одной точке заземления так, чтобы у всех был одинаковый потенциал. Группы последовательно подключённых розеток в жилой проводке по сути организованы в звездообразную конфигурацию, где земля служит для безопасности и выступает конечной опорной точкой. Та же идея часто применяется к нескольким модулям или приборам, подключённым к одной и той же цепи питания, аналогично бытовой проводке (но без последовательного соединения).

Когда этот термин переносят на PCB, это подталкивает к использованию стратегии заземления, которая плоха для трассировки (особенно для трассировки с контролируемым импедансом), плоха с точки зрения EMI и часто плохо подходит для распределения питания. Есть один случай, когда можно создать смешанную систему без EMI, реализовав звездообразное заземление на PCB, но в итоге это оказывается тривиальным случаем, не дающим проектировщику никакой пользы. Есть также аналогичный случай многоплатного проекта со звездообразным заземлением, но он имеет ту же топологию, что и описанная выше схема. Другие случаи, такие как DC или слаботочные, низкочастотные аналоговые/аудиосистемы, могут подходить для звездообразного заземления на PCB, но это зависит от того, какие ещё функции входят в систему.

Очевидно, что звездообразное заземление подходит не всем и не для каждого проекта, однако я по-прежнему вижу, как его рекомендуют в качестве универсального средства от проблем с EMI, в том числе в смешанных сигнальных системах. Так почему же его всё ещё рекомендуют для PCB, хотя изначально оно и не предназначалось для использования на печатной плате?

Почему кто-то вообще рекомендует звездообразное заземление на PCB?

Есть две причины, по которым люди продолжают рекомендовать звездообразное заземление на PCB. Это: обеспечение изоляции между цифровой и высокочастотной аналоговой частью, а также предотвращение контуров земли. Давайте рассмотрим оба этих аргумента.

Для изоляции звездообразное заземление не нужно

Эта рекомендация восходит к старому и давно ошибочному правилу проектирования: следует делать разрывы или вырезы в полигонах, чтобы предотвратить высокочастотные и цифровые помехи. Это плохо для трассировки и плохо для EMI и, в частности, приводит к неудобным решениям по компоновке, которые не всегда имеют смысл.

Смысл звездообразного заземления заключается в том, чтобы создать высокоимпедансное препятствие между путём возвратного тока от одного типа сигнала (DC, низкочастотный AC) и другого типа сигнала (высокоскоростной, высокочастотный и т. д.) либо между двумя разными группами схем, которые вы хотите изолировать друг от друга с помощью собственных полигонов земли. Я вижу три случая, когда это может иметь смысл:

1. Блоки схем полностью изолированы и имеют только одно общее соединение земли у источника питания; между секциями нет трассировки и нет интерфейсов, связывающих эти секции (никаких A/D- или D/A-преобразователей и т. п.)
2. Вы используете DC или очень низкоскоростные сигналы (медленно заряжающиеся/разряжающиеся RC-цепи), особенно когда критически важно обеспечить высокое значение SNR (например, в прецизионных измерениях)
3. Вам нужно отделить низкоуровневые низкочастотные аналоговые сигналы (то есть частоты порядка кГц или ниже) от низкоскоростной или высокоскоростной цифровой секции

Помимо этих специальных случаев, использование звездообразного заземления на PCB, как правило, нельзя оправдать из-за проблем с EMI и перекрёстными помехами. Если звездообразное заземление используется при наличии каких-либо цифровых сигналов, вы не сможете выполнять трассировку между секциями платы, так как это приведёт к значительному излучаемому EMI. По сути, любой сигнал, который вы проведёте через зазор между двумя секциями, столкнётся с контуром очень высокой индуктивности, который определяет его путь возвратного тока.

Если вы работаете на частотах в МГц и выше и используете цифровые сигналы, которые нужно подвести к какому-либо интерфейсу рядом с аналоговой секцией, звездообразное заземление вам не понадобится, если грамотно выполнить компоновку платы. Изоляция путей возвратного тока не станет проблемой; возвратные токи будут естественным образом емкостно связываться вблизи трасс, а не растекаться по полигону земли. Правильное разделение аналоговых и цифровых цепей и компонентов по разным областям над непрерывным полигоном земли — лучший вариант в этом случае.

Что касается случая №2 выше, это допустимо, пока межсоединение и плата полностью экранированы, но это неверное решение, если требуются чувствительные измерения с высокой помехоустойчивостью. В таком случае ответом может быть экранирование на уровне платы и корпуса, поскольку так можно добиться высокой эффективности экранирования.

Звездообразное заземление на PCB бессмысленно для борьбы с контурами земли

Другая причина, по которой звездообразное заземление рекомендуют для PCB, — это устранение контуров земли или, точнее, предотвращение их появления. Если в вашем проекте есть проблема с контурами земли, значит в проекте есть другая проблема, которую нельзя решить звездообразным заземлением. Это ещё одна область, где в проектировании PCB заимствовали терминологию из других областей электроники и стали использовать её не так, как она изначально задумывалась:

1. Проектировщики PCB иногда называют контуром земли буквальный замкнутый контур, по которому течёт возвратный ток. Это может возникать из-за (a) дорожек сети GND, проложенных большим кольцом, или (b) многоточечного заземления через металлизированные монтажные отверстия PCB к корпусу. В 99% случаев вы не заметите контур земли, потому что разность потенциалов внутри одной секции GND очень мала. Это становится действительно важным при работе с очень слабыми сигналами, например с высокоомными датчиками, работающими при токах менее 1 мкА.
2. Инженеры по электроэнергетическим системам используют этот термин для описания непреднамеренного протекания тока в заземлённых системах, которые могут быть разделены большими расстояниями (то есть не находятся на одной PCB). Вы часто увидите это в контексте опор заземления коммунальных сетей, которые буквально соединены с землёй. Из-за ненулевого сопротивления этих заземляющих соединений неудивительно, что между устройствами, подключёнными к разным точкам заземления, могут возникать смещения потенциала земли.

Контуры земли, описанные в пункте №2, могут возникать на PCB так, как описано в пункте №1 (b), когда между данной сетью земли и корпусом есть два соединения, или когда GND на двух разных слоях соединён высокоимпедансными связями и между ними существует ненулевой потенциал

На PCB ситуация аналогична, только в меньшем масштабе; это может происходить только в цифровой части, только в аналоговой части, в обеих частях или между обеими частями (если задействован корпус). Пример, возникающий только в цифровой части нашей гипотетической PCB со звездообразным заземлением, показан ниже.

Эта проблема в разнесённом оборудовании — одна из основных причин использовать дифференциальную передачу сигналов по длинным кабелям вместо групп несимметричных сигналов в длинных экранированных кабелях. Экранированные кабели подходят для коротких соединений, где нет большого смещения потенциала земли. Однако, когда экраны подключены к земле с обоих концов и при этом существует смещение земли, ваш экранированный кабель начинает нести ток в контуре земли! Это проблема безопасности, так как человек, взявшийся за экран или соединение с шасси с любой стороны, может создать путь на землю и получить удар током, либо кабель может перегореть.

На PCB на практике у нас почти не бывает такой проблемы, если только в соединениях земли нет высокого импеданса, создающего некоторое смещение потенциала в полигоне земли. Одно из мест, где это может случиться, — корпус, если вы используете многоточечное заземление в неподходящей ситуации (например, в сильноточном DC, а не для RF). Это становится проблемой безопасности только тогда, когда:

• Все многоточечные соединения земли в одной области земли имеют высокий импеданс относительно того возврата земли, который используется в системе
• Система работает при больших токах
• Пользователь взаимодействует с системой и может коснуться проводника, по которому течёт ток контура земли

Обратите внимание, что я даже не затрагивал возможность разных областей земли: всё это происходит в пределах одной и той же области земли (одного полигона). Суть в следующем: у вас может быть и звездообразное заземление, и контуры земли, но если контуры земли вызывают проблемы с целостностью сигнала, то, вероятно, имеется другой набор проблем, который нельзя решить звездообразным заземлением. Для большинства PCB основная проблема, связанная с контурами земли, — это некоторый широкополосный шум, который может мешать низкоуровневым аналоговым сигналам (обычно от какого-либо датчика), приводя к высокому SNR в любом дискретизированном сигнале и неточным данным.

Придерживайтесь грамотного подхода к заземлению

Хорошо спроектированные PCB имеют цепи заземления, в которых для обеспечения низкоимпедансного обратного пути тока требуется точный подход. Для подавления шума в конструкции можно использовать полигон земли в качестве пути возвратного тока. Не размещайте разрыв между областью аналоговой земли и цифровой областью ради достижения изоляции. Единственное исключение — аудиочастоты, когда необходимо отделить питание постоянного тока от всего остального, а также случаи, когда вы работаете только с постоянным током по всей плате. Уверен, существуют и некоторые другие исключения для низких частот.

Для большинства конструкций с цифровой частью следует сосредоточиться на правильной трассировке платы над полигоном земли, а не разделять области земли и создавать звездообразное заземление с неудачной разводкой. Подробнее о различных случаях, связанных с заземлением, и проблемах звездообразного заземления читайте в этой статье. Как вы увидите, основной случай в проектировании PCB, где звездообразное заземление допустимо, совершенно тривиален; вы не получаете никакой выгоды от его реализации, и с тем же успехом можно просто вынести каждую часть схемы на отдельную плату. Если вы правильно выполните компоновку платы, то сможете уменьшить излучаемые EMI за счёт корректной трассировки.

При использовании лучшего программного обеспечения для проектирования PCB нет необходимости прибегать к устаревшим приёмам вроде звездообразного заземления. Используйте полный набор функций проектирования, компоновки и создания стека слоёв в Altium Designer^® для создания и трассировки физической топологии. Когда проект будет завершён и вы захотите передать файлы производителю, платформа Altium 365^™ позволит легко организовать совместную работу и обмен проектами.

Мы лишь слегка коснулись того, что возможно с Altium Designer в Altium 365. Начните бесплатный пробный период Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.