Tất cả về Mặt Đất Tham Chiếu và Mặt Đất Khung Gầm trong Thiết kế Điện tử

Các khái niệm về kỹ thuật nối đất, tiếp đất, tạo kết nối đất cho PCB, và nối đất vỏ máy trong điện tử đều rất phức tạp, mặc dù đã có các tiêu chuẩn quốc tế cố gắng phân biệt các khái niệm và thuật ngữ. Nối đất rất quan trọng trong mọi khía cạnh của thiết kế điện tử, công việc điện, và tất nhiên, trong thiết kế PCB. Tất cả các mạch sẽ cần một kết nối tham chiếu, đó là thứ mà chúng ta gọi là đất, nhưng tham chiếu cụ thể được định nghĩa theo các cách khác nhau cho các hệ thống khác nhau.

Nếu bạn không chắc chắn về cách hoạt động của nối đất PCB trong các loại điện tử khác nhau và cách sử dụng kết nối đất, không có câu trả lời đơn giản áp dụng cho mọi hệ thống. Các loại điện tử khác nhau sẽ có những cách định nghĩa tham chiếu tiềm năng của họ, và tất cả các nối đất không luôn ở cùng một tiềm năng, trái với những gì bạn có thể đã học trong một lớp điện tử nhập môn. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ tiếp cận từ cấp độ hệ thống để định nghĩa và tích hợp các nối đất kỹ thuật số, nối đất tương tự, nối đất vỏ máy, và cuối cùng, một kết nối tiếp đất. Hãy tiếp tục đọc để tìm hiểu cách nối đất cuối cùng được kết nối với PCB của bạn và cuối cùng là với mọi thành phần trong hệ thống của bạn.

Tham chiếu Đất trong Mạch là gì và Nó Có Tác Dụng gì?

Có một số cách để định nghĩa mặt đất, tùy thuộc vào người bạn hỏi. Các nhà vật lý định nghĩa nó theo một cách đặc biệt (chủ yếu là lý thuyết), trong khi các thợ điện và kỹ sư điện có thể đang trực tiếp chỉ mặt đất dưới chân bạn (mặt đất tự nhiên). Trong lĩnh vực điện tử, chúng ta đôi khi đề cập đến mặt đất như thực hiện các chức năng khác nhau một cách linh động. Dưới đây là một số chức năng chính của mặt đất trong điện tử:

• Mặt đất cung cấp một điểm tham chiếu được sử dụng để đo điện áp. Tất cả các điện áp được định nghĩa dựa trên trường điện (và năng lượng tiềm năng) giữa hai điểm. Một trong những điểm này có thể được định nghĩa là "0 V", và chúng ta gọi điểm tham chiếu 0 V này là "mặt đất". Đây là một trong những lý do tại sao chúng ta nói rằng một mặt đất trong PCB là một "mặt phẳng tham chiếu".
• Mặt đất có thể được sử dụng để cung cấp một lối đi cho dòng điện trở về nguồn điện, từ đó hoàn thành một mạch điện.
• Về mặt khái niệm, mặt đất hoạt động như một bể chứa lớn của điện tích cũng định nghĩa hướng dòng điện chảy. Vì chúng ta coi mặt đất là điểm tham chiếu 0 V của mình, các điện áp cao hơn hoặc thấp hơn giá trị này (dương hoặc âm) sẽ thúc đẩy dòng điện chảy theo các hướng khác nhau tùy thuộc vào vị trí của mặt đất.
• Mặt đất cung cấp một điểm nơi các trường điện kết thúc. Đây thực sự là một biến thể của điểm đầu tiên. Nếu bạn từng phải giải quyết các vấn đề về phương pháp hình ảnh trong một lớp điện từ học, bạn nên nhớ rằng mặt đất được định nghĩa là một bề mặt đẳng thế được giữ cụ thể ở 0 V. Lưu ý rằng định nghĩa này cũng áp dụng cho bất kỳ dẫn điện nào được giữ ở một điện áp cụ thể (ví dụ, một mặt phẳng nguồn trong một PCB).
• Sự sụt áp qua một dẫn điện mặt đất hoàn hảo là 0 V. Nói cách khác, nếu bạn đo điện áp giữa bất kỳ hai điểm nào trong một tham chiếu mặt đất, bạn luôn nên đo được 0 V. Đây là một cách nói lại của điểm 2 ở trên.

Trong thiết kế PCB, chúng ta thường nói về mặt đất theo các điểm 1 và 3 vì nó định nghĩa cách nguồn điện được cung cấp cho các thành phần, và cách các tín hiệu số/tương tự được đo trong một thiết kế. Các chuyên gia về EMI/EMC đôi khi nói về mặt đất theo điểm 4 vì điều này cơ bản mô tả chức năng của các vật liệu chắn. Mọi người chấp nhận điểm 5 như một chân lý, mặc dù điểm 5 không xảy ra trong thực tế.

Giờ đây, khi chúng ta đã hiểu rõ các điểm này, có một số điều cần nhận ra về việc nối đất và các loại mặt đất khác nhau trong điện tử.

Tất Cả Các Mặt Đất Đều Không Hoàn Hảo

Mặc dù tất cả các vùng tiếp đất đều được dự định có những đặc tính trên, bản chất thực sự của các dẫn điện có nghĩa là chúng hoạt động khác nhau khi được sử dụng như một điểm tham chiếu tiếp đất. Ngoài ra, hình dạng của một vùng tiếp đất quyết định cách nó tương tác với trường điện và từ, điều này sau đó ảnh hưởng đến cách dòng điện di chuyển vào và trong vùng tiếp đất. Đó là lý do tại sao các tín hiệu khác nhau sẽ có một đường trở về cụ thể phụ thuộc vào nội dung tần số của chúng. Ngoài ra, tất cả các điểm tiếp đất đều có điện trở khác không, dẫn đến điểm tiếp theo liên quan đến tiếp đất thực tế.

Không Phải Tất Cả Các Điểm Tiếp Đất Đều Ở Mức 0 V

Các dẫn điện bị để trôi nổi, hoặc các dẫn điện trong một hệ thống được tham chiếu đến các nguồn điện khác nhau, có thể không có cùng một tiềm năng 0 V. Nói cách khác, bạn có thể có hai điểm tham chiếu tiếp đất cho hai thiết bị khác nhau, cả hai đều được kết nối với cùng một điểm tham chiếu, nhưng nếu bạn đo tiềm năng giữa chúng, bạn sẽ đo được một điện áp khác không.

Điều này thậm chí có thể xảy ra khi hai thiết bị sử dụng cùng một dẫn điện như một kết nối mặt đất. Nếu bạn đo sự chênh lệch điện thế trên một dẫn điện dài (ví dụ, bằng một đồng hồ đo đa năng), kết quả có thể không bằng không, nghĩa là một số dòng điện đang được truyền dọc theo dẫn điện. Sự chênh lệch điện thế này dọc theo một mặt đất lớn hoặc giữa hai kết nối mặt đất được gọi là "độ lệch mặt đất". Trong các hệ thống đa bảng mạch lớn hơn, hoặc trong các lĩnh vực như thiết bị công nghiệp và mạng, độ lệch mặt đất là một trong những nguyên nhân thúc đẩy việc sử dụng tín hiệu vi sai (ví dụ, CAN bus, Ethernet, v.v.). Bởi vì các giao thức vi sai sử dụng sự chênh lệch điện áp giữa hai dây, các điểm tham chiếu mặt đất tương ứng của chúng không liên quan, và tín hiệu vẫn có thể được giải thích.

Các Loại Mặt Đất Trong Điện Tử

Trong điện tử, rất dễ cho một nhà thiết kế mới bị nhầm lẫn bởi các thuật ngữ khác nhau được sử dụng cho mặt đất trong thiết kế PCB: mặt đất số, mặt đất tương tự, mặt đất hệ thống, mặt đất tín hiệu, mặt đất khung và mặt đất trái đất. Thêm vào đó là việc các biểu tượng biểu diễn mặt đất được trộn lẫn và thường xuyên sử dụng sai, điều mà tôi và chắc chắn là tội lỗi khi làm điều đó chỉ vì tiện lợi. Dù sao, vẫn có một số biểu tượng mặt đất tiêu chuẩn được sử dụng trong kỹ thuật điện và điện tử, bao gồm trong các sơ đồ điện tử của bạn.

Các loại kết nối mặt đất khác nhau được chỉ định trong sơ đồ bằng các biểu tượng được định nghĩa trong tiêu chuẩn IEC 60417. Các biểu tượng phổ biến thường được sử dụng trong thiết kế PCB được hiển thị dưới đây:

Biểu tượng mặt đất tín hiệu có thể được sử dụng cho mặt đất số hoặc mặt đất tương tự, chỉ cần chắc chắn áp dụng tên mạch đúng (Tôi đôi khi sử dụng AGND cho mặt đất tương tự, và DGND cho mặt đất số). Mặt đất khung PCB đôi khi được kết nối trở lại với mặt đất trái đất, tùy thuộc vào cách hệ thống được xây dựng và cách nó nhận điện. Cuối cùng, mặt đất an toàn đôi khi được kết nối trực tiếp với trái đất qua dây trung tính, hoặc với khung, hoặc có thể với trái đất qua kết nối khung có độ tự cảm thấp.

Mặt Đất Trái Đất

Thuật ngữ "nối đất", hoặc đơn giản là "đất" trong điện tử, ám chỉ một kết nối thực sự với đất. Nói cách khác, tiềm năng của đất được sử dụng như một mốc tham chiếu 0 V của chúng ta. Nếu bạn từng nhìn thấy một cột điện mà dây điện chạy qua, đôi khi bạn có thể thấy một dây chạy xuống bên cạnh cột và vào trong đất. Đây là kết nối nối đất mặc dù không hoàn hảo vì điện trở trong đất dọc theo cáp có thể cao. Tuy nhiên, việc sử dụng đất cung cấp một lượng lớn điện tích đặc trưng cho một kết nối đất mong muốn. Kết nối này không được dùng để chịu dòng điện khi tải tiêu thụ điện, nó chỉ chịu dòng điện khi tiêu tán dòng điện không mong muốn (ví dụ, nhiễu hoặc sự kiện ESD).

Kết nối đất vỏ PCB

Một điểm quan trọng cần lưu ý trong lĩnh vực điện tử là không phải tất cả các hệ thống đều có kết nối đất với khung máy. Thông thường, thuật ngữ này ám chỉ một khung máy bằng kim loại nằm trong một vỏ bọc, và một kết nối được tạo ra với khung máy. Trong hệ thống AC 3 dây (dây nóng, dây trung tính và dây đất) hoặc trong hệ thống DC 3 dây (DC+, DC chung và dây đất) thì thường khung máy được kết nối với đất tại điểm cắm vào hệ thống. Một phần của hệ thống cũng có thể được kết nối với đất khung máy PCB để loại bỏ nhiễu hoặc vì lý do an toàn (ví dụ, bảo vệ ESD), như ví dụ dưới đây. Sắp xếp này cung cấp bộ lọc nhiễu chế độ chung cho đầu vào AC hoặc DC trên một kết nối 3 dây.

Loại kết nối đất này cung cấp ba chức năng:

1. Vì khung máy giờ đây được thiết lập ở tiềm năng tham chiếu đất 0 V toàn cầu, khung máy giờ đây hoạt động như một lồng Faraday và cung cấp bảo vệ chống nhiễu rộng băng.
2. Nó cung cấp một chức năng an toàn giúp tiêu tán các dòng điện lạc đường (ESD, chập mạch, hoặc nhiễu) trở lại đất. Đây là một lý do chúng ta đôi khi gọi đất khung máy là "đất an toàn".
3. Nó có thể cung cấp một nguồn tiếp đất có trở kháng thấp cho nhiễu chế độ chung trên bộ lọc EMI đầu vào này mà không cần đặt một lõi ferrite hoặc cuộn cảm lớn trên bảng mạch.

Trong một hệ thống sử dụng pin, hoặc trong một hệ thống với kết nối nguồn DC 2 dây đơn giản, mặt đất PCB có thể được nối lại với khung máy qua các lỗ gắn. Ý tưởng ở đây là để đảm bảo không có dẫn điện nào lơ lửng vì một dẫn điện không tiếp đất có thể hoạt động như một bộ phát do sự ghép nối điện dung của dòng điện vào khung máy. Một khung máy không tiếp đất hoặc các dẫn điện lơ lửng khác trên bảng mạch có thể là nguồn của nhiễu EMI phát ra mà có thể dễ dàng loại bỏ bằng cách kết nối với một mặt đất.

Mặt Đất Tương Tự và Mặt Đất Số

Mặt đất tương tự và mặt đất số là hai vấn đề khác biệt so với kết nối mặt đất khung máy và mặt đất trái đất. Thông thường trên PCB, bạn có thể có một kết nối mặt đất khung máy như đã mô tả ở trên và kết nối với mặt đất trái đất cho an toàn. Trong khi đó, bạn nên có một mặt đất trên PCB hỗ trợ cả đường trở về tương tự và số; bạn không nên có các mạng mặt đất tách biệt về mặt vật lý. Những mặt đất tách biệt về mặt vật lý này có thể tạo ra nhiễu phát ra mạnh khi chồng chéo trong cấu trúc xếp lớp, đặc biệt là ở các tần số hướng dẫn sóng tấm song song. Thay vào đó, hãy thực hiện mọi thứ trên một tham chiếu mặt đất duy nhất trong PCB của bạn

Để tìm hiểu thêm về những điểm này xung quanh mặt đất analog và digital, hãy đọc bài viết này về star grounding vì nó giải thích các lý do chính bạn không nên sử dụng các mặt đất tách biệt về mặt vật lý.

Bạn Có Nên Kết Nối Mặt Đất Tín Hiệu Với Mặt Đất Trái Đất?

Không phải lúc nào bạn cũng thực hiện việc này trực tiếp. Điều này có thể phù hợp trong trường hợp của các loại pin/bộ cung cấp điện DC áp cao hoặc các hệ thống tương tự đang được kiểm tra. Nói chung, mặt đất của khung máy có thể được kết nối với đất, sau đó kết nối với một mạch tham chiếu đến mặt đất của bảng mạch in (PCB) ở phía đầu vào (ví dụ, bộ lọc EMI đầu vào trước một bộ chỉnh lưu). Trong một hệ thống AC 3 dây không cách ly, hoặc trong một hệ thống AC 3 dây được chỉnh lưu thành DC, nếu bạn kết nối mặt đất tham chiếu tín hiệu trong mạch với đất, bạn chỉ đang làm ngắn mạch dây âm trên dòng AC hoặc DC. Đừng làm điều này vì bây giờ khung máy có thể trở thành một dẫn điện mang dòng lớn! Hiện nay có nguy cơ bị giật (trong các hệ thống áp cao/dòng cao) hoặc EMI mạnh (trong các hệ thống tần số cao). Khi điều này được thực hiện, dòng điện sẽ di chuyển trở lại kết nối đất miễn là đó là con đường có phản ứng nhỏ nhất trở lại mặt đất, và con đường đó có thể qua người chạm vào thiết bị trong khi nó mang dòng điện cao.

Trong hệ thống 2 dây (không có kết nối mặt đất), có những hướng dẫn khác nhau về cách kết nối mặt đất tín hiệu trở lại với khung máy. Một số hướng dẫn cho rằng kết nối mặt đất nhiều điểm là được, số khác lại bảo nên sử dụng một điểm duy nhất gần I/O, và cũng có ý kiến nói rằng nên sử dụng một điểm duy nhất gần cổng nguồn để đảm bảo an toàn. Nếu tiếng ồn RF là vấn đề xuyên suốt hệ thống, bạn có thể kết nối trở lại với khung máy tại nhiều điểm để giảm tiếng ồn, nhưng có lẽ bạn đang gặp vấn đề lớn hơn trong bố cục của mình vì bạn không xây dựng chồng lớp đúng cách, và thiết bị chỉ đang nhận quá nhiều năng lượng radio. Tập trung vào xây dựng chồng lớp đúng cách và bạn có thể sẽ không cần phải kết nối các lỗ gắn trên bảng mạch ở khắp mọi nơi, bạn chỉ cần làm điều đó ở một vài điểm. Bạn không nên tạo kết nối trở lại với mặt đất trong trường hợp này.

Tóm tắt về Kỹ thuật Nối Đất PCB

Với việc PCB là bình chứa cho các linh kiện điện tử của bạn, việc đảm bảo tiếp địa khung máy đúng cách là rất quan trọng. Như chúng ta đã thảo luận ở trên, chiến lược tiếp địa khung máy của bạn liên quan đến an toàn, EMI/EMC và thiết kế hệ thống, vì vậy việc thực hiện đúng là rất quan trọng. Mặc dù sự hiện diện của nhiều mạch tiếp địa PCB trong thiết kế của bạn có thể gây nhầm lẫn, nhưng các công cụ chỉnh sửa sơ đồ mạch tốt nhất và phần mềm thiết kế bố trí PCB sẽ giúp bạn theo dõi các mạng tiếp địa trong suốt quá trình thiết kế khi bạn tạo bố cục vật lý.

Công cụ thiết kế PCB tốt nhất trong Altium Designer^® cung cấp cho bạn mọi thứ cần thiết để thực hiện tiếp địa khung máy trong thiết kế điện tử và trong bố cục PCB của bạn. Khi bạn sẵn sàng gửi thiết kế của mình đi sản xuất, bạn có thể dễ dàng phát hành dữ liệu thiết kế cho nhà sản xuất của mình với nền tảng Altium 365^™. Altium 365 và Altium Designer cung cấp cho bạn mọi thứ bạn cần để vượt qua đánh giá thiết kế, truyền đạt yêu cầu kiểm tra, và truyền đạt các thay đổi thiết kế.