Nối đất hình sao cho PCB là gì và tại sao người ta lại sử dụng nó?

Nếu bạn tìm trên internet, bạn sẽ thấy một số khuyến nghị về nối đất khá thú vị, và đôi khi thuật ngữ bị sử dụng rồi áp vào PCB mà không có ngữ cảnh phù hợp hoặc không hiểu đúng hành vi điện thực tế. Khuyến nghị cho DC lại được áp cho AC, dòng thấp lại áp cho dòng cao, và ngược lại... danh sách này còn dài. Một trong những kỹ thuật nối đất thú vị hơn mà bạn sẽ thấy được khuyến nghị, kể cả trên một số blog kỹ thuật phổ biến trong ngành, là sử dụng nối đất hình sao trên PCB.

Thuật ngữ này không chỉ dành riêng cho thiết kế PCB, và nó được dùng trong nhiều ngữ cảnh khác nhau không trực tiếp liên quan đến việc xác định ground trên PCB. Đây là một thuật ngữ trong phân tích hệ thống, và có vẻ như nó đã được áp dụng cho PCB mà không chú ý nhiều đến các khía cạnh thực tiễn của việc tạo kết nối ground trên một bo mạch thực. Có một số bố cục mà bạn có thể mô phỏng kiểu ground hình sao, nhưng điều này lại trở thành một bài toán thiếu thực tế khi bạn bắt đầu suy nghĩ kỹ hơn. Cách thiết kế đúng trên bo mạch là sử dụng ground plane, ngoại trừ một số trường hợp khi bạn có rất ít hoặc không có quyền kiểm soát đường hồi dòng, hoặc khi bạn cần cách ly.

Mặc dù việc triển khai nối đất hình sao trên PCB là khó và không phải lúc nào cũng cần thiết, nhưng theo một cách nào đó, nó vẫn được thực hiện trong hệ thống dây điện dân dụng, thương mại hoặc công nghiệp. Trong một hệ thống nhiều bo mạch, có thể là hệ thống cần cách ly hoặc có các liên kết dài qua cáp, bạn cũng có thể triển khai một số thiết kế thú vị tuân theo triết lý nối đất hình sao trên PCB, chỉ là ở quy mô lớn hơn một chút. Hãy cùng xem kỹ hơn ý tưởng nối đất hình sao này; chúng ta sẽ thấy một trường hợp mà phương pháp nối đất này có thể được áp dụng cho PCB trong một số điều kiện nhất định.

Nối đất hình sao là gì?

Nối đất hình sao thường được dùng để kết nối nhiều mô-đun, thiết bị đo hoặc các thiết bị khác tới một điểm nối đất duy nhất sao cho tất cả đều có cùng điện thế. Các cụm ổ cắm mắc nối tiếp dùng trong hệ thống dây điện dân dụng về cơ bản được sắp xếp theo cấu hình hình sao với đất làm điểm tham chiếu an toàn và tham chiếu cuối cùng. Ý tưởng tương tự cũng thường được áp dụng cho nhiều mô-đun hoặc thiết bị được kết nối vào cùng một mạch nguồn, tương tự như hệ thống dây điện dân dụng (nhưng không mắc nối tiếp kiểu daisy chain).

Khi thuật ngữ này được áp dụng cho PCB, nó khuyến khích việc sử dụng một chiến lược nối đất bất lợi cho routing (đặc biệt là định tuyến kiểm soát trở kháng), bất lợi cho EMI, và thường cũng bất lợi cho phân phối nguồn. Có một trường hợp mà bạn có thể tạo ra một hệ thống mixed-signal không có EMI bằng cách triển khai star ground trên PCB, nhưng cuối cùng đây lại là một trường hợp tầm thường, không mang lại lợi ích gì cho người thiết kế. Cũng có một trường hợp thiết kế nhiều bo mạch tương tự liên quan đến star grounding, nhưng nó có cùng topology như cách bố trí nêu trên. Các trường hợp khác như DC hoặc analog/audio dòng thấp, tần số thấp có thể phù hợp với star grounding trên PCB, nhưng điều đó còn phụ thuộc vào những chức năng khác có thể được đưa vào hệ thống.

Rõ ràng, nối đất hình sao không phù hợp cho mọi người hay mọi thiết kế, vậy mà tôi vẫn tiếp tục thấy nó được khuyến nghị như một giải pháp vạn năng cho các vấn đề EMI, kể cả trong các hệ thống mixed-signal. Vậy tại sao nó vẫn được khuyến nghị trên PCB, dù thực ra nó không được tạo ra để dùng cho PCB?

Vì sao lại có người khuyến nghị nối đất hình sao trên PCB?

Có hai lý do khiến mọi người tiếp tục khuyến nghị nối đất hình sao trên PCB. Đó là: tạo cách ly giữa phần số và phần analog tần số cao, và ngăn ngừa ground loop. Hãy xem xét cả hai điểm này.

Bạn không cần star ground để cách ly

Khuyến nghị này bắt nguồn từ một hướng dẫn thiết kế sai đã tồn tại từ lâu: bạn nên tạo khe hở hoặc cắt plane để ngăn nhiễu số và nhiễu tần số cao. Hướng dẫn này gây bất lợi cho routing và EMI, và đặc biệt dẫn tới những lựa chọn layout vụng về không phải lúc nào cũng hợp lý.

Ý tưởng trong star grounding là đặt một trở kháng cao làm vật cản giữa đường hồi dòng của một loại tín hiệu (DC, AC tần số thấp) với một loại tín hiệu khác (tốc độ cao, tần số cao, v.v.), hoặc giữa hai nhóm mạch khác nhau mà bạn muốn cách ly trên các polygon ground riêng của chúng. Tôi có thể thấy ba trường hợp mà điều này có thể hợp lý:

1. Các khối mạch được cách ly hoàn toàn và chỉ dùng chung một kết nối ground duy nhất tại nguồn cấp; không có routing giữa từng phần hoặc các giao diện bắc cầu giữa các phần đó (không có bộ chuyển đổi A/D hoặc D/A, v.v.)
2. Bạn đang dùng tín hiệu DC hoặc tín hiệu tốc độ rất thấp (mạch RC nạp/xả chậm), đặc biệt khi việc đảm bảo giá trị SNR cao là cực kỳ quan trọng (ví dụ như trong đo lường chính xác)
3. Bạn cần tách các tín hiệu analog mức thấp, tần số thấp (nghĩa là tần số kHz hoặc thấp hơn) khỏi một phần số tốc độ thấp hoặc tốc độ cao

Ngoài các trường hợp chuyên biệt này, nói chung bạn khó có thể biện minh cho việc dùng star grounding trên PCB do các lo ngại về EMI và xuyên nhiễu. Với star ground có liên quan đến bất kỳ tín hiệu số nào, bạn không thể routing giữa các phần của bo mạch vì bạn sẽ tạo ra EMI bức xạ đáng kể. Về cơ bản, bất kỳ tín hiệu nào bạn routing qua khe hở giữa hai phần sẽ gặp một vòng cảm kháng rất cao, vòng này xác định đường hồi dòng của nó.

Nếu bạn đang xử lý các tần số cỡ MHz trở lên, và bạn đang dùng tín hiệu số cần được routing vào một giao diện nào đó gần phần analog, thì bạn sẽ không cần star ground nếu bạn bố trí layout bo mạch một cách thông minh. Việc cách ly đường hồi dòng sẽ không còn là vấn đề; các đường hồi dòng sẽ tự nhiên ghép điện dung gần các trace, thay vì lan rộng trong ground plane. Trong trường hợp này, lựa chọn tốt nhất là phân chia đúng phần mạch analog và số cùng các linh kiện của chúng vào các vùng khác nhau phía trên một ground plane liên tục.

Đối với trường hợp #2 ở trên, điều này vẫn ổn miễn là liên kết kết nối và bo mạch được che chắn hoàn toàn, nhưng đó lại là lựa chọn sai nếu cần các phép đo nhạy có khả năng miễn nhiễu cao. Trong trường hợp này, giải pháp có thể là che chắn ở cấp bo mạch và cấp vỏ thiết bị vì bạn có thể đạt được hiệu quả che chắn cao.

Star grounding trên PCB không có ý nghĩa đối với ground loop

Lý do còn lại khiến star grounding được khuyến nghị trên PCB là để loại bỏ ground loop, hay đúng hơn là ngăn nó xuất hiện ngay từ đầu. Nếu thiết kế của bạn có vấn đề với ground loop, thì đang có một vấn đề khác trong thiết kế mà star grounding không thể giải quyết. Đây là một lĩnh vực khác mà thiết kế PCB đã mượn thuật ngữ từ các mảng điện tử khác và dùng theo cách mà ban đầu nó không hề được dự định:

1. Người thiết kế PCB đôi khi gọi ground loop là một vòng lặp theo nghĩa đen mang dòng hồi. Điều này có thể phát sinh do (a) các trace net GND được routing thành một vòng tròn lớn, hoặc (b) nối đất đa điểm thông qua lỗ bắt vít PCB mạ kim tới vỏ thiết bị. Trong 99% trường hợp, bạn sẽ không nhận thấy ground loop vì chênh lệch điện thế trong một vùng GND đơn lẻ là rất nhỏ. Nó chỉ trở nên rất quan trọng khi xử lý các tín hiệu mức rất thấp, chẳng hạn như cảm biến trở kháng cao hoạt động với dòng nhỏ hơn 1 uA.
2. Các kỹ sư hệ thống điện dùng thuật ngữ này để mô tả dòng điện ngoài ý muốn trong các hệ thống được nối đất/tiếp địa, có thể nằm cách nhau những khoảng cách lớn (không nằm trên cùng một PCB). Bạn sẽ thường thấy điều này được nhắc tới khi nói về các cọc nối đất của lưới điện vốn thực sự được nối với đất. Do các kết nối xuống đất này có điện trở khác 0, không có gì ngạc nhiên khi có thể xuất hiện độ lệch điện thế đất giữa các thiết bị được nối vào các điểm tiếp địa khác nhau.

Ground loop như mô tả ở mục #2 có thể xảy ra trên PCB như mô tả ở mục #1 (b), khi có hai kết nối giữa một net ground nhất định với vỏ thiết bị, hoặc khi GND trên hai lớp khác nhau được kết nối bằng các kết nối trở kháng cao, và có chênh lệch điện thế khác 0 giữa chúng

Trên PCB, bạn có một tình huống tương tự, chỉ ở quy mô nhỏ hơn, và nó có thể chỉ xảy ra trong phần số, chỉ trong phần analog, trong cả hai phần, hoặc giữa cả hai phần (khi có liên quan tới vỏ thiết bị). Một ví dụ chỉ xảy ra trong phần số của PCB star ground giả định của chúng ta được minh họa bên dưới.

Vấn đề này trong các thiết bị tách rời là một trong những động lực chính để dùng truyền tín hiệu vi sai qua cáp dài thay vì dùng nhóm tín hiệu single-ended trong cáp chống nhiễu dài. Cáp chống nhiễu vẫn ổn cho các đoạn ngắn không gặp độ lệch điện thế đất cao. Tuy nhiên, khi lớp shield được nối vào ground ở cả hai đầu và có độ lệch điện thế đất, thì cáp chống nhiễu của bạn lúc này đang mang dòng trong một ground loop! Đây là một mối lo về an toàn vì người chạm vào lớp shield hoặc kết nối chassis ở một trong hai đầu có thể tạo ra đường dẫn xuống đất và bị điện giật, hoặc cáp có thể bị cháy.

Trên PCB, trên thực tế chúng ta hầu như không gặp vấn đề này trừ khi bạn có trở kháng cao trong các kết nối ground tạo ra một độ lệch điện thế đất trong ground plane. Một nơi điều này có thể xảy ra là trong vỏ thiết bị, nơi bạn đang dùng nối đất đa điểm trong sai tình huống (ví dụ, trong hệ DC dòng cao thay vì cho RF). Nó chỉ trở thành vấn đề an toàn khi:

• Tất cả các kết nối ground đa điểm trong một vùng ground duy nhất đều có trở kháng cao tới bất kỳ đường hồi ground nào trong hệ thống
• Hệ thống đang hoạt động ở dòng cao
• Người dùng có tương tác và có thể chạm vào dây dẫn đang mang ground loop

Lưu ý rằng tôi thậm chí còn chưa đề cập đến khả năng có các vùng ground khác nhau: tất cả vẫn nằm trong cùng một vùng ground (một plane duy nhất). Điểm mấu chốt là: bạn có thể vừa có star grounding vừa có ground loop, nhưng nếu bạn có ground loop gây ra các vấn đề về toàn vẹn tín hiệu, thì rất có thể đang có một tập hợp vấn đề khác không thể giải quyết bằng star ground. Với đa số PCB, vấn đề chính của bạn với ground loop sẽ là một số nhiễu băng rộng có thể gây ảnh hưởng tới các tín hiệu analog mức thấp (thường từ cảm biến nào đó), dẫn đến SNR cao trong bất kỳ tín hiệu lấy mẫu nào và dữ liệu không chính xác.

Tiếp cận vấn đề nối đất một cách đúng đắn

Các PCB được thiết kế tốt có các mạch nối đất dựa trên một phương pháp chính xác để tạo ra đường hồi dòng có trở kháng thấp cho dòng điện. Để chống nhiễu, một thiết kế có thể sử dụng mặt phẳng ground làm đường hồi dòng. Không đặt bất kỳ khe hở nào giữa vùng ground analog và vùng digital để đạt được sự cách ly. Ngoại lệ duy nhất là ở dải tần âm thanh, khi bạn cần tách nguồn DC khỏi mọi thứ khác, và nếu bạn chỉ đang làm việc với DC trên toàn bộ bo mạch. Tôi tin chắc vẫn còn tồn tại một số ngoại lệ khác ở tần số thấp.

Đối với phần lớn các thiết kế có phần digital, bạn nên tập trung vào việc bố trí bo mạch đúng cách trên một mặt phẳng ground, thay vì chia tách các vùng ground và tạo cấu hình star ground với đường đi dây kém. Bạn có thể đọc thêm về các trường hợp khác nhau liên quan đến nối đất và các vấn đề với star grounding trong bài viết này. Như bạn sẽ thấy, trường hợp chính trong thiết kế PCB mà star grounding có thể chấp nhận được là hoàn toàn tầm thường; bạn không đạt được lợi ích nào khi triển khai nó và tốt hơn hết là đặt mỗi phần của thiết kế trên một bo mạch riêng. Nếu bạn bố trí bo mạch đúng cách, bạn sẽ có thể giảm EMI bức xạ thông qua việc đi dây phù hợp.

Bạn không cần phải dùng đến các chiến thuật lỗi thời như star grounding khi sử dụng phần mềm thiết kế PCB tốt nhất. Hãy sử dụng đầy đủ bộ tính năng thiết kế, bố trí và tạo stackup trong Altium Designer^® để tạo và đi dây cho bố cục vật lý của bạn. Khi bạn hoàn tất thiết kế và muốn phát hành tệp cho nhà sản xuất, nền tảng Altium 365^™ giúp việc cộng tác và chia sẻ dự án trở nên dễ dàng.

Chúng tôi mới chỉ chạm đến bề nổi của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Hãy bắt đầu bản dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.