Gids voor PCB-aardingstechnieken

Spring naar:

• Wat is een grond?
• Aardingsterminologie
• PCB-aardingstechnieken
• Wat te onthouden bij aarding
• Zorg ervoor dat alles is bijgevoegd
• Houd je grondlaag heel
• Het gebruik van serie-via's minimaliseren
• Heb een gemeenschappelijk grondpunt

Aarding is een cruciaal concept voor elk elektronisch circuit en elk systeem dat met elektrische stroom te maken heeft. Alles, van het elektriciteitsnet tot een huis tot een printplaat (PCB) heeft een aarding. PCB's zijn van cruciaal belang voor het functioneren van bijna alle elektronica en elke PCB heeft een goede aarding nodig om correct te kunnen functioneren.

Mensen gebruiken de term grond om verschillende concepten te beschrijven. In dit artikel bespreken we deze concepten, het belang van aarding in een PCB en de verschillende methoden die men kan gebruiken voor aarding in een PCB.

Wat is een PCB-grondvlak?

Het grondvlak op een printplaat is een geleidend lichaam dat fungeert als een willekeurig knooppunt van potentiële spanning en een gemeenschappelijke terugkeer voor elektrische stroom. Het is een referentiepunt of nul volt. De aarde is de referentie waar je het signaal op baseert.

In de elektronica is de grond de naam die aan een bepaald punt in het circuit wordt gegeven. In een circuit met één batterij met een positieve en negatieve pool, wordt de negatieve pool meestal de grond genoemd.

Sommige circuits hebben verbindingen die positief, negatief en aarde worden genoemd. In deze gevallen is de aarde het middelpunt tussen de negatieve en positieve klemmen, gemeten in spanning. Als de spanning negen is, zou het grondvlak 4,5 volt zijn. Je zou de aarde echter nul noemen, de positieve pool 4,5 volt en de negatieve pool -4,5 volt. U kunt dit doen omdat de spanning een meting is tussen twee punten, en er is nog steeds een verschil van negen tussen 4,5 en -4,5.

Onjuist gebruik van aardingstechnieken kan de prestatie van een systeem drastisch verminderen. U moet verschillende aspecten van aarding beheren, waaronder het regelen van valse grond- en signaalretourspanningen, die de prestaties kunnen verslechteren. Externe signaalkoppeling, gemeenschappelijke stromen en andere problemen kunnen deze spanningen veroorzaken. Het correct routeren en dimensioneren van geleiders, het gebruik van differentiële signaalverwerking en het gebruik van aardingsisolatietechnieken helpen om deze ongewenste spanningen te beheersen.

Er zijn ook speciale overwegingen bij het werken in een analoge en digitale omgeving met gemengd signaal. Aarding kan helpen om ruis te minimaliseren bij het werken met signalen met een groot dynamisch bereik.

Aardingsterminologie

Er zijn verschillende soorten knooppunten die gronden worden genoemd, waaronder drijvende gronden, virtuele gronden en aardingen.

• Drijvende gronden: Deze knooppunten zijn referentiepunten in een geïsoleerd systeem en zijn niet fysiek verbonden met de aarde.
• Virtuele gronden: Deze knooppunten zijn te vinden in een negatief feedbackcircuit op de inverterende aansluiting van een operationele versterker. Wanneer de niet-inverterende ingang op nul volt staat, zorgt de feedback ervoor dat de inverterende aansluiting overeenkomt met een stabiel circuit. De waarde is geen stabiel rendement voor andere circuits en wordt alleen vastgehouden door feedback.
• AC-terrein: Deze knooppunten hebben gelijkstroomwaarden met lage impedantie. Deze gelijkspanning is zelfs bij blootstelling aan kleine storingen stabiel. Vanwege zijn DC-waarde kan dit knooppunt niet worden gebruikt als een goede grond, maar omdat het stabiel is, kan het als referentiepunt worden gebruikt.
• Aarde: In een groot elektrisch systeem is de aarde letterlijk een verbinding met de grond. Elk huis heeft bijvoorbeeld een koperen paal die in de aarde wordt gestoken om overtollige stromen af ​​te voeren.
• Chassis grond: De elektronica in een PCB kan geen verbinding maken met de fysieke aarde, maar een chassisaarde heeft hetzelfde doel. Deze aarde is de verbinding van een veiligheidsdraad van het lichtnet naar de behuizing of het chassis van het product.

Omdat een aarding en chassisaarde dezelfde functie hebben, worden deze termen vaak door elkaar gebruikt samen met de term veiligheidsaarde.

Als het gaat om het aarden van een PCB, is er geen one-size-fits-all-aanpak. Om te bepalen wat de beste manier is om een ​​systeem te aarden, moet u weten hoe de stromen erin stromen. Er zijn echter verschillende methoden om uit te kiezen en enkele tips voor de beste aardingspraktijken die van toepassing zijn op de meeste systemen. Om te bepalen welke aanpak voor jouw bord werkt, moet je ervoor zorgen dat je het ontwerp van het bord begrijpt en moet je mogelijk verschillende technieken uitproberen.

Vraag een gratis offerte aan

PCB-aardingstechnieken

Er zijn verschillende technieken die men kan gebruiken om een ​​printplaat te aarden. De volgende zijn enkele van de meest gebruikte benaderingen die tegenwoordig worden gebruikt.

1. Grondvlak

Een veelgebruikte techniek is om een ​​grondvlak te gebruiken, dat is een groot stuk koper op een PCB. Doorgaans zullen PCB-fabrikanten alle gebieden die geen onderdeel of spoor bevatten, afdekken met het koperen grondvlak.

In een tweelaags bord geven de standaard PCB-grondvlakregels aan dat het grondvlak op de onderste laag van het bord moet worden geplaatst, terwijl de componenten en signaalsporen zich op de bovenste laag bevinden.

Het is het beste om te voorkomen dat er een ring van geleidend materiaal wordt gevormd door het grondvlak, omdat dit het grondvlak gevoeliger maakt voor elektromagnetische interferentie (EMI). Deze geleidende ring werkt als een inductor en een extern magnetisch veld kan een elektrische stroom veroorzaken die een aardlus wordt genoemd. U kunt eindigen met een geleidende ring als u het grondvlak over de hele onderste laag plaatst en vervolgens de onderdelen met elektronische componenten verwijdert. Om dit probleem te voorkomen, maakt u sporen zo kort mogelijk en plaatst u, nadat u ze in kaart hebt gebracht, uw grondvlak zodat het er volledig onder loopt. Mogelijk moet u de lay-out van sporen en componenten aanpassen om te voorkomen dat u geleidende ringen moet maken.

Het grondvlak bevindt zich ook vaak aan beide zijden van het bord. In sommige gevallen wordt het vlak aan de componentzijde op de voedingsspanning gehouden en is het vlak aan de andere kant van het bord geaard. Het aardingsvlak is verbonden met de aardpennen van de componenten en connectoren om de aardingsspanning over de hele PCB op hetzelfde niveau te houden.

Op een tweelaagse printplaat mag je ook meer dan één grondvlak gebruiken. Elk vlak moet afzonderlijk op de voeding worden aangesloten om de vlakken gescheiden te houden en aardlussen te voorkomen.

2. Grondvlak Vias

Als er aan beide zijden van de print aardvlakken zijn, worden deze op veel verschillende plaatsen op het bord via via's verbonden. Deze via's zijn gaten die door het bord gaan en de twee kanten met elkaar verbinden. Ze geven je toegang tot het grondvlak vanaf elke plek waar je in een via kunt passen.

Het gebruik van via's kan u helpen aardlussen te voorkomen. Ze verbinden de componenten rechtstreeks met de aardingspunten, die via een lage impedantie verbinding maken met alle andere aardingspunten van het circuit. Ze helpen ook om de lengte van retourlussen kort te houden.

Stukken koper, zoals aardvlakken, kunnen resoneren op een kwart van de golflengte van de frequentie van de stroom die erin vloeit. Door met bepaalde tussenpozen stiknaden rond het grondvlak te plaatsen, kan dit helpen om dit onder controle te houden. Een praktische vuistregel is om grondvia's op een achtste van een golflengte of minder te plaatsen. Dit werkt omdat een stomp op een spoor pas een probleem wordt op een achtste van een golflengte.

Om via's te maken, boor je kleine gaatjes door het bord en haal je er dunne koperdraden doorheen voordat je ze aan elke kant soldeert om de nodige verbindingen te vormen.

3. Connectoraarde

Alle connectoren in een PCB moeten met de grond worden verbonden. In connectoren moeten alle signaalgeleiders parallel lopen. Daarom moet u connectoren scheiden met behulp van aardpennen.

Elk bord heeft waarschijnlijk meer dan één connectorpin nodig die naar de grond leidt. Het hebben van slechts één pin kan problemen veroorzaken met impedantie-mismatch, wat oscillaties kan veroorzaken. Als de impedantie van twee aangesloten geleiders niet overeenkomt, kan de stroom die ertussen vloeit heen en weer stuiteren. Deze trillingen kunnen de prestaties van het systeem veranderen en ervoor zorgen dat het niet werkt zoals bedoeld. De contactweerstand van elke pin van een connector is laag, maar kan in de loop van de tijd toenemen. Om deze reden is het ideaal om meerdere grondpennen te gebruiken. Ongeveer 30 tot 40 procent van de pinnen in een PCB-connector moeten geaarde pinnen zijn.

Connectoren zijn er in verschillende pitches en kunnen verschillende aantallen rijen pinnen hebben. De pinnen van een connector kunnen ook evenwijdig aan het oppervlak van de printplaat zijn of er haaks op staan.

4. Ontkoppelen

PCB's bevatten een of meer chips met geïntegreerde schakelingen, die stroom nodig hebben om te werken. Deze chips hebben voedingspinnen om ze op een externe voedingsbron aan te sluiten. Ze hebben ook aardpennen, die ze verbinden met het grondvlak van de printplaat. Tussen de voedings- en aardingspinnen bevindt zich een ontkoppelcondensator, die dient om oscillaties in de spanning die aan de chip wordt geleverd, af te vlakken. Het andere uiteinde van de ontkoppelcondensator wordt aangesloten op het aardingsvlak.

Een van de belangrijkste redenen voor het gebruik van ontkoppelcondensatoren heeft te maken met functionaliteit. Een ontkoppelcondensator kan fungeren als een ladingsopslagapparaat. Wanneer de geïntegreerde schakeling (IC) extra stroom nodig heeft, kan de ontkoppelcondensator deze leveren via een pad met lage inductantie. Daarom kun je ontkoppelcondensatoren het beste dicht bij de IC-voedingspinnen plaatsen.

Een ander primair doel is het verminderen van de ruis die in de stroom- en grondvlakparen wordt gestopt en EMI te verminderen. Twee hoofdproblemen kunnen dit geluid veroorzaken. Een daarvan is een ontkoppelcondensator die niet voldoende stroom levert, waardoor de spanning op de IC-voedingspen tijdelijk wordt verlaagd. De andere is een opzettelijke stroom die tussen de stroom- en grondvlakken wordt verzonden met behulp van een via met een snel schakelend signaal.

U moet de plaatsing en het aantal ontkoppelcondensatoren voor een ontwerp kiezen op basis van hun twee functionaliteiten. Vaak is het de beste aanpak om de condensatoren over het hele bord te verdelen - probeer er een paar in de buurt van de IC-aarde en voedingspinnen te plaatsen. Het wordt ook aanbevolen om de hoogste capaciteitswaarde te gebruiken, en het is het beste om alle condensatoren op dezelfde waarde te houden. U kunt ook een combinatie van hoge equivalente serieweerstand (ESR) en normale condensatoren gebruiken.

PCB-aardingsregels om te onthouden

Aarding is een essentieel onderdeel van elk PCB-ontwerp. Alle PCB-ontwerpen moeten bepaalde aardingsmethoden volgen. Hier zijn enkele tips om te onthouden bij het aarden.

1. Zorg ervoor dat alles is bevestigd

Zorg ervoor dat niets in uw PCB-layout niet is vastgemaakt. Het is raadzaam om elke open ruimte te vullen met koper en via's die aansluiten op uw grondplaat. Door dit te doen, zorgt u ervoor dat er een gestructureerd pad is waarmee al uw signalen efficiënt naar de grond kunnen komen.

2. Houd je grondlaag heel

Als je een speciale grondlaag hebt, zoals veel borden met vier lagen, zorg er dan voor dat er geen routesporen op staan. Door uw grondlaag op te delen door routesporen toe te voegen, ontstaat een aardstroomlus. Zorg er in plaats daarvan voor dat de grondlaag heel blijft.

3. Heb een gemeenschappelijk grondpunt

Elke PCB moet een enkel punt hebben waar alle gronden samenkomen. Vaak is dit het metalen frame of chassis van het product. Het kan ook een speciale laag van het bord zijn. Dit enkele punt wordt vaak een stergrond genoemd omdat de verschillende geleiders zich vanaf deze locatie uitstrekken in een patroon dat enigszins op een ster lijkt. In mixed-signal-toepassingen kunnen er afzonderlijke analoge en digitale voedingen zijn met gescheiden analoge en digitale aarde die bij het sterpunt samenkomen.

4. Minimaliseer het gebruik van Series Via's

Het is het beste om het aantal via's langs uw grondpaden te minimaliseren en componentgronden zo direct mogelijk naar het grondvlak te sturen. Door extra via's aan een bord toe te voegen, ontstaat er meer impedantie. Deze overweging is vooral cruciaal voor snelle transiënte stromen die ervoor kunnen zorgen dat een impedantiepad een spanningsverschil wordt.

5. Ontwerp aarding vóór routering

De grond moet worden ontworpen vóór elke routering. De grond is de basis voor het routeringsproces, dus het is van cruciaal belang om de grond correct te ontwerpen. Als een aarding slecht is ontworpen, loopt het hele apparaat gevaar, terwijl dit niet het geval is als één signaal niet werkt zoals verwacht.

6. Begrijp hoe uw stromen vloeien

Als u begrijpt waar de stroming op een bord naartoe gaat, kan dit helpen zorgen voor een goede aarding. Het is essentieel om te overwegen waar het signaal naartoe gaat, evenals het retourpad dat het zal volgen. Het zend- en retourpad van een signaal hebben dezelfde stroom, en dit kan de grondstuiter en de stroomstabiliteit beïnvloeden.

7. Bereid je voor op dynamische variatie tussen terreinen

In een systeem met meerdere borden is het belangrijk om bij het verzenden van aardverbindingen tussen borden rekening te houden met een dynamische variantie. Het is vooral van cruciaal belang bij toepassingen waarvoor lange-afstandskabels nodig zijn. Optische isolatoren, differentiële laagspanningssignalen en common-mode smoorspoelen kunnen helpen om de variantie onder controle te houden.

8. Houd rekening met gemengde signalen

Wanneer u analoge en digitale signalen samen behandelt, moet u voorzichtig zijn in uw planning. De analoge delen van het bord moeten geïsoleerd worden gehouden, inclusief analoog-naar-digitaal-omzetters (ADC's) en digitaal-naar-analoog-omzetters. U kunt de aarde van een ADC terugkoppelen naar een gemeenschappelijk aardingspunt waar u digitale signalen naar andere delen van de PCB kunt doorgeven.

Samenwerken met Millennium Circuits Limited voor uw PCB-behoeften

Een goede aarding is een cruciale overweging voor alle PCB's. Er is vaak verwarring rond dit concept en de implementatie kan moeilijk zijn. Ervoor zorgen dat u de stroom van stroom in uw ontwerp begrijpt en enkele van de praktijken en technieken die in dit artikel worden beschreven, kan helpen.

Samenwerken met een ervaren PCB-leverancier zoals Millennium Circuits kan ook helpen. We kunnen ervoor zorgen dat u PCB's ontvangt die de juiste aardingstechnieken voor uw toepassingen gebruiken. Neem contact met ons op bij vragen of voor hulp bij het vinden van de perfecte PCB's voor uw volgende project. Vraag een snelle offerte aan om vandaag nog aan de slag te gaan.

Vraag een gratis offerte aan