PCB-aarding onder de knie: Essentiële technieken voor betrouwbare schakelingontwerpen

Snel naar:

• Wat is een aarding?
• Terminologie rond aarding
• PCB-aardingstechnieken
• Belangrijke aandachtspunten bij aarding
• Zorg dat alles is aangesloten
• Houd uw aardlaag intact
• Minimaliseer het gebruik van serie via's
• Creëer een gemeenschappelijk aardpunt

Aarding is een fundamenteel concept voor elk elektronisch circuit en elk systeem dat met elektrische stroom te maken heeft. Van het elektriciteitsnet tot een woning en een geprint printplaat (PCB) – alles heeft een aarding. PCB's zijn cruciaal voor de werking van vrijwel alle elektronica, en elke PCB heeft een correcte aarding nodig om naar behoren te functioneren.

De term 'aarding' wordt gebruikt om verschillende concepten te beschrijven. In dit artikel bespreken we deze concepten, het belang van aarding in een PCB en de verschillende methoden die gebruikt kunnen worden voor aarding op een printplaat.

Wat is een PCB-aardvlak?

Het aardvlak op een geprint printplaat is een geleidend lichaam dat fungeert als een willekeurig knooppunt van potentiële spanning en een gemeenschappelijke terugweg voor elektrische stroom. Het is een referentiepunt van nul volt. De aarding is de referentie waarover het signaal wordt gebaseerd.

In de elektronica is de aarding de naam voor een bepaald punt in het circuit. In een circuit met één batterij met een positieve en negatieve pool, wordt de negatieve pool meestal de aarding genoemd.

Sommige circuits hebben verbindingen die positief, negatief en aarding heten. In die gevallen is de aarding het middenpunt tussen de negatieve en positieve pool gemeten in spanning. Als de spanning negen volt is, zou het aardvlak 4,5 volt zijn. U noemt de aarding echter nul, de positieve pool 4,5 volt en de negatieve pool -4,5 volt. Dit is mogelijk omdat spanning een meting is tussen twee punten, en er nog steeds een verschil van negen volt zit tussen 4,5 en -4,5.

Onjuist gebruik van aardingstechnieken kan de prestaties van een systeem dramatisch verminderen. U moet verschillende aspecten van aarding beheren, waaronder het controleren van ongewilde aard- en signaalretourspanningen, die de prestaties kunnen verslechteren. Externe signaalkoppeling, gemeenschappelijke stromen en andere problemen kunnen deze spanningen veroorzaken. Correct routeren en dimensioneren van geleiders, differentiële signaalafhandeling en aardisolatietechnieken helpen deze ongewilde spanningen te controleren.

Er zijn ook speciale overwegingen bij het werken in een gemengde analoge en digitale omgeving. Aarding kan helpen ruis te minimaliseren bij signalen met een grote dynamische bereik.

Terminologie rond aarding

Er zijn verschillende soorten knooppunten die 'aard' worden genoemd, waaronder zwevende aarden, virtuele aarden en aardingen.

• Zwevende aarden: Dit zijn referentiepunten in een geïsoleerd systeem en niet fysiek verbonden met de aarde.
• Virtuele aarden: Deze knooppunten vindt u in een negatieve-terugkoppelingscircuit aan de inverterende ingang van een operationele versterker. Wanneer de niet-inverterende ingang op nul volt staat, zal de terugkoppeling de inverterende klans in een stabiel circuit gelijk trekken. De waarde is geen stabiele terugweg voor andere circuits en wordt alleen vastgehouden door terugkoppeling.
• AC-aarden: Deze knooppunten hebben lage-impedantie DC-waarden. Deze DC-spanning is stabiel, zelfs bij kleine storingen. Vanwege de DC-waarde kan dit knooppunt niet als echte aarding dienen, maar door de stabiliteit kan het als referentiepunt fungeren.
• Aardingen: In een groot elektrisch systeem is de aarding van de aarde letterlijk een verbinding met de grond. Elk huis heeft bijvoorbeeld een koperen paal in de aarde om overtollige stromen af te voeren.
• Behuizingaarden: De elektronica in een PCB kan niet verbinden met de fysieke aarde, maar een behuizingaard dient hetzelfde doel. Dit is de verbinding van een veiligheidsdraad van het net naar de behuizing of het chassis van het product.

Omdat een aarding en een behuizingaard dezelfde functie vervullen, worden deze termen vaak door elkaar gebruikt, samen met de term 'veiligheidsaard'.

Bij het aarden van een PCB is er geen één-oplossing-voor-alles. Om de beste manier te bepalen om een systeem te Arden, moet u begrijpen hoe de stromen erin stromen. Er zijn echter verschillende methoden te kiezen en enkele tips voor beste aardingspraktijken die voor de meeste systemen gelden. Om de aanpak te vinden die voor uw bord werkt, moet u ervoor zorgen dat u het ontwerp van de printplaat begrijpt en wellicht verschillende technieken moet uitproberen.

Vraag een gratis offerte aan

PCB-aardingstechnieken

Er zijn verschillende technieken voor het aarden van een PCB. Hieronder volgen enkele van de meest voorkomende benaderingen die vandaag de dag gebruikt worden.

1. Aardvlak

Een veelvoorkomende techniek is het gebruik van een aardvlak, een groot stuk koper op een PCB. Meestal bedekken PCB-fabrikanten alle gebieden die geen component of spoor hebben met het koperen aardvlak.

In een tweelaags bord geven de standaard PCB-aardvlakregels aan dat het aardvlak op de onderlaag van het bord moet worden geplaatst, terwijl de componenten en signaalsporen op de bovenlaag zitten.

Het is het beste om het creëren van een ring van geleidend materiaal gevormd door het aardvlak te vermijden, omdat dit het aardvlak gevoeliger maakt voor elektromagnetische interferentie (EMI). Deze geleidende ring werkt als een spoel, en een extern magneetveld kan een elektrische stroom veroorzaken die een aardlus (ground loop) wordt genoemd. U kunt zo'n geleidende ring krijgen als u het aardvlak over de hele onderlaag plaatst en daarna de delen met elektronische componenten verwijdert. Om dit probleem te voorkomen, maak de sporen zo kort mogelijk, en plaats uw aardvlak erna zodat het volledig onder de sporen loopt. U moet wellicht de indeling van sporen en componenten aanpassen om geleidende ringen te voorkomen.

Het aardvlak zit ook vaak aan beide kanten van het bord. In sommige gevallen wordt het vlak aan de componentenzijde op de voedingsspanning gehouden, en het vlak aan de andere kant geaard. Het aardvlak is verbonden met de aardpennen van componenten en connectors om de aardspanning op hetzelfde niveau te houden door het hele PCB.

Op een tweelaags PCB kunt u ook meer dan één aardvlak gebruiken. Elk vlak moet apart met de voeding verbonden zijn om de vlakken gescheiden te houden en aardlussen te voorkomen.

2. Aardvlak via's

Als er aardvlakken aan beide kanten van de PCB zitten, worden ze via via's op veel plekken met elkaar verbonden. Via's zijn gaatjes die door het bord heen gaan en de twee kanten met elkaar verbinden. Ze stellen u in staat om het aardvlak te bereiken vanaf elke plek waar een via past.

Het gebruik van via's helpt aardlussen te voorkomen. Ze verbinden componenten direct met aardpunten, die via lage impedantie met alle andere aardpunten van het circuit verbonden zijn. Ze helpen ook 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 stroomt. Het plaatsen van stitching-via's rond het aardvlak op specifieke intervallen kan dit controleren. Een praktische vuistregel is om aard-via's op een achtste van de golflengte of minder te plaatsen. Dit werkt omdat een stuurtje op een spoor pas een probleem wordt op een achtste van de golflengte.

Om via's te maken, boort u kleine gaatjes door het bord en voert u dunne koperen draden erdoor voordat u ze aan beide kanten soldeert om de benodigde verbindingen te vormen.

3. Connector aarden

Alle connectors in een PCB moeten met de aarding verbonden zijn. In connectors lopen alle signaalleiders parallel. Daarom moeten connectors gescheiden worden met aardpennen.

Elk bord zal waarschijnlijk meer dan één connectorpen naar de aarding nodig hebben. Slechts één pen kan impedantiemismatch veroorzaken, wat oscillaties tot gevolg kan hebben. Als de impedantie van twee verbonden geleiders niet overeenkomt, kan de stroom er tussen heen en weer kaatsen. Deze oscillaties kunnen de prestaties van het systeem beïnvloeden en ervoor zorgen dat het niet naar behoren werkt. De contactweerstand van elke pen van een connector is laag, maar kan met de tijd stijgen. Daarom is het ideaal om meerdere aardpennen te gebruiken. Ongeveer 30 tot 40 procent van de pennen in een PCB-connector moeten aardpennen zijn.

Connectors komen in verschillende pitches en kunnen verschillende aantallen rijen pennen hebben. De pennen van een connector kunnen ook parallel aan het PCB-oppervlak staan of er loodrecht op staan.

4. Decoupling

PCB's bevatten een of meer geïntegreerde circuitchips, die stroom nodig hebben om te werken. Deze chips hebben voedingspennen om ze met een externe bron te verbinden. Ze hebben ook aardpennen, die ze met het aardvlak van de PCB verbinden. Tussen de voedings- en aardpennen zit een decouplingcondensator, die trillingen in de aan de chip geleverde spanning gladstrijkt. De andere kant van de decouplingcondensator is verbonden met het aardvlak.

Een van de hoofredenen voor decouplingcondensatoren zit in de functionaliteit. Een decouplingcondensator kan fungeren als laadopslag. Wanneer de geïntegreerde schakeling (IC) extra stroom nodig heeft, kan de decouplingcondensator dit via een lage-inductiepad leveren. Daarom is het beste om decouplingcondensatoren dicht bij de IC-voedingspennen te plaatsen.

Een ander primair doel is het verminderen van ruis in de voedings- en aardvlakparen en het reduceren van EMI. Twee hoofproblemen kunnen deze ruis veroorzaken. Eén is een decouplingcondensator die onvoldoende stroom levert, waardoor de spanning op de IC-voedingspen tijdelijk daalt. Het andere is een bewuste stroom tussen de voedings- en aardvlakken via een via met een snel schakelend signaal.

U moet de plaatsing en het aantal decouplingcondensatoren voor een ontwerp kiezen op basis van hun twee functionaliteiten. Vaak is het distribueren van de condensatoren over het hele bord de beste aanpak – probeer er enkele dicht bij de IC-aard- en voedingspennen te plaatsen. Het gebruik van de hoogste capaciteitswaarde wordt aanbevolen, en het is het beste om alle condensatoren dezelfde waarde te geven. U kunt ook een combinatie van hoge equivalent series resistance (ESR) en normale condensatoren gebruiken.

PCB-aardingregels om te onthouden

Aarding is een essentieel onderdeel van elk PCB-ontwerp. Alle PCB-ontwerpen moeten bepaalde aardingspraktijken volgen. Hier zijn diverse tips om te onthouden bij aarding.

1. Zorg dat alles is aangesloten

Zorg ervoor dat in uw PCB-indeling niets ongekoppeld is. Het is raadzaam om elke open ruimte te vullen met koper en via's die verbinden met uw aardplaat. Zo garandeert u een gestructureerd pad waarmee al uw signalen efficiënt de aarding bereiken.

2. Houd uw aardlaag intact

Als u een speciale aardlaag heeft, zoals veel vierlaagsborden, zorg er dan voor dat er geen routingsporen op staan. Het opbreken van uw aardlaag door routingsporen toe te voegen creëert een aardstroomlus. Zorg er in plaats daarvan voor dat de aardlaag heel blijft.

3. Heb een gemeenschappelijk aardpunt

Elke PCB moet één punt hebben waar alle aarden bijeenkomen. Vaak is dit het metalen frame of de behuizing van het product. Het kan ook een speciale laag van het bord zijn. Dit enkele punt wordt vaak een sterrenaard genoemd omdat de verschillende geleiders vanaf deze locatie in een patroon uitlopen dat enigszins een ster lijkt. In gemengde-signaaltoepassingen kunnen er afzonderlijke analoge en digitale voedingen zijn met afzonderlijke analoge en digitale aarden die samenkomen in het sterrenpunt.

4. Minimaliseer het gebruik van serie via's

Het is het beste om het aantal via's langs uw aardpaden te minimaliseren en componentaarden zo direct mogelijk naar het aardvlak te sturen. Het toevoegen van extra via's aan een bord creëert extra impedantie. Deze overweging is met name cruciaal voor snelle transiente stromen die een impedantiepad kunnen veranderen in een spanningsverschil.

5. Ontwerp aarding voor routering

De aarding moet worden ontworpen voordat er gerouteerd wordt. De aarding is de fundering voor het routeringsproces, dus het is cruciaal om de aarding correct te ontwerpen. Als een aarding slecht is ontworpen, loopt het hele apparaat gevaar, wat niet het geval is als één signaal niet werkt zoals verwacht.

6. Begrijp hoe uw stromen stromen

Begrijpen waar stromen op een bord naartoe gaan, kan helpen bij correcte aarding. Het is essentieel om te overwegen waar het signaal naartoe gaat en welke retourweg het zal nemen. De zend- en retourweg van een signaal hebben dezelfde stroom, en dit kan invloed hebben op aarddemping en voedingsstabiliteit.

7. Rekening houden met dynamische variatie tussen aarden

In een multi-bord systeem, bij het doorsturen van aardverbindingen tussen borden, is het belangrijk om rekening te houden met dynamische variatie. Dit is met name kritiek bij toepassingen die lange kabels vereisen. Optische isolatoren, differentiële laagspanningssignalen en common-mode dempers kunnen helpen de variatie onder controle te houden.

8. Houd gemengde-signaal overwegingen in gedachten

Bij het samenwerken met analoge en digitale signalen moet u voorzichtig plannen. De analoge delen van het bord moeten geïsoleerd blijven, inclusief analoge-naar-digitale converters (ADC's) en digitale-naar-analoge converters. U kunt de aard van een ADC terugkoppelen aan een gemeenschappelijk aardpunt waar u digitale signalen naar andere secties van de PCB kunt doorsturen.

Samenwerken met Millennium Circuits Limited voor uw PCB-behoeften

Correcte aarding is een cruciale overweging voor alle PCB's. Er is vaak verwarring rond dit concept, en implementatie kan lastig zijn. Ervoor zorgen dat u de stroom in uw ontwerp begrijpt, en enkele van de praktijken en technieken uit dit artikel toepassen, kan helpen.

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

Vraag een gratis offerte aan