Jak zredukować emisję EMI w systemach o sygnałach mieszanych, stosując odpowiednie uziemienie płytki PCB

^{Ścieżki i wypustki wyglądają czasem jak sieć dróg.}

Gdy mieszkałem jeszcze w Filadelfii, dojazd do pracy zajmował mi około godziny. Każdy, kto był kiedyś w podobnej sytuacji, doskonale wie, czym jest wściekłość spowodowana nawet 5-minutowym opóźnieniem, na które nie ma się wpływu. Na szczęście, dzięki starannemu projektowi Williama Penna, sieć dróg w Filadelfii została zbudowana wyjątkowo rozsądnie. Gdyby nie jego dokładne podejście do całego procesu wydajności ruchu, więcej czasu spędzałbym, wymachując rękoma, niż faktycznie jadąc. Projektowanie płytki PCB o mieszanych sygnałach na swój sposób przypomina planowanie dróg w dużej metropolii. Jeśli robi się to bez odpowiedniego przygotowania, czeka nas jedynie „wściekłość” znana z najgorszych korków i tyle „hałasu” elektronicznego, ile wydobywa się z klaksonu. Rozwiązaniem tego problemu jest odpowiednie uziemienie układu płytki PCB, które przyczynia się do zmniejszenia emisji zakłóceń elektromagnetycznych i pozwala projektować płytki bez nadmiernej złości. Oto kilka wskazówek, które pozwolą Ci nie tylko zachować spokój, ale przede wszystkim odpowiednio uziemić zaprojektowany przez Ciebie układ.

Najlepsze praktyki uziemiania układu o sygnałach mieszanych

Jak zapewne wiesz, w przypadku systemów o sygnałach mieszanych proces uziemiania wygląda nieco inaczej i musi zostać specjalnie dostosowany do takiego układu. Istnieje jednak kilka wyjątkowo „skutecznych praktyk”, które mogą pomóc w tym zadaniu.

Projektując swoją płytkę, wybierz najbardziej optymalny dla siebie system uziemienia: przewód magistrali, siatkę lub płaszczyznę.

Przewód magistrali: w przypadku większości projektów o sygnałach mieszanych korzystanie z przewodów magistrali nie jest najlepszym rozwiązaniem. Impedancja przewodu magistrali może być dość duża przy częstotliwości całego systemu, co spowoduje znaczne spadki napięcia.

Siatka uziemiająca: siatka uziemiająca może być całkiem dobrym rozwiązaniem dla dwuwarstwowych płytek PCB, które nie mają dość miejsca na to, aby skorzystać z płaszczyzny uziemienia, i w przypadku których nie ma mowy o nagłych spadkach napięcia towarzyszących przewodom magistrali. Siatka taka niekoniecznie musi mieć formę kwadratu, ale powinna zajmować jak najwięcej miejsca na naszym układzie. Większy obszar siatki nie tylko zmniejszy jej impedancję, ale umożliwi również stworzenie większej ilości ścieżek, co przyczyni się do skrócenia drogi powrotu dla sygnałów. Korzystając z sieci, upewnij się jednak, że ścieżki powrotne dla prądu stałego (DC) i prądu zmiennego (AC) nie krzyżują się ze sobą.

Płaszczyzna uziemienia: korzystanie z pełnej płaszczyzny uziemienia jest przeważnie najlepszym rozwiązaniem dla większości płytek PCB. Geometria takiej płaszczyzny gwarantuje możliwie jak najniższą impedancję, a także pozwala maksymalnie skrócić ścieżki powrotne dla sygnałów. Co więcej, pełna płaszczyzna uziemienia osłania płytkę PCB o wiele skuteczniej niż siatka uziemiająca. Podobnie jednak, jak w przypadku siatki, należy zachować szczególną ostrożność podczas łączenia układów scalonych (IC) i zrobić to w taki sposób, aby ścieżki odmiennych prądów (AC/DC) nie krzyżowały się ze sobą. Jak to natomiast w życiu bywa, im lepsze rozwiązanie, tym bardziej kosztowne. Jeśli zależy Ci więc na każdym groszu, już teraz zacznij obliczać impedancję związaną z wykorzystaniem do uziemienia swojego układu przewodu magistrali lub siatki uziemiającej. 

^{Prawdziwe uziemienie nie jest tak łatwe, jak pokazują to schematy.}

Niektóre układy o mieszanym sygnale mogą wykorzystywać dwie osobne płaszczyzny uziemienia w celu rozdzielenia obwodów analogowych i cyfrowych, co przyczynia się dodatkowo do zmniejszenia zakłóceń elektromagnetycznych. Posiadanie dwóch oddzielnych płaszczyzn uziemienia spowoduje jednak, że będą one miały całkowicie inne odniesienia. To może natomiast doprowadzić do błędów. W układach z jednym konwerterem danych można połączyć ze sobą osobne płaszczyzny uziemienia, wykorzystując do tego rdzeń ferrytowy i diodę Schottky’ego. W przypadku bardziej standardowych rozwiązań płaszczyzny uziemienia mogą zostać ze sobą bez problemu połączone lub też można korzystać z zaledwie jednej, co w zupełności wystarczy. Sprawdza się to wtedy, gdy ścieżki powrotne sygnałów prądu zmiennego i stałego nie krzyżują się ze sobą, co będzie wówczas rezultatem powstania „przesłuchów” (jak wtedy, gdy ktoś odcina mi zasilanie i zaczynam krzyczeć). Osobiście rekomenduję stosowanie tylko jednej płaszczyzny uziemienia, ale ze starannie zaprojektowanymi ścieżkami powrotnymi dla sygnałów. Jeśli nie jest to możliwe, zawsze można wyciąć w niej dodatkowe szczeliny, co oddzieli od siebie komponenty wykorzystujące AC i DC, rozdzielając przy tym również ich ścieżki powrotu. Płaszczyzna uziemienia ze szczelinami w dalszym ciągu dobrze przylega i jest niezłym odnośnikiem, ale wprowadzi do Twojego układu trochę niepożądanych szumów. Gdy wycinasz szczeliny, nigdy nie prowadź po nich ścieżek, ponieważ mogą one wówczas zachowywać się jak anteny. Co więcej, niezależnie od metody uziemienia płytki, na którą się finalnie zdecydujesz, pamiętaj o tym, aby ścieżki powrotne sygnałów były tak krótkie, jak to tylko możliwe. Zawsze pomoże to zmniejszyć zakłócenia elektromagnetyczne, które mogą być emitowane przez pętle prądowe.

Jeśli w swoim projekcie płytki PCB masz jakiekolwiek kondensatory obejściowe lub odsprzęgające, ich podłączenie do płaszczyzny uziemienia również przyczyni się do zmniejszenia emisji zakłóceń elektromagnetycznych. Uziemienie tych kondensatorów zagwarantuje, że prądy będą miały bardzo krótką drogę powrotną, aż do zakończenia pętli. Uważaj jednak, ponieważ gdy ścieżka łącząca kondensator z płaszczyzną uziemienia jest zbyt długa, prądy mogą obrać drogę „na skróty” i skończyć tam, gdzie nie powinny. 

^{Zarówno wielkie miasta, jak i układy scalone, potrzebują dobrego gruntu.}

Praktyczne wskazówki dotyczące układów scalonych o sygnale mieszanym

Jak już wiesz, systemy o sygnale mieszanym idą w parze z pewnymi powikłaniami, a układy scalone o sygnale mieszanym powodują dalsze komplikacje. Ich liczne kombinacje wymagają bowiem stosowania różnych rozwiązań. Oto kilka wskazówek dotyczących układów scalonych z sygnałem mieszanym.

Płytki PCB z pojedynczym układem scalonym o sygnale mieszanym

Jeśli kiedykolwiek zdarzyło Ci się projektować obwody audio, stosowanie połączenia w gwiazdę na pewno nie jest Ci obce. W trakcie projektowania płytki drukowanej, która ma jedynie jeden układ scalony o sygnale mieszanym, stosowanie połączenia w gwiazdę do uziemienia może być naprawdę świetnym rozwiązaniem. Metoda ta jako odnośnik wykorzystuje jedynie pojedynczy punkt, a nie całą warstwę płaszczyzny. W przypadku konwerterów i innych układów o mieszanym sygnale, ich producent zaleca przeważnie, aby piny AGND i DGND były połączone ze sobą poza układem (połączenie to może działać również jako płaszczyzna gwiazdy). Jeśli wykorzystujesz dwie osobne płaszczyzny uziemienia dla pojedynczego układu scalonego o sygnale mieszanym, możesz w tym momencie bez problemu połączyć ze sobą ich obudowy. Jednym z problemów stosowania połączenia w gwiazdę jest natomiast to, że wszystkie połączenia powinny mieć maksymalnie zbliżoną do siebie długość. Jeśli taka konfiguracja nie będzie praktyczna dla Twojego obwodu, lepiej skorzystać z innej metody uziemiania.

Płytki PCB z wieloma układami scalonymi o sygnale mieszanym

Jeśli na swojej płytce drukowanej masz więcej niż jeden układ scalony o sygnale mieszanym, stosowanie połączenia w gwiazdę nie jest już wówczas praktycznym rozwiązaniem. Wynika to z tego, że musielibyśmy powiązać piny AGND i DGND z każdego pojedynczego układu na zewnątrz tych układów, i dodatkowo wszystkie musiałyby być powiązane ze sobą w tym samym punkcie. Nawet William Penn nie byłby w stanie zaprojektować w takiej sytuacji dobrego rozwiązania. Jeśli projektujesz płytkę PCB z wieloma układami scalonymi o sygnale mieszanym, zalecam wykorzystanie płaszczyzny uziemienia ze szczelinami do rozdzielenia od siebie prądów lub bez szczelin, ale za to z bardzo skrupulatnym poprowadzeniem wszystkich ścieżek powrotu dla sygnałów prądu zmiennego i stałego.

Uziemianie systemów o sygnale mieszanym wymaga bardzo starannego planowania całego układu, a szczególnie tyczy się to ścieżek powrotnych sygnałów, co finalnie pozwala uniknąć „przesłuchów” i zredukować emisję EMI. Planowanie układu jest jednak bardzo trudne, gdy wszystko wygląda praktycznie tak samo. Dlatego też podczas projektowania polecam korzystać z oprogramowania do PCB, które pozwala projektować z wykorzystaniem kolorów do poszczególnych komponentów czy nawet całych sieci, dzięki czemu można wizualnie odróżnić od siebie systemy korzystające z prądu zmiennego od tych, które wykorzystują prąd stały. Bardzo pomaga to w tworzeniu układów scalonych o sygnale mieszanym. CircuitStudio^® od Altium jest jednym z takich programów i posiada dokumentację pokazującą, jak zmieniać kolory na schemacie płytki PCB.

Czasami nie jesteśmy w stanie ominąć korków i przeciążonych dróg, ale bez dwóch zdań możemy uniknąć nadmiernego przeciążania naszych płytek PCB. Odpowiednie uziemienie całego układu pozwoli nie tylko zmniejszyć poziom zakłóceń elektromagnetycznych, ale i zachować trochę więcej tak cennego spokoju.

Masz więcej pytań dotyczących uziemiania płytek PCB? Skontaktuj się z ekspertem z Altium.