Wie Sie Masseschleifen in Ihrem PCB-Design vermeiden
Wenn Sie Signalleitungen richtig verlegen, verhindern Sie eine Erdschleife
Wahrscheinlich kennen Sie dieses Problem: Sie kaufen sich voller Vorfreude eine Stereoanlage der Spitzenklasse, müssen dann aber nach dem Aufbau des Systems feststellen, dass im Hintergrund immer das altbekannte Brummen zu hören ist. Daraufhin bringen Sie die Anlage zurück ins Geschäft und bekommen vom dortigen Fachverkäufer zu hören, dass der Hersteller Schuld ist. Bei weiteren Nachforschungen zeigt sich, dass der Hersteller der Stereoanlage seinerseits dem Hersteller der darin verbauten Komponenten die Verantwortung zuweist. Und dieses letzte Unternehmen muss die Schuld dann tatsächlich auf sich nehmen. Denn letztlich entsteht das Problem durch eine Erdschleife, die aus Nachlässigkeit beim Design resultiert.
PCB-Designer sind also gut beraten, ihre Leiterplattenlayouts so zu gestalten, dass Erdschleifen vermieden werden. Derartige Störungen entstehen, wenn starke Ströme durch Masseflächen fließen und Potenzialdifferenzen zwischen Masseverbindungen auftreten. Sie machen sich in einigen Audiosystemen als Pfeifen oder Brummen bemerkbar, können jedoch auch auf andere Weise in Erscheinung treten.
Die optimale Gestaltung von Signal- und Rückstrompfaden
Wenn Sie an Ihre Grundlagenvorlesung in Elektronik zurückdenken, werden Sie sich daran erinnern, dass elektrischer Strom stets in geschlossenen Kreisen fließt. Dementsprechend erfolgt die Signalübertragung in den Stromschleifen einer Leiterplatte über die dafür vorgesehenen Signalbahnen und deren benachbarte Rückleiter. Während das übertragene Signal zu voller Stärke anwächst, wird in den Rücklaufbahnen ein Rücklaufsignal induziert. Signalbahn und Rückleiter bilden also einen Stromkreis, in dem das rücklaufende Signal umso stärker ausfällt, je kleiner die Stromschleifenfläche ist.
Warum ist das wichtig? Weil es bedeutet, dass Sie nur dann einen zuverlässigen Signalrückfluss zur Masse erreichen können, wenn Sie die Stromschleifenfläche minimieren, indem Sie die Rückleiter so nah wie möglich an den Signalbahnen entlangführen. Da die Signalbahnen üblicherweise auf der Oberseite der Leiterplatte verlaufen, ist es naheliegend, die dazugehörigen Rückleiter in möglichst geringem Abstand auf der Ebene direkt unterhalb der Signallage zu routen. Bei entsprechender Gestaltung Ihrer PCB-Layouts fällt die Stromschleifenfläche möglichst gering aus, was zur Reduzierung der elektromagnetischen Interferenzen und Störungen beiträgt.
Masselagen und Masseverbindungen
Anstatt Signal- und Rückleiter auf verschiedenen Ebenen parallel übereinander zu führen, können Sie auch eine mit der Masse verbundene Kupferfläche auf der Lage unterhalb der Signalebene platzieren. Nach Hinzufügung einer solchen Masselage wird bei jeder Signalübertragung auf der Signalebene ein rücklaufendes Signal in der Kupferfläche induziert, das den Stromkreis schließt.
In dieser Variante erzeugt also jede Signalbahn ihren eigenen Rücklaufpfad auf der Masselage. Das bedeutet, dass das Routing der rücklaufenden Signale sehr viel einfacher ist als bei Designs mit individuellen Rücklaufbahnen.
Allerdings besitzt eine Masselage niemals perfekte Leiteigenschaften, sondern weist immer einen gewissen Widerstand und eine gewisse Induktivität auf. Folglich können geringe Potenzialdifferenzen entstehen, wenn zwei Signalbahnen an verschiedenen Punkten in die Massefläche einmünden. Hierbei handelt es sich um eine der Hauptursachen für Erdschleifen in Leiterplatten. Zwar liegen die fraglichen Potenzialdifferenzen zwischen verschiedenen Rückstrompfaden üblicherweise im Mikrovoltbereich, doch ist dies bereits ausreichend, um in Schaltungen mit niedrigen Stromstärken Probleme mit der Signalintegrität zu verursachen.
Grundsätzlich ist hier zu beachten, dass das durch Erdschleifen hervorgerufene Rauschen niemals ganz vermieden, wohl aber werden kann. Beispielsweise lassen sich Störungen der Signalintegrität auf ein Mindestmaß beschränken, wenn die verschiedenen Masseverbindungen nicht an verschiedenen Punkten in die Massefläche einmünden, sondern zusammengeführt und mit demselben Bereich der Masselage verbunden werden. Denn durch die Verkleinerung der Abstände zwischen den Endpunkten der verschiedenen Masseverbindungen wird zugleich der Aufbau von Potenzialdifferenzen erschwert.
Desgleichen sollten sämtliche Versorgungsleitungen an einem zentralen Punkt mit der Masselage verbunden werden. Dadurch wird die gesamte Massefläche auf annähernd gleichem Potenzial gehalten. Wenn die Versorgungsnetze dagegen an verschiedenen Punkten mit der Masselage verbunden sind, können – wie oben beschrieben – Potenzialdifferenzen auftreten, die Erdschleifen verursachen.
Die richtige Topologie
Letztlich eignet sich die Platzierung einer Masselage, die sich über die gesamte Fläche unterhalb aller Signalbahnen erstreckt, vor allem für relativ einfache, auf Niederfrequenzanwendungen zugeschnittene Designs mit einer überschaubaren Zahl von Bauteilverbindungen. In diesen Fällen empfiehlt es sich, neben den oben beschriebenen Maßnahmen zur Eindämmung der internen Störquellen auch Maßnahmen zur Minimierung der Anfälligkeit gegenüber externen Störsignalen zu ergreifen. Zu diesem Zweck sollten die Signalbahnen durch ein Gehäuse abgeschirmt und die Masseflächen möglichst klein gehalten werden.
Dagegen ist eine ausgedehnte Massefläche unterhalb der auf der Leiterplatte montierten Komponenten im Fall von Hochfrequenzanwendungen oft weniger wünschenswert. Wenn Sie beispielsweise einen PCB für digitale und analoge Hochfrequenzsignale entwerfen und eine Massefläche direkt unter dem als Taktgeber fungierenden Quarzoszillator platzieren, schaffen Sie de facto eine Patchantenne, die mit dem Taktsignal gespeist wird. Hier lässt sich nur durch eine wirksame Abschirmung verhindern, dass die Anfälligkeit für elektromagnetische Störungen verstärkt und die Signalintegrität beeinträchtigt wird.
Alternativ können Sie Erdschleifen vermeiden, indem Sie Ihr Design mit verschiedenen, miteinander verbundenen Masseflächen versehen. Voraussetzung hierfür ist eine geeignete Topologie. So ist bei einer Sterntopologie jede Massefläche direkt mit der Stromversorgung verbunden, was das Risiko von Erdschleifen senkt. Dagegen besteht bei einer Ring- oder Daisy-Chain-Topologie die Gefahr, dass Erdschleifen zwischen den verschiedenen Masseflächen entstehen.
Darüber hinaus sollten Sie bei einem Design mit verschiedenen Masseflächen sorgfältig darauf achten, dass die Signalrückleitung nicht über mehrere Masseflächen erfolgt. Besonders bei Mixed-Signal-Designs darf jeder Signalpfad nur über eine Massefläche führen. Denn wenn Sie beispielsweise ein digitales Signal über die analoge Massefläche leiten, kann dies zur unerwünschten Kopplung der digitalen und analogen Signale führen, was sämtliche Vorteile der Sterntopologie zunichtemacht.
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