Zapobieganie powstawaniu pętli zwarcia w projektach płytek PCB

© Altium

Chyba każdy kiedyś przez to przechodził. Kupujesz wspaniałą wieżę audio, włączasz ją i słyszysz dobrze znany dźwięk buczenia. Gdy składasz w sklepie reklamację, sprzedawca obwinia producenta urządzenia. Ten z kolei twierdzi, że winny jest producent komponentów, który nie ma już na kogo zrzucić winy. Prawdziwym źródłem problemu są pętle zwarcia doziemnego, powstające na skutek błędów w projekcie.

Pętle zwarcia są źródłem szumów w obwodach elektrycznych. W płaszczyznach masy mogą płynąć duże prądy, a różnica napięć pomiędzy połączeniami z masą powoduje powstanie pętli zwarcia. Dźwięki brzęczenia lub buczenia w niektórych systemach audio są jednym z przejawów szumu wytwarzanego przez pętle zwarcia.

Dlaczego trasowanie połączeń z masą jest tak ważne?

Jeśli pamiętasz lekcje podstaw elektroniki, wiesz, że prąd elektryczny zawsze płynie w zamkniętej pętli. W pętli zwarcia doziemnego na płytce PCB sygnały przepływają wokół płytki poprzez ścieżki przewodzące i pobliskie ścieżki powrotne. Gdy sygnał osiąga pełną siłę i przemieszcza się po płytce, powoduje to wzbudzanie sygnału powrotnego w pobliskiej ścieżce powrotnej. Innymi słowy, ścieżka sygnałowa i powrotna tworzą pętlę prądową, a siła wzbudzanego sygnału powrotnego jest tym większa, im mniejsza jest powierzchnia pętli.

Dlaczego to takie ważne? Oznacza to, że jeśli chcesz zapewnić skuteczny powrót sygnału do masy, musisz prowadzić ścieżki sygnałowe tak blisko powrotnych, jak tylko to możliwe. Jako że ścieżki sygnałowe są z reguły umieszczane na górze płytki, najprostszym rozwiązaniem jest poprowadzenie ścieżek powrotnych bezpośrednio pod nimi. Takie rozwiązanie minimalizuje powierzchnię pętli prądowych i zmniejsza interferencję elektromagnetyczną.

Połączenia z płaszczyzną masy

Zamiast prowadzić ścieżki sygnałowe i powrotne bezpośrednio jedne nad drugimi, możesz umieścić płaszczyznę przewodzącą pod ścieżkami sygnałowymi i połączyć ją z masą. Takie umieszczenie płaszczyzny masy umożliwia naturalne wzbudzanie sygnału powrotnego pod ścieżką sygnałową, a więc obwód będzie zamknięty.

Gdy płaszczyzna masy znajduje się bezpośrednio pod płaszczyzną zawierającą ścieżki sygnałowe, będą one wszystkie wzbudzały swoje własne ścieżki powrotne bezpośrednio w płaszczyźnie masy. Ten przykład świetnie ilustruje, jak wygodne jest zastosowanie dużej płaszczyzny masy do prowadzenia sygnałów powrotnych zamiast trasowania każdej ścieżki powrotnej oddzielnie.

Żadna płaszczyzna masy nie jest jednak przewodnikiem doskonałym – zawsze ma pewien opór i indukcyjność. Jeśli dwie ścieżki sygnałowe łączą się w różnych punktach z płaszczyzną masy, pomiędzy tymi połączeniami może istnieć niewielka różnica napięć. Jest to jedna z głównych przyczyn powstawania pętli zwarcia w płaszczyźnie masy płytki PCB. Potencjały pętli zwarcia i drogi powrotnej mogą mieć wartości rzędu mikrowoltów, ale nawet tyle wystarczy, aby doprowadzić do problemów z integralnością sygnału, szczególnie w urządzeniach niskoprądowych.

Chociaż nie da się całkowicie wyeliminować zakłóceń powodowanych przez pętle zwarcia, można je znacznie zredukować i ograniczyć ich wpływ na integralność sygnałów do minimum. Zamiast tworzyć wiele różnych punktów połączenia z masą, lepiej poprowadzić ścieżki do połączenia z masą poprzez jej płaszczyznę. Pomaga to zminimalizować potencjalną różnicę napięć pomiędzy ścieżkami na płytce PCB a połączeniem z płaszczyzną masy poprzez zmniejszenie odległości pomiędzy nimi.

Przewód powrotny do masy prowadzący do źródła zasilania również powinien być połączony z płaszczyzną masy w jednym punkcie. Gdy płaszczyzna masy łączy się ze źródłem zasilania tylko w jednym punkcie, potencjał będzie rozkładał się niemal równomiernie w całej tej płaszczyźnie. Jeśli płaszczyzna masy ma wiele połączeń powrotnych do źródła zasilania, może to doprowadzić do powstania pętli zwarcia ze względu na różnicę napięć pomiędzy tymi połączeniami. Zastosowanie jednego, odpowiedniego punktu połączenia z masą pozwala na wyeliminowanie tych pętli.

Właściwa topologia

Niestety, umieszczenie takiej płaszczyzny masy, która rozciąga się pod wszystkimi ścieżkami sygnałowymi, jest możliwe jedynie w prostszych projektach z małą liczbą połączeń między komponentami. Zastosowanie rozległej płaszczyzny masy pod ścieżkami sygnałowymi jest zazwyczaj dobrym pomysłem w urządzeniach o niskiej częstotliwości. Jeśli ścieżki sygnałowe i płaszczyzna masy wyznaczają małą powierzchnię, zmniejsza to również wrażliwość układu na interferencję elektromagnetyczną z zewnątrz.

Taka płaszczyzna masy rozciągająca się pod każdym komponentem może jednak nie być pożądana w zastosowaniach wysokich częstotliwości. Na przykład, wskutek umieszczenia płaszczyzny masy bezpośrednio pod zegarem sygnałowym w obwodach analogowo-cyfrowych o wysokiej częstotliwości napędzanych przez generatory stabilizowane piezoelektrycznie powstaje centralnie zasilany promiennik. To doprowadzi do dalszego pogorszenia problemów z interferencją. Jeśli nie zastosujemy dobrego ekranowania, prawdopodobnie ucierpi na tym integralność

Gdy w obwodzie znajduje się wiele płaszczyzn masy, można zapobiec powstawaniu pętli zwarcia pomiędzy nimi poprzez zastosowanie odpowiedniej topologii. Zamiast łączyć płaszczyzny masy w topologię pierścienia lub łańcucha, można je połączyć z masą źródła zasilania w topologii gwiazdy. Połączenie łańcuchowe płaszczyzn masy może doprowadzić do powstania pętli zwarcia pomiędzy nimi. Topologia gwiazdy pozwala na bezpośrednie połączenie każdej płaszczyzny do źródła zasilania i eliminację pętli pomiędzy płaszczyznami masy. 

Gdy w projekcie stosujesz wiele płaszczyzn masy, uważaj, aby nie trasować żadnych ścieżek nad wieloma takimi płaszczyznami. Każda ścieżka powinna być poprowadzona jedynie nad jej własną płaszczyzną masy. Jest to szczególnie ważne w projektach układów analogowo-cyfrowych. Na przykład, jeśli sygnał cyfrowy zostanie poprowadzony nad analogową płaszczyzną masy, może dojść do sprzężenia zakłóceń pomiędzy sygnałami analogowymi a cyfrowymi. Jest to sprzeczne z celem topologii gwiazdy.

Zapraszamy 15 września 2023 na TEK.day Gdańsk, zapisz się już dziś!