Соединение земли в виде «звезды»

Ранее мы упоминали о соединении земли на печатной плате в виде «звезды» в контексте электромагнитной совместимости. Это одна из тех тем, где теория встречается с практикой, правильное понимание метода «звезды» критически важно для проектирования качественных электронных устройств.

1.Что такое соединение земли «звезда»?

Соединение земли в виде «звезды» (StarPointGrounding) – это метод разводки земляной (GND) шины на печатной плате, при котором все основные цепи или подсистемы печатной платы имеют собственные пути для возврата тока обратно к единственной общей точке, называемой «звездой» или «нулевой точкой».

«Звезда» представляет собой рисунок дорожек, когда в центре одна точка, а от неё лучами расходятся отдельные дорожки к разным частям схемы (аналоговая часть, цифровая часть, силовая часть, питание и т.д.). Эти лучи не соединяются друг с другом где-либо ещё, кроме как в центральной точке.

Ключевой принцип:

Токи, текущие из одной цепи, не создают падение напряжения на земляной шине другой цепи, так как их пути разделены.

2.Преимуществаи риски.

Преимущества:

Это мощный инструмент для борьбы с помехами и нестабильностью работы.

Подавление контуров заземления.

Предотвращает протекание токов одной цепи (например, мощной силовой части) через земляную шину чувствительной цепи (например, ADC - аналого-цифровой преобразователь, АЦП – компонент микроконтроллера), что вызывало бы помехи и ошибки измерения.

Изоляция цифровых и аналоговых помех.

Цифровые схемы создают большие импульсные токи при переключении. Если их путь возврата проходит рядом с аналоговой частью, помехи гарантированы. «Звезда» изолирует эти пути.

Стабильные опорные потенциалы. Для таких компонентов, как АЦП и ЦАП, очень важно, чтобы опорная «земля» была как можно чище. Соединение «звезда» обеспечивает для них точку с минимальным падением напряжения.

Упрощение отладки.

Проблемы с помехами часто легче локализовать, когда цепи изолированы по земле.

Риски

Метод не является универсальным и при неправильном применении может оказаться неэффективным:

Высокочастотные проблемы.

На высоких частотах (десятки МГц и выше) даже короткий проводник имеет значительный индуктивный импеданс. Длинные «лучи звезды» становятся индуктивными и уже не являются надежной землей для ВЧ цепей. Это может привести к проблемам с целостностью сигнала и увеличению ЭМП (электромагнитных помех).

Сложность разводки.

На сложных многослойных печатных платах физически реализовать истинную «звезду» может быть очень трудно или невозможно, так как все дорожки должны сходиться в одну точку.

Необходимость тщательного планирования.

Требует глубокого понимания путей протекания токов в схеме. Ошибка в выборе точки соединения может усугубить ситуацию. Например, усилить влияние силовой земли на аналоговую, что приведет к помехам в работе АЦП.

Вывод: «Звезда» полезнадля разделения цепей с разными типами сигналов (аналог/цифра/силовая) и для низкочастотных и прецизионных приложений. Но при использовании в высокочастотных (>10-100 МГц) схемах без должного понимания это ненадежный метод борьбы с помехами и заземлением.

3. Реализация:

1) Разделить земли на области в виде несколько отдельных участков.

AND: для аналоговой части (операционные усилители, датчики, АЦП, ЦАП).

DGND: для цифровой части (микроконтроллер, логика, память).

PGND: для силовой части (драйверы моторов, DC-DC преобразователи).

GND_Shield: для экранирования и защиты.

2) Определить точку «звезды». Точка должна быть выбрана там,где цепи логически взаимодействуют или где должен быть общий опорный потенциал. Классический пример – вывод GND АЦП или ЦАП. Это идеальная точка для объединения аналоговой и цифровой земли.

3) Проложить «лучи». От точки«звезды» отдельными дорожками (как можно короче и толще) развести землюк соответствующим разделам печатной платы. Лучи не должны соединяться между собой на протяжении всего пути.

4) Объединить на одном слое точку «звезды» и «лучи».

Рекомендуется размещать «звезды» и «лучи» на одном слое (например, сигнальном), земляной полигон (на другом слое). Это улучшает защиту от помех. Важно изолировать участки земляного полигона с помощью разрывов (moats)*, чтобы предотвратить незапланированное соединение лучей через полигон.
* Moats – термин, который используется в контексте разводки печатной платы для обозначения метода изоляции аналоговой и цифровой частей схемы. Цель – минимизировать помехи, которые могут возникать из-за высокоскоростных цифровых сигналов на цифровой части заземления, влияющих на аналоговую часть заземления. Метод не предполагает прямой ёмкостной связи между аналоговыми и цифровыми трассами, а работает косвенно через область заземления.

5) Комбинация с полигонами. На высоких частотах лучшей практикой является использование сплошной земляной области для обеспечения пути возврата с низким импедансом. В этом случае «звезду» реализуют не дорожками, а физическим разделением полигона меди на островки и соединением их в одной точке с помощью 0-омных резисторов или ферритовых бусин. Это позволяет сохранить высокочастотные преимущества полигона, при этом изолировав постоянные и низкочастотные помехи.

4. Типичные ошибки.

1) Создание петель заземления внутри «звезды». Непроизвольное соединение лучей через компоненты, экраны разъёмов или медную заливку. Это полностью уничтожает функцию «звезды».

2) Игнорирование путей возврата тока. Проектирование без понимания, где и какие электрические токи текут. Ток всегда возвращается к источнику, и он пойдет по пути наименьшего импеданса, а не по спроектированной дорожке.

3) Использование длинных тонких лучей Высокий импеданс таких лучей сводит на нет все преимущества. Чтобы избежать этой ошибки, либоминимизируют длину дорожки и максимально увеличивают ее ширину, либо рассчитывают, какое допустимое сопротивление может быть у проводника, и на основе этих данных определяют параметры дорожки. Существуют и некоторые другие технологические решения, такие как, например,обычный внешний проводник.

4) Объединение в неправильной точке. Соединение, например, шумной цифровой земли и чистой аналоговой земли прямо у вывода микроконтроллера, а не у АЦП.

5) Слепое копирование без понимания. Использование «звезды» там, где она не нужна (например, в чисто цифровой схеме), бессмысленно усложняет разводку. Для многих цифровых устройств сплошной земляной полигон– это лучшее решение.

6) Пренебрежение обратными дорожками для сигналов. Сигнал всегда идёт по пути наименьшего импеданса обратно к источнику. Если этот путь не контролируется (например, нет полигона под сигнальной линией), он будет протекать где угодно, создавая помехи, несмотря на «звезду».

Итог:

Что такое «звезда»?

Это метод разделения путей возврата тока к одной общей точке.

Зачем использовать этот метод?

Для изоляции цепей и борьбы с низкочастотными помехами.

Когда нужно использовать этот метод?

В смешанных (аналого-цифровых) и силовых схемах, особенно с прецизионными измерениями.

В каких случаях метод «звезды» стоит использовать с осторожностью?

Этот методнеэффективен на высоких частотах и требует тщательного планирования.

Что может быть альтернативой «звезды» для высокочастотных печатных плат?

Сплошной земляной полигон с осторожным разделением на зоны.