Daha iyi devre performansı için PCB topraklama tekniklerini karşılaştırmak

Dünyalama PCB tasarımının bilinmeyen kahramanıdır, ancak genellikle göz ardı edilir.Doğru teknik sinyal bütünlüğünü artırabilirken, elektromanyetik müdahaleyi (EMI) 20 dB'ye kadar azaltır ve yüksek hızlı veya karışık sinyal tasarımları için istikrarlı bir performans sağlar.Düşük frekanslı devreler için basit tek nokta topraklamadan havacılık sistemleri için gelişmiş hibrit yöntemlere kadarBu kılavuzda en etkili PCB topraklama teknikleri, onların artıları ve eksileri,ve proje için mükemmel birini nasıl seçeceğinizi.

Önemli Önemli Noktalar
1Katı zemin düzlemleri evrenseldir: EMI'yi 20 dB azaltır, düşük impedanslı dönüş yolları sağlar ve hem düşük (≤1 MHz) hem de yüksek (≥10 MHz) frekanslar için çalışır.PCIe).
2Frekansla uyumlu topraklama: ≤1 MHz devreler için tek nokta topraklama (örneğin analog sensörler), ≥10 MHz için çok nokta topraklama (örneğin RF modülleri) ve karışık sinyal tasarımları için hibrit (örneğin,Analog + dijital parçaları olan IoT cihazları).
3Bölünmüş zemin düzlemlerinden kaçının: Boşluklar antenler gibi davranır, EMI'yi artırır, tek bir katı düzlem kullanır ve düşük impedans noktasında analog/dijital zeminleri izole eder.
4.Layout meseleleri: Yer düzlemlerini sinyal katmanlarına yakın yerleştirin, düzlemleri bağlamak için dikiş viasları kullanın ve sinyal bütünlüğünü artırmak için güç iğneleri yakınında koplama kondansatörleri ekleyin.
5Karışık sinyal tasarımları izolasyon gerektirir: Analog ve dijital zeminleri ayırmak için ferrit boncukları veya optocoupler kullanın, gürültünün hassas sinyalleri bozmamasını önleyin.

Temel PCB topraklama teknikleri: Nasıl çalışır?
Her topraklama tekniği, düşük frekanslı gürültüden yüksek hızlı EMI'ye kadar belirli sorunları çözmek için tasarlanmıştır.ve sınırlamaları.

1Tek Nokta Temizleme
Tek noktalı topraklama, tüm devreleri tek bir ortak zemin noktasına bağlar ve merkezi noktadan başka iki devrenin bir zemin yolunu paylaşmadığı bir "yıldız" topolojisi oluşturur.

Nasıl Çalışır?
a. Düşük frekanslı odaklama: 1 MHz'lik frekanslara sahip devreler için en iyisidir (örneğin analog sensörler, düşük hızlı mikro denetleyici).
b.Gürültü yalıtımı: Ortak modlu impedans çiftleşmesini engeller. Analog ve dijital devreler sadece bir yerleşim bağlantısını paylaşır ve çapraz konuşmayı azaltır.
c. Uygulama: Tüm toprak bağlantıları doğrudan bu noktaya yönlendirilerek, "yıldız" merkezi olarak kalın bir bakır izi (≥ 2 mm) kullanın.

Artılar ve Eksiler

En iyisi:
Düşük frekanslı analog devreler (örneğin, sıcaklık sensörleri, ses ön güçlendirici) ve basit tek çip tasarımları (örneğin, Arduino projeleri).

2Çok Noktalı Yerleştirme
Çok noktalı topraklama, her devreyi veya bileşeni en yakın toprak düzlemine bağlamasına izin verir ve birden fazla kısa, doğrudan dönüş yolu yaratır.

Nasıl Çalışır?
a. Yüksek frekanslı odaklama: ≥10 MHz frekanslar için optimize edilmiştir (örneğin, RF modülleri, 5G alıcılar).
b. Düşük impedanslı yollar: Her bir sinyal ⇒ akım akışlarını en yakın yere döndürür, döngü alanını ve endüktansını (yüksek hızlı sinyaller için kritik) en aza indirir.
c.Uygulama: Katı bir yer düzlemi (veya birden fazla bağlantılı düzlem) kullanın ve geri dönüş yollarını kısa tutmak için sinyal izlerinin hemen yanında yerleştirilen viaslar aracılığıyla yer bağlantılarını yönlendirin.

Artılar ve Eksiler

En iyisi:
Yüksek hızlı dijital devreler (örneğin, DDR5 belleği, 10G Ethernet), RF cihazları ve 10 MHz'den yüksek frekanslı herhangi bir PCB.

3. Yer düzlemleri (Altın Standart)
Bir zemin düzlemi, evrensel bir zemin olarak hareket eden sürekli bir bakır tabakasıdır (genellikle tüm PCB tabakası).

Nasıl Çalışır?
a.Çifte amaçlı tasarım: Hem düşük impedanslı bir zemin (dönüş akımları için) hem de EMI kalkanı sağlar (aylak elektromanyetik alanları emiyor).
b.Ana faydalar:
Döngü alanını sıfıra yaklaştırır (dönüş akımları doğrudan sinyal izlerinin altına akar).
Toprağın izlerine göre zemin impedansını% 90 düşürür (bakır düzleminin daha fazla kesit alanı vardır).
Duyarlı sinyalleri dış müdahaleden korur (Faraday kafesi gibi davranır).
c.Uygulama: Dört katmanlı PCB'ler için, kalkanlama maksimum hale getirmek için sinyal katmanlarına bitişik zemin düzlemlerini yerleştirin (örneğin, Katman 2 = Yer, Katman 3 = Güç).Dikiş viasları (dışarı 5 ′′ 10mm uzaklıkta) katmanlar arasında zemin düzlemlerini bağlamak için kullanın.

Artılar ve Eksiler

En iyisi:
Neredeyse tüm PCB'ler: tüketici elektroniklerinden (akıllı telefonlar, dizüstü bilgisayarlar) endüstriyel sistemlere (PLC) ve tıbbi cihazlara (MRI makineleri) kadar.

4Yıldız Yerleştirme.
Yıldız topraklama, tüm toprak yollarının tek bir düşük impedans noktasında (genellikle bir toprak yastığı veya bakır dökme) birleştiği tek nokta topraklamanın bir değişimidir.Duyarlı devreleri izole etmek için tasarlanmış..

Nasıl Çalışır?
a.Ayrıtma odak: Analog, dijital ve güç alanlarını ayırır ve her grup özel izlerle yıldız merkezine bağlanır.
b. Karışık sinyal için kritik: Dijital gürültünün analog devrelere sızmasını önler (örneğin, bir mikrodenetleyicinin sinyalini bozan anahtarlama gürültüsü).
c. Uygulama: Yıldız merkezi olarak büyük bir bakır yastığı kullanın; daha geniş (≥ 1 mm) analog zemin izlerini daha düşük impedans için yönlendirin.

Artılar ve Eksiler

En iyisi:
Küçük karışık sinyal devreleri (örneğin taşınabilir tıbbi monitörler, sensör modülleri) frekansları ≤1 MHz.

5Hibrit Yerleştirme
Hibrit topraklama, karmaşık tasarım zorluklarını (örneğin, yüksek frekanslı karışık sinyal sistemleri) çözmek için tek nokta, çok nokta ve zemin düzlemi tekniklerinin en iyisini birleştirir.

Nasıl Çalışır?
a.İki frekanslı strateji:
Düşük frekanslar (≤1 MHz): Analog devreler için tek nokta/yıldızlı topraklama kullanın.
Yüksek frekanslar (≥10 MHz): Dijital/RF parçalar için yer düzlemleri üzerinden çok noktalı topraklama kullanın.
b.İzolasyon araçları: Yer alanlarını ayırmak için ferrit boncukları (yüksek frekanslı gürültüyü engeller) veya optocoupler (elektrikle izole analog/dijital) kullanın.
c.Aerospace örneği: Uydu PCB'leri hibrit topraklama analog sensörler (tek nokta) kullanır, alanlar arasındaki gürültüyü engelleyen ferrit boncukları ile dijital işlemcilere (yer düzlemleri üzerinden çok nokta) bağlanır..

Artılar ve Eksiler

En iyisi:
Havacılık elektronikleri, 5G baz istasyonları ve tıbbi cihazlar gibi gelişmiş tasarımlar (örneğin, analog dönüştürücü + dijital işlemciler ile ultrason makineleri).

Yerleştirme Tekniklerini Nasıl Karşılaştırabilirsiniz: Etkililik, Gürültü ve Sinyal Bütünlüğü
Tüm topraklama yöntemleri eşit performans göstermez. Seçiminiz EMI, sinyal kalitesi ve devre güvenilirliği üzerinde etkiler. Aşağıda karar vermenize yardımcı olmak için veri tabanlı bir karşılaştırma bulunmaktadır.

1EMI Kontrolü: Hangi Teknik Gürültüyü En İyi Düşürür?
EMI, yüksek hızlı PCB'ler için en büyük tehdittir. Yerleştirme, devrenin ne kadar gürültü yaydığını veya emdiğini doğrudan etkiler.

Önemli Not: Yer düzlemi boşlukları (örneğin, yönlendirme için kesimler) antenler olarak hareket ederek EMI'yi 10 ‰ 15 dB artırır.

2Sinyal bütünlüğü: Sinyallerin temiz tutulması
Sinyal bütünlüğü (SI), bir sinyalin bozulmadan seyahat etme yeteneğini ifade eder.

Bunun neden önemli olduğu: Bir zemin düzleminin düşük impedansı (0.1Ω), voltaj düşüşlerinin <10mV'ye ulaşmasını sağlarken, tek nokta zemin düzleminin 20Ω'luk impedansı, dijital sinyalleri bozacak kadar 200mV düşüşe neden olur (örneğin, 3.3V mantıksal sinyalin geçerli kalması için <50mV gürültü gerektirir).

3Uygulama Uygunluğu: Devre türüne eşleşme tekniği
Çemberinizin amacı ve sıklığı en iyi topraklama yöntemini belirler.

Kaçınılması Gereken Genel Hatalar
En iyi topraklama tekniği bile kötü bir şekilde uygulandığında başarısız olur. Aşağıda en sık görülen hatalar ve bunları nasıl düzelteceğiniz verilmiştir.
1Yer düzlemlerini bölmek.
a.Hata: Bir yer düzlemini analog/dijital alanları ayırmak için kesmek (örneğin, "dijital yer adası" ve "analog yer adası").
b. Sonuç: Boşluklar yüksek impedanslı dönüş yolları yaratır, sinyaller boşluğu geçerek EMI'yi 15 dB arttırır ve yere sıçramaya neden olur.
c. Düzeltme: Tek bir katı zemin düzlemini kullanın. Tek bir noktada (örneğin, 1 mm bakır köprü) bağlayarak analog / dijital izole edin ve yüksek frekanslı gürültüyü engellemek için ferrit boncukları kullanın.

2. Uzun Toprak Döngüleri
a.Hata: Döngüler içinde yer izlerini yönlendirme (örneğin, yer düzlemine ulaşmadan önce PCB'yi çevreleyen dijital bir yer izleri).
b. Sonuç: Döngüler, EMI'yi alarak ve endüktansa arttırarak antenler gibi davranır (10 cm'lik bir döngünün indüktansa ~ 1μH'dır ve 100 MHz'de 1V gürültüsüne neden olur).
c. Düzeltme: Yer yollarını kısa tutun ve bileşenden hemen sonra yer düzlemine bağlanmak için doğrudan “viyas” kullanın.

3- Yerleştirme yoluyla kötü.
a.Hata: Yerleşim yollarını sinyal izlerinden uzaklaştırmak (örneğin, bir sinyal izi ile yerleşim yolu arasındaki 10 mm boşluk).
b. Sonuç: Dönüş akımları uzun yollar alır, döngü alanını ve sinyal yansımalarını artırır.
c. Düzeltme: Yüksek hızlı sinyaller (> 1 GHz) için sinyal izlerinden 2 mm'lik bir mesafeye yerleştirin, indüktansı düşürmek için her iz için iki vias kullanın.

4Katman Yüklemeyi İğrenmek.
a.Hata: Özel bir zemin düzlemine sahip olmayan iki katmanlı PCB kullanmak (onun yerine zemin izlerine güvenmek).
b. Sonuç: Yer impedansı 10 kat daha yüksektir, bu da EMI'ye ve sinyal kaybına yol açar.
c.Düzeltme: ≥1 MHz frekanslar için, özel toprak/güç düzlemleri ile 4 katmanlı bir PCB kullanın (2 katman = Yer, 3 katman = Güç).

5. Karıştırma Voltaj Alanları
a.Hata: Yüksek voltajlı (örneğin, 12V) ve düşük voltajlı (örneğin, 3.3V) alanları yalıtım olmadan bağlamak.
b. Sonuç: Yüksek voltajlı gürültü düşük voltajlı sinyalleri bozar (örneğin, bir 12V motorun anahtarlama gürültüsü bir 3.3V MCU'yu çarpır).
c. Düzeltme: Altınları izole etmek için optocoupler veya voltaj alanları arasındaki gürültüyü engellemek için ortak modlu bir boğma kullanın.

Doğru Yerleştirme Tekniğini Nasıl Seçebilirsiniz: Adım Adım Rehber
PCB'niz için mükemmel topraklama yöntemini seçmek için şu adımları izleyin:
1Devrenizin Frekansını Belirleyin
a.≤1 MHz: Tek nokta veya yıldızlı topraklama (örneğin analog sensörler).
b.1 MHz-10 MHz: Hibrit topraklama (karışık sinyal tasarımları).
c.≥10 MHz: Yer düzlemi + çok noktalı topraklama (yüksek hızlı dijital/RF).

2. Devre Türünü belirle
a.Sadece analog: Yıldız veya tek nokta.
b.Sadece dijital: Yer düzlemi + çok noktalı.
c. Karışık sinyal: Hibrit (ferrit boncukları ile izole analog/dijital).
d. Güç odaklı: Yer düzlemi (yüksek akımlar için düşük impedans).

3. Layout kısıtlamaları değerlendirin
a.Küçük PCB'ler (<50 mm): Yıldız veya tek nokta (yer düzlemlerine gerek yok).
b.Büyük/Yüksek yoğunluklu PCB'ler: Yer düzlemi + çok nokta (ölçeklenebilirlik).
C. Katman Sınırları: Sadece 2 katman varsa, tam bir düzlemin yerine bir zemin ızgarası (bir ızgarada kalın bakır izleri) kullanın.

4Simülasyon ile doğrula.
Ansys SIwave veya Cadence Sigrity gibi araçları kullanın:
Farklı topraklama teknikleri için EMI emisyonlarını test edin.
Sinyalin bütünlüğünü kontrol edin (yüksek hızlı sinyaller için göz diyagramları).
Frekanslar arasında toprak impedansı kontrol edin.

5Prototip ve Test
a.Bir prototip oluşturun ve ölçün:
EMI bir spektrum analizatörü ile (30 MHz'de 1 GHz'de <50 dBμV/m hedefi).
Sinyal bütünlüğü bir osiloskopla (sinyal amplitudunun %10'unun aşılması/altlanması kontrol edilir).
Bir multimetre ile toprak sıçrama (dijital devreler için <50mV tutun).

Sık Sorulan Sorular
1Neden yeraltı uçağı yeraltı izlerinden daha iyi?
Yer düzleminde çok daha fazla bakır alanı vardır, bu da izlere karşı impedansı %90 azaltır.Döngü alanını ve gürültüyü en aza indirmek.

2Karışık sinyalli PCB'ler için bir yer düzlemi kullanabilir miyim?
Evet, tek bir katı zemin düzlemini kullanın ve analog/dijital zeminleri bir noktada izole edin (örneğin, bakır bir köprü). Yüksek frekanslı dijital gürültüyü engellemek için analog zemin izlerine ferrit boncukları ekleyin.

32 katmanlı PCB'de (yer düzlemi yok) EMI'yi nasıl azaltabilirim?
Bir zemin ızgarası kullanın: PCB'de, üst / alt ızgarayı birbirine bağlayan viaslarla kalın bakır izlerinden (≥2 mm) oluşan bir ızgara oluşturun.

4Tek nokta topraklama için maksimum frekans nedir?
Tek noktalı topraklama ≤1 MHz için en iyi şekilde çalışır. Bu frekansın üzerinde, uzun toprak izleri yüksek induktansa neden olur.

5Yer düzlemi için kaç dikiş viyasına ihtiyacım var?
Özellikle PCB kenarları etrafında 5-10 mm aralarındaki uzay dikiş viasları. Yüksek frekanslı tasarımlar (> 1 GHz) için Faraday kafesi etkisi yaratmak için her 3 mm'de bir vias kullanın.

Sonuçlar
PCB topraklaması "tek boyutlu" bir çözüm değildir, ancak kritik bir çözümdür. Doğru teknik gürültülü, güvenilmez bir devreyi yüksek performanslı bir sisteme dönüştürebilir.Yanlış seçim pahalı yeniden tasarımlara veya başarısız EMC testlerine yol açabilir.

Çoğu modern PCB için (özellikle yüksek hızlı veya karışık sinyalli) sağlam bir zemin düzlemi, karmaşık tasarımlar için yüksek frekanslar veya hibrit yöntemler için çok noktalı topraklama ile eşleştirilmiş bir temeldir.Bölünmüş uçaklar veya uzun toprak döngüleri gibi yaygın hatalardan kaçının., ve her zaman tasarımınızı simülasyon ve prototip yapımıyla doğrulayın.

PCB'ler daha hızlı (örneğin, 112G PCIe) ve daha kompakt (örneğin, giyilebilir cihazlar) büyüdükçe, topraklama sadece daha önemli olacak.,istikrarlı, düşük gürültülü ve modern elektroniklerin gereksinimlerini karşılamaya hazır PCB'ler üreteceksiniz.

Unutmayın: Yerleşim, doğru stratejiye erken zaman ayırmak için yapılan bir yatırımdır. Daha sonra EMI veya sinyal sorunlarını düzeltmekten sizi kurtarır.Yerleşimi önceliklendirmek devrenizin amaçlandığı gibi çalışmasını sağlar..