Vergleich von PCB-Erdungstechniken für eine bessere Schaltungsleistung

Eine schlechte Erdungsstrategie kann eine gut konstruierte Schaltung in einen lauten, EMI-anfälligen Ausfall verwandeln.Während die richtige Technik die Signalintegrität erhöhen kann, die elektromagnetische Interferenz (EMI) um bis zu 20 dB reduzieren und eine stabile Leistung bei Hochgeschwindigkeits- oder Mischsignalkonstruktionen gewährleisten.Von der einfachen Ein-Punkt-Erdung für Niederfrequenz-Schaltkreise bis hin zu fortschrittlichen Hybridmethoden für Luft- und Raumfahrtsysteme, die Wahl des richtigen Erdungsansatzes hängt von Ihrem Schaltkreistyp, der Frequenz und den Layout-Einschränkungen ab.und wie Sie den perfekten für Ihr Projekt auswählen.

Wichtige Erkenntnisse
1.Solide Bodenflächen sind universell: Sie reduzieren EMI um 20 dB, bieten niedrige Impedanz-Rücklaufbahnen und funktionieren sowohl für niedrige (≤1 MHz) als auch für hohe (≥10 MHz) Frequenzen, die für Hochgeschwindigkeits-PCBs (z. B. 5G,(in %).
2.Frequenzübereinstimmende Erdung: Ein-Punkt-Eerdung für Schaltkreise von ≤1 MHz (z. B. analoge Sensoren), Mehrpunktserdung für Schaltkreise von ≥10 MHz (z. B. HF-Module) und Hybrid-Eerdung für gemischte Signalkonstruktionen (z. B.IoT-Geräte mit analogen + digitalen Teilen).
3.Vermeiden Sie geteilte Bodenflächen: Lücken wirken wie Antennen, erhöhen EMI·verwenden eine einzige feste Ebene und isolieren analoge/digitale Bodenflächen an einem Punkt mit geringer Impedanz.
4.Layout matters: Platzieren Sie Bodenflächen in der Nähe von Signalschichten, verwenden Sie Nähvias, um Flächen zu verbinden, und fügen Sie Entkopplungskondensatoren in der Nähe von Stromstiften hinzu, um die Signalintegrität zu erhöhen.
5.Mixed-Signal-Designs benötigen Isolierung: Verwenden Sie Ferrit-Perlen oder Optocoupler, um analoge und digitale Gründe zu trennen, um zu verhindern, dass Lärm empfindliche Signale beeinträchtigt.

Kerntechniken zur PCB-Ausarbeitung: Wie sie funktionieren
Jede Erdungstechnik ist darauf ausgelegt, spezifische Probleme zu lösen, von Niederfrequenzlärm bis zu Hochgeschwindigkeits-EMI.und Einschränkungen.

1Ein-Punkt-Begründung
Ein-Punkt-Erdung verbindet alle Schaltungen mit einem einzigen gemeinsamen Bodenpunkt und schafft eine "Sterne" -Topologie, bei der keine zwei Schaltungen einen Bodenweg teilen, außer am zentralen Punkt.

Wie es funktioniert
a.Niedrigfrequenzfokus: Am besten für Schaltungen mit Frequenzen ≤ 1 MHz (z. B. analoge Sensoren, Mikrocontroller mit niedriger Geschwindigkeit).
b.Geräuschdämmung: Verhindert die Impedanzkopplung in Common-Mode-Modus. Analog- und digitale Schaltungen haben nur eine Bodenverbindung, wodurch das Cross-Talk reduziert wird.
c. Durchführung: Als "Stern" Mitte eine dicke Kupferspur (≥ 2 mm) verwenden, wobei alle Bodenverbindungen direkt zu diesem Punkt geleitet werden.

Vor- und Nachteile

Am besten für
Niedrigfrequente analoge Schaltungen (z. B. Temperatursensoren, Audiovorverstärker) und einfache Single-Chip-Designs (z. B. Arduino-Projekte).

2Mehrpunkte-Begründung
Die Multi-Point-Erdung ermöglicht es jedem Stromkreis oder jeder Komponente, sich mit der nächstgelegenen Bodenebene zu verbinden, wodurch mehrere kurze, direkte Rückkehrwege geschaffen werden.

Wie es funktioniert
a.Hochfrequenzfokussierung: Optimiert für Frequenzen ≥ 10 MHz (z. B. HF-Module, 5G-Empfänger).
b. Niedrigimpedanzwege: Jedes Signal sendet Stromströme an die nächstgelegene Bodenstelle zurück, wodurch die Schleiffläche und die Induktivität (kritisch für Hochgeschwindigkeitssignale) minimiert werden.
c.Vorgang: Verwenden Sie eine feste Bodenebene (oder mehrere miteinander verbundene Ebenen) und führen Sie die Bodenverbindungen über direkt neben den Signalspuren platzierte Durchgänge, um die Rückfahrten kurz zu halten.

Vor- und Nachteile

Am besten für
Hochgeschwindigkeitsdigitale Schaltungen (z. B. DDR5-Speicher, 10G-Ethernet), HF-Geräte und alle Leiterplatten mit Frequenzen über 10 MHz.

3. Bodenplätze (Goldstandard)
Eine Erdungsebene ist eine kontinuierliche Kupferschicht (in der Regel eine ganze PCB-Schicht), die als universelle Erdung fungiert.

Wie es funktioniert
a.Doppelzweckkonstruktion: Bietet sowohl eine Niedrigimpedanz (für Rückströme) als auch eine EMI-Schirmung (absorbiert streunende elektromagnetische Felder).
b.Hauptvorteile:
Reduziert die Schleiffläche auf nahezu Null (Rückströme fließen direkt unter Signalspuren).
Senkt die Bodenimpedanz um 90% gegenüber Bodenspuren (Kupferfläche hat mehr Querschnittsfläche).
Schützt sensible Signale vor externen Störungen (wirkt wie ein Faraday-Käfig).
c.Implementierung: Bei 4-Schicht-PCBs werden Bodenebenen neben Signalschichten platziert (z. B. Schicht 2 = Boden, Schicht 3 = Leistung), um die Abschirmung zu maximieren.Verwenden Sie Nähvias (auf 5 ∼ 10 mm Abstand voneinander), um Bodenflächen über Schichten zu verbinden.

Vor- und Nachteile

Am besten für
Praktisch alle PCBs –von der Unterhaltungselektronik (Smartphones, Laptops) bis hin zu Industrieanlagen (PLC) und medizinischen Geräten (MRI-Maschinen).

4Star Grounding.
Star-Erdung ist eine Variante der Ein-Punkt-Erdung, bei der alle Bodenbahnen an einem einzigen Punkt mit geringer Impedanz konvergieren (oft ein Bodenpad oder Kupferguss).Es soll sensible Schaltkreise isolieren..

Wie es funktioniert
a. Isolationsfokus: Trennt analoge, digitale und Stromgründe, wobei jede Gruppe über dedizierte Spuren mit dem Sternzentrum verbunden ist.
b. Kritisch für das gemischte Signal: Verhindert, dass digitales Rauschen in analoge Schaltkreise eindringt (z. B. wenn ein Mikrocontroller/Switching-Rauschen ein Sensorsignal beeinträchtigt).
c.Implementierung: Verwenden Sie ein großes Kupferpad als Sternzentrum; lenken Sie analoge Bodenspuren mit größeren Breiten (≥1 mm) zu einer geringeren Impedanz.

Vor- und Nachteile

Am besten für
Kleine Schaltkreise mit gemischtem Signal (z. B. tragbare medizinische Monitoren, Sensormodule) mit Frequenzen ≤ 1 MHz.

5Hybride Erdung
Die Hybrid-Erdung kombiniert die besten Techniken der Ein-Punkt-, Mehr-Punkt- und Bodenebene zur Lösung komplexer Designprobleme (z. B. Hochfrequenz-Mischsignalsysteme).

Wie es funktioniert
a.Doppelfrequenzstrategie:
Niedrige Frequenzen (≤1 MHz): Verwenden Sie für analoge Schaltkreise eine Einzeltakt-/Sterneerdung.
Hohe Frequenzen (≥10 MHz): Für digitale/RF-Teile wird eine mehrpunktige Erdung über Bodenflächen verwendet.
b. Isolationswerkzeuge: Verwenden Sie Ferritperlen (die Hochfrequenzgeräusche blockieren) oder Optocoupler (elektrisch isoliert analog/digital), um Bodenbereiche zu trennen.
c.Aerospace-Beispiel: Satelliten-PCBs verwenden hybride Erdungsanalogsensoren (Single-Point), die sich mit digitalen Prozessoren (Multi-Point via Ground-Plains) verbinden, wobei Ferrit-Perlen Lärm zwischen den Domänen blockieren..

Vor- und Nachteile

Am besten für
Fortgeschrittene Konstruktionen wie Luft- und Raumfahrttechnik, 5G-Basisstationen und medizinische Geräte (z. B. Ultraschallmaschinen mit analogen Transduzern + digitalen Prozessoren).

Wie man Erdungstechniken vergleicht: Wirksamkeit, Lärm und Signalintegrität
Nicht alle Erdungsmethoden haben die gleiche Leistung: Ihre Wahl beeinflusst EMI, Signalqualität und Schaltkreiszuverlässigkeit.

1. EMI-Kontrolle: Welche Technik reduziert Lärm am besten?
EMI ist die größte Bedrohung für Hochgeschwindigkeits-PCBs. Erdung beeinflusst direkt, wie viel Lärm Ihre Schaltung emittiert oder absorbiert.

Kritische Anmerkung: Bodenplatzlücken (z. B. Schnitte für die Routing) fungieren als Antennen und erhöhen den EMI um 1015 dB. Halten Sie Bodenplätze immer fest.

2. Signalintegrität: Signalreinigung
Die Signalintegrität (SI) bezieht sich auf die Fähigkeit eines Signals, ohne Verzerrung zu reisen.

Warum das wichtig ist: Die geringe Impedanz (0,1Ω) eines Bodenplans sorgt dafür, dass Spannungsabfälle <10mV sind, während eine Ein-Punkt-Ground-Impedanz von 20Ω 200mV verursacht, die ausreichen, um digitale Signale zu korrumpieren (z. B. ein 3.3V-Logiksignal benötigt <50mV-Rauschen, um gültig zu bleiben).

3Anwendungsfähigkeit: Übereinstimmungstechnik mit dem Schaltkreistyp
Der Zweck und die Häufigkeit Ihrer Schaltung bestimmen die beste Erdungsmethode.

Häufige Grundlegungsfehler, die man vermeiden sollte
Selbst die beste Erdungstechnik scheitert, wenn sie schlecht umgesetzt wird.
1- Spaltung der Bodenflächen
a.Fehler: Schneiden einer Bodenebene, um analoge/digitale Grundflächen zu trennen (z. B. "digitale Bodeninsel" und "analoge Bodeninsel").
b.Konsequenz: Lücken erzeugen eine hohe Impedanz-Rücklaufbahn, wobei die Signale die Lücke durchqueren, wodurch die EMI um 15 dB erhöht und ein Bodensprung entsteht.
c.Berichtigung: Verwenden Sie eine einzige feste Bodenebene; isolieren Sie die analoge/digitale Ebene, indem Sie sie an einem Punkt verbinden (z. B. eine Kupferbrücke von 1 mm), und verwenden Sie Ferritperlen, um Hochfrequenzgeräusche zu blockieren.

2. Lange Bodenschleifen
a.Fehler: Routing von Bodenspuren in Schleifen (z. B. eine digitale Bodenspur, die die PCB umkreist, bevor sie die Bodenebene erreicht).
b. Folge: Schleifen fungieren als Antennen, nehmen EMI auf und erhöhen die Induktivität (eine 10cm-Schleife hat eine Induktivität von ~ 1μH und verursacht 1V-Rauschen bei 100 MHz).
c.Berichtigung: Halten Sie die Bodenbahnen kurz und verwenden Sie direkt die Durchgänge, um sich unmittelbar nach dem Bauteil an die Bodenebene anzuschließen.

3Schlechte Platzierung
a.Fehler: Anbringung von Erdungen weit von Signalspuren entfernt (z. B. eine Lücke von 10 mm zwischen Signalspuren und Erdungen).
b. Konsequenz: Rückströme nehmen lange Bahnen und erhöhen die Schleiffläche und die Signalreflexionen.
c. Korrektur: Anbringen von Erdungsleitungen innerhalb von 2 mm von Signalspuren für Hochgeschwindigkeitssignale (> 1 GHz) und verwenden zwei Leitungen pro Spur, um die Induktivität zu senken.

4. Layer Stackup ignoriert
a.Fehler: Verwendung eines zweischichtigen PCB ohne spezielle Bodenebene (stattdessen auf Bodenspuren angewiesen).
b. Folge: Die Bodenimpedanz ist 10-mal höher, was zu EMI und Signalverlust führt.
c.Berichtigung: Bei Frequenzen ≥ 1 MHz eine 4-schichtige Leiterplatte mit eigener Boden-/Leistungsebene (Schicht 2 = Boden, Schicht 3 = Leistung) verwenden.

5. Mischspannungsgründe
a.Fehler: Verbindung von Hochspannungs- (z. B. 12V) und Niederspannungs- (z. B. 3,3V) -Gründen ohne Isolierung.
b. Konsequenz: Hochspannungsgeräusche beeinträchtigen Niederspannungssignale (z. B. ein Schaltgeräusche eines 12V-Motors stürzt eine 3,3-V-MCU ab).
c. Korrektur: Einsatz von Optocouplern zur Isolierung von Grund oder eines Common-Mode-Schlucks zur Blockade von Geräuschen zwischen Spannungsbereichen.

Wie man die richtige Erdungstechnik auswählt: Schrittweise Anleitung
Folgen Sie diesen Schritten, um die perfekte Erdungsmethode für Ihre PCB auszuwählen:
1Definieren Sie die Frequenz Ihres Stromkreises
a.≤1 MHz: Ein-Punkt- oder Sternerdung (z. B. analoge Sensoren).
b.1 MHz-10 MHz: Hybride Erdung (Mischsignalkonstruktionen).
c.≥10 MHz: Bodenebene + mehrpunktige Erdung (Hochgeschwindigkeits-Digital/RF).

2Identifizieren Sie den Schaltkreistyp.
a.nur analog: Stern oder einzelpunkt.
b.Nur digital: Bodenebene + mehrere Punkte.
c. Mischsignal: Hybrid (isolierter analoger/digitaler Signal mit Ferritperlen).
d. Leistungsorientiert: Bodenebene (niedrige Impedanz bei hohen Strömen).

3. Layout-Einschränkungen bewerten
a.Kleine PCBs (< 50 mm): Stern- oder Einzelpunkt (keine Notwendigkeit für Bodenflächen).
b.PCB mit großer Dichte: Bodenebene + mehrere Punkte (Skalierbarkeit).
c. Schichtgrenzen: Wenn nur zwei Schichten vorhanden sind, ist ein Bodengitter (dicke Kupferspuren in einem Gittermuster) anstelle einer vollen Ebene zu verwenden.

4. Validieren Sie mit Simulation
a.Verwenden Sie Tools wie Ansys SIwave oder Cadence Sigrity, um:
Prüf EMI-Emissionen für verschiedene Erdungstechniken.
Überprüfen Sie die Integrität des Signals (Augendiagramme für Hochgeschwindigkeitssignale).
Überprüfen Sie die Bodenimpedanz über die Frequenzen hinweg.

5. Prototyp und Prüfung
a.Ein Prototyp erstellen und messen:
EMI mit einem Spektrumanalysator (Ziel für < 50 dBμV/m bei 30 MHz1 GHz).
Signalintegrität mit einem Oszilloskop (Prüfung auf Überschreitung/Unterschreitung < 10% der Signalamplitude).
Bodensprung mit einem Multimeter (bei digitalen Schaltungen < 50 mV).

Häufig gestellte Fragen
1Warum ist ein Bodenflugzeug besser als Bodenspuren?
Eine Bodenebene hat eine viel größere Kupferfläche, was die Impedanz gegenüber Spuren um 90% senkt.Minimierung der Schleiffläche und des Geräusches.

2Kann ich eine Bodenebene für PCBs mit gemischtem Signal benutzen?
Ja, verwenden Sie eine einzelne feste Bodenebene und isolieren Sie analoge/digitale Grundflächen an einem Punkt (z. B. eine Kupferbrücke).

3Wie reduziere ich EMI in einem 2-Schicht-PCB (keine Bodenebene)?
Verwenden Sie ein Erdnetz: Erstellen Sie ein Gitter aus dicken Kupferspuren (≥ 2 mm) über die Leiterplatte, mit Durchgängen, die Ober- / Untergitter verbinden. Dies reduziert die Impedanz um 50% gegenüber einzelnen Erdspuren.

4Wie hoch ist die maximale Frequenz für eine Ein-Punkt-Erdung?
Ein-Punkt-Erdung funktioniert am besten bei ≤1 MHz. Über dieser Frequenz erzeugen lange Erdungsspuren eine hohe Induktivität, was zu Bodensprung und EMI führt.

5Wie viele Nähvias brauche ich für eine Bodenfläche?
Für Hochfrequenzkonstruktionen (> 1 GHz) verwenden Sie alle 3 mm Vias, um einen Faraday-Käfig-Effekt zu erzeugen.

Schlussfolgerung
PCB-Erdung ist keine "allumfassende" Lösung, aber sie ist entscheidend.Während die falsche Wahl zu kostspieligen Neugestaltungen oder fehlgeschlagenen EMV-Tests führen kann.

Für die meisten modernen Leiterplatten (insbesondere Hochgeschwindigkeits- oder Mischsignale) ist eine feste Bodenebene die Grundlage, die bei hohen Frequenzen mit mehreren Punkten geerdet oder bei komplexen Konstruktionen mit Hybridmethoden kombiniert wird.Vermeiden Sie häufige Fehler wie geteilte Flugzeuge oder lange Bodenschleifen, und überprüfen Sie Ihr Design immer mit Simulationen und Prototypen.

Da PCBs schneller (z. B. 112G PCIe) und kompakter (z. B. Wearables) wachsen, wird die Erdung nur wichtiger.,Sie werden PCBs bauen, die stabil sind, geräuscharm und bereit sind, den Anforderungen der modernen Elektronik gerecht zu werden.

Denken Sie daran: Das Erdungssystem ist eine Investition – die Zeit, die Sie frühzeitig für die richtige Strategie aufwenden, rettet Sie vor EMI- oder Signalproblemen später.Die Priorisierung der Erdung wird sicherstellen, dass Ihre Schaltung wie vorgesehen funktioniert..