Когда земли должны быть разделенными?
Куда я должен подключать земли импульсных регуляторов?
Ответ:
Что делать с аналоговой землей (AGND) и силовой землей (PGND) микросхемы импульсного регулятора? Этот вопрос задают многие разработчики импульсных источников питания. Некоторые из них привыкли иметь дело с цифровой и аналоговой землей, однако, когда дело доходит до силовой земли, они нередко теряются. Тогда они просто копируют разводку платы, рекомендованную для выбранной микросхемы регулятора, и забывают об этой проблеме.
PGND – это точка заземления, через которую протекают более сильные импульсные токи. В зависимости от топологии импульсного регулятора, это может быть током мощного внутреннего транзистора или импульсным током выходного драйвера внешнего транзистора. Это особенно актуально в случае контроллеров импульсных преобразователей, например, с внешними силовыми ключами.
AGND, называемая иногда SGND (signal ground – сигнальная земля), – это заземление, которое, как правило, используют в качестве опорного уровня другие, обычно очень «тихие» сигналы. К таким сигналам относится, в частности, напряжение внутреннего опорного источника, необходимое для стабилизации выходного напряжения. Сигналы разрешения и управления мягким запуском также привязаны к AGND.
Существуют два различных технических подхода и, соответственно, разные мнения экспертов относительно подключения этих земляных соединений.
Один из подходов состоит в том, чтобы контакты AGND и PGND микросхемы импульсного регулятора соединить друг с другом возле соответствующих выводов. Это поддерживает смещение напряжения между двумя выводами относительно низким, защищая микросхему импульсного регулятора от помех, и даже от возможных повреждений. Все земли схемы и земляной слой печатной платы, если он существует, должны звездообразно сходится в эту общую точку. Пример реализации такого подхода показан на Рисунке 1. На нем изображена разводка печатной платы для 10-амперного микромодуля понижающего преобразователя LTM4600. Отдельные земли печатной платы соединены вблизи друг друга (см. синий овал на Рисунке 1). Определенное разделение PGND и AGND происходит уже на кристалле микросхемы из-за паразитной индуктивности соответствующих проводов, соединяющих кристалл с корпусом, а также индуктивности связанных с ними выводов, что приводит к небольшим взаимным помехам между цепями на кристалле.
| Рисунок 1. | Локальное соединение PGND и AGND прямо на контактных площадках. |
Другой подход предполагает дополнительное разделение AGND и PGND на плате на два разных слоя, соединенных друг с другом в одной точке. Благодаря этому соединению сигналы помехи (напряжение смещения) локализуются в основном в области PGND, в то время как напряжение в области AGND остается очень спокойным и очень хорошо отделенным от PGND. Однако недостатком этого метода является то, что, в зависимости от скорости переходных процессов и силы тока, на соответствующих выводах может происходить значительное смещение напряжения между PGND и AGND. Это может стать причиной неправильной работы, или даже повреждения микросхемы импульсного регулятора. Реализация такого подхода показана на Рисунке 2 на примере микросхемы 6-амперного импульсного понижающего регулятора ADP2386.
| Рисунок 2. | Разделенные AGND и PGND, соединенные под земляным основанием корпуса микросхемы через переходные отверстия. |
Вопрос заземления сводится к компромиссу между строгим разделением для минимизации шумов и помех и риском появления смещений напряжения между двумя землями, воздействующих на кристалл микросхемы и нарушающих ее функционирование. Правильное решение в отношении этого компромисса в значительной степени зависит от конструкции микросхемы, включая крутизну фронтов, уровни мощности, паразитные индуктивности внутренних проводов и корпуса, а также риск защелкивания каждой микросхемы.
Заключение
Ответ на вопрос о том, как обходиться с землями AGND и PGND, не так прост. Вот почему дискуссии на эту тему все еще продолжаются. В самом начале я упомянул о том, что многие разработчики импульсных регуляторов используют примеры разводки платы и подключения земель, предоставленные разработчиком микросхем. Это разумно, поскольку, как правило, у вас есть основания предполагать, что производитель проверил соответствующую микросхему в такой конфигурации. Из примеров на Рисунках 1 и 2 также можно видеть, что расположение соответствующих выводов микросхем хорошо подходит как для локального соединения земель возле выводов AGND и PGND, так и для раздельного заземления.
Разумеется, производитель микросхемы может ошибиться при проектировании примеров схем. Вот почему хорошо иметь дополнительную информацию об основных подходах.
Материалы по теме
- Datasheet Analog Devices ADP2386
- Datasheet Analog Devices LTM4600
Analog Devices
Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман
Куда следует подключать земли импульсных регуляторов?
Разработчики импульсных источников питания часто сталкиваются с необходимостью решать, как поступить с аналоговой землей (AGND) и силовой землей (PGND) при проектировании микросхемы импульсного регулятора. Технические специалисты, как правило, имеют дело с цифровой и аналоговой землей, поэтому при работе с силовой землёй у них могут возникнуть вопросы. Некоторые идут по простому пути, копируя разводку платы, принятую для выбранной микросхемы регулятора. Тем не менее следует понимать суть проблемы.
Через точку заземления – PGND- текут более сильные импульсные токи. Топология импульсного регулятора определяет, какие именно это токи: мощного внутреннего транзистора или импульсные токи выходного драйвера внешнего транзистора. Об этом необходимо помнить особенно при работе с контроллерами импульсных преобразователей, например, с внешними силовыми ключами.
А вот другой тип заземления – AGND, или SGND — signal ground – сигнальная земля, — применяют как опорный уровень очень «тихих» сигналов, например, напряжения внутреннего опорного источника, необходимого для стабилизации выходного напряжения. Также привязаны к AGND и сигналы разрешения и управления мягким запуском.
Мнения экспертов по вопросу подключения этих земляных соединений разнятся в зависимости от их технических подходов.
Первый подход заключается в том, чтобы контакты AGND и PGND микросхемы импульсного регулятора соединялись друг с другом возле соответствующих выводов. Это обеспечивает относительно низкое смещение напряжения между двумя выводами, предотвращая помехи и повреждения на импульсном регуляторе микросхемы. Все земли схемы и земляной слой печатной платы, если он существует, должны звездообразно сходится в эту общую точку (рис. 1).
Второй подход предполагает дополнительное разделение AGND и PGND на плате на два разных слоя, соединенных друг с другом в одной точке (рис. 2). При такой схеме сигналы помехи (напряжение смещения) находятся в основном в области PGND, а напряжение в области AGND остается очень спокойным и очень хорошо отделенным от PGND. Но минус такого метода заключается в том, что, в зависимости от скорости переходных процессов и силы тока, напряжения между PGND и AGND может быть сильно смещено на соответствующих выводах, что может повлечь некорректное функционирование или дефекты микросхемы импульсного регулятора.
Таким образом, при работе с заземлением следует соблюдать компромисс между строгим разделением для минимизации шумов и помех и риском появления смещений напряжения между двумя землями, воздействующих на кристалл микросхемы и нарушающих ее функционирование. Чтобы принять правильное решение, технический специалист должен учитывать особенности конструкции микросхемы, включая крутизну фронтов, уровни мощности, паразитные индуктивности внутренних проводов и корпуса, а также риск защелкивания каждой микросхемы.
Как видите, ответить на вопрос о том, как обходиться с землями AGND и PGND, не так легко. Обсуждение этой проблемы всё еще продолжается. Тут следует вспомнить о том, что многие разработчики импульсных регуляторов используют примеры разводки платы и подключения земель, предоставленные разработчиком микросхем. Это не лишено смысла, т.к зачастую специалист небезосновательно считает, что изготовитель протестировал соответствующую микросхему в данной конфигурации. Из примеров на Рисунках 1 и 2 также можно сделать вывод о том, что локализация соответствующих выводов микросхем подходит как для локального соединения земель возле выводов AGND и PGND, так и для раздельного заземления.
Однако, при производстве микросхемы вполне могли быть допущены ошибки во время проектирования примеров схем. Именно поэтому разработчику следует знать о главных подходах и использовать эти знания в своей работе.
Три способа объединения земли на печатной плате
Я всегда 3-м способом пользовался. И на схеме можно явно указать что одна земля с другой соединена, и на плате потом точно не забудешь.
Комментарий пока не оценивали 0
Ответить Добавить в закладки Ещё
НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
Показать предыдущий комментарий
Это очень часто возникает в силовых, в прецизионных аналоговых и цифровых схемах, см. Мекка заземления. Также можно почитать Хоровица Хилла «Исскуство схемотехники», глава 7, параграф «Помехи: экранирование и заземление».
Комментарий пока не оценивали 0
Ответить Добавить в закладки Ещё
НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
Показать предыдущий комментарий
Очень странно. Видимо у кого-то есть недопонимание, что существуют «ports», «nets» именно для того, чтобы схемотехника была правильная, но без «лишних» отображаемых линий.
Я так вообще на блок-схемы делю (Device sheets в альтиуме) и портами соединяю.
Странно. Может, это в рассматриваемом автором софте нет такого функционала?
Комментарий пока не оценивали 0
Ответить Добавить в закладки Ещё
НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
Показать предыдущий комментарий
Если разводка происходит без чтения схемы, то я боюсь представить что там происходит с decoupling конденсаторами…
Комментарий пока не оценивали 0
Ответить Добавить в закладки Ещё
Показать предыдущий комментарий
Да, но на схеме все же делается их соединение. Просто соединение, или через перемычку, или через индуктивность или как-то еще… Иначе проект не будет проходить проверку.
Комментарий пока не оценивали 0
Ответить Добавить в закладки Ещё
НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
ИМХО, это довольно странная практика.
Если нужно использовать ДВЕ земли — в чём проблема?
Обзываете обычную (аналоговую) землю сетью `GND` и к ней автоматически потянутся все пины микросхем. Обзываете силовую землю `PGND` и цепляете к ней силовые элементы (кстати, тот же Proteus позволяет подключать к этой земле и другие микросхемы).
На месте соединения — ставите резисторы 1206, нулёвки. Соединяете. Ибо подобными методами (перехлёста полигонов) программа просто не позволит соединить земли штатно — полигоны будут пытаться обтечь друг друга, иначе возникнет ошибка DRC (Design Rule Check error), а отключать данную проверку считаю плохим тоном — именно она не позволит случайно перехлестнуть дорожки и получить замыкание в плате.
Всего голосов 2: ↑1 и ↓1 0
Ответить Добавить в закладки Ещё
Показать предыдущий комментарий
Если нужно использовать ДВЕ земли — в чём проблема?
Не всегда возможно использовать дополнительные компоненты. При проектировании платы с плотным наполнением и кондуктивным теплоотводом не всегда возможно расположить дополнительные компоненты.
В любом случае перед сдачей у вас должен быть свой чек лист, по которому должна проверяться вся плата и прочие технические решения.
А потом речь идет всего лишь о специальных цепях со своими правилами, поэтому к перехлесту дорожек такая техника трассировки не приведет.
Комментарий пока не оценивали 0
Ответить Добавить в закладки Ещё
НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
Я может, что-то не понял, но вот это —
Я тоже не понял. Перед тем как показать, как в разных программах соединять землю, стоило бы рассказать, «а нафига и где это надо«. Лучше бы рассказали про правильную разводку. Как, зачем, почему нельзя (или можно) цеплять на одну точку разные земли, как развести цифру и аналог, почему по земле помехи помехуют, почему земля в силовых и высокочастотных схемах разводится по разному и как их разделить…
Вот бы полезная статья была бы
Комментарий пока не оценивали 0
Ответить Добавить в закладки Ещё
Показать предыдущий комментарий
- Electromagnetic Compatibility Engineering, автор Henry W. Ott
- High Speed Signal Propagation: Advanced Black Magiс, авторы Howard Johnson and Martin Graham
- EMC for Printed Circuit Boards, автор Keith Armstrong
Всего голосов 1: ↑1 и ↓0 +1
Ответить Добавить в закладки Ещё
Может это конечно особая специфика САПР (я в это кнчно не верю), но в АД есть такая штука как NetTie — специальный тип компонента для соединения разных нетов (он может быть в виде падов и пояска, отверстий, полигонов или загогулины в виде котика). Для компонента пишутся свои правила и соответственно все это чекается.
//Да, везде можно применить костыль, это намного быстрее, чем ткнуть компонент и написать для него пару правил, НО это безграмотно.
Проект должен быть таким, чтобы в нем мог разобраться любой другой инженер без особых страданий. А если схема не соответствует плате, то, ну, это очень много потенциальных проблем.
Комментарий пока не оценивали 0
Ответить Добавить в закладки Ещё
Показать предыдущий комментарий
Вариант 3 в статье — это как раз аналог NetTie.
Однако применять такой компонент не всегда удобно, иногда хочется соединить земли специфическим образом, например, не в одной точке, а в длинной зоне между двумя полигонами, или через отверстие между слоями. Для этих целей и можно использовать способы, описанные в разделах 1 и 2.
Конечно, будет правильно, если на схеме будет так или иначе отображен факт соединения двух разных цепей, и указано, через какой объект это соединение выполнено. Например, можно переходное отверстие с этим свойством (Net_Short) сделать частью специального компонента, можно назвать его «NetTie», если хотите.
Создав один раз такой компонент под ваши задачи, вы можете поместить его в библиотеку и использовать в дальнейшем в других проектах, размещать на схеме и соответственно на плате. Для того, чтобы компонент не воспринимался системой как необходимый для закупки или для программы монтажа планарных компонентов, можно присвоить ему соответствующие свойства, чтобы он не попадал в выгрузку BOM.
Суть статьи в том, чтобы показать доступные инструменты в САПР для тех, кому это нужно.
Всего голосов 2: ↑1 и ↓1 0
Ответить Добавить в закладки Ещё
Я правильно понимаю, что в третьем варианте после изменения размера площадок компонента сам компонент останется, его координаты попадут в выгрузку assembly и установщик будет пытаться установить компонент на плату?
Для опытного образца, конечно, нулевые резисторы — это вообще замечательно — можно «отключить» практически любую часть для локализации возможных проблем.
Комментарий пока не оценивали 0
Ответить Добавить в закладки Ещё
Показать предыдущий комментарий
Да, правильно понимаете.
Но вы можете задать комментарии в спецификации, что данный компонент «не ставить».
В КАКОМ СЛУЧАЕ И КАК СЛЕДУЕТ РАЗДЕЛЯТЬ АНАЛОГОВУЮ И СИЛОВУЮ ЗЕМЛЯНЫЕ ШИНЫ ИМПУЛЬСНОГО СТАБИЛИЗАТОРА
Разработчики импульсных источников питания часто делают ошибки при разводке печатной платы для своих изделий. Это, прежде всего, касается разводки аналоговой и силовой земляных шин.
Силовая земляная шина (power ground – PGND) предназначена для протекания ипульсных токов большой мощности. Аналоговая земляная шина (analog ground – AGND) или сигнальная земляная шина (signal ground – SGND), что одно и то же, предназначена для подключения к ней прецизионных источников сигналов, включая опорные источники, измерительные усилители, измерительные узлы контроллеров и АЦП.
В настоящее время разработчиками используется два подхода к объединению двух земляных шин. Согласно первому подходу шины AGND и PGND следует объединять на соответствующих выводах микросхемы импульсного стабилизатора. Это позволяет поддерживать напряжение между двумя этими шинами практически на уровне нуля, благодаря чему стабилизатор имеет защиту от помех и разрушения, вызванного перенапряжением между двумя шинами земли. Таким образом, мы имеем топологию земляных шин в виде звезды. Пример этой топологии приведен на рис. 1. Разводка печатной платы на этом рисунке предназначена для DC/DC понижающего источника питания LTM4600 с выходным током до 10 А, причем объединение земляных шин на рис. 1 выделено синим овалом. Взаимное влияние обеих земляных шин этом случае сведено к минимуму.
Рис. 1. Однослойная топология разводки печатной платы
импульсного стабилизатора с объединением аналоговой
и силовой шин земли на внешних выводах микросхемы
стабилизатора
Другим более сложным подходом к разделению силовой и сигнальной шин земли является применение двухслойной печатной платы, причем на одном ее слое размещается силовая шина земли, а на другом – сигнальная шина земли. Обе шины должны быть объединены между собой в одной точке, как правило, с помощью металлизированного отверстия на двухслойной печатной плате.
Второй подход обеспечивает лучшую развязку двух земляных шин, чем первый. Уровень помех в слое силовой земляной шины выше уровня помех в сигнальном слое, где помехи от влияния силовой шины земли сведены к минимуму.
Однако, недостатком этого подхода является то, что между двумя земляными шинами может возникнуть существенная разница напряжений, что может привести к неправильному функционированию устройства в целом и даже к выходу его из строя. Пример такой разводки показан на рис. 2, которая выполнена для DC/DC понижающего стабилизатора типа ADP2386 с выходным током до 6 А.
Таким образом, выбирая один или другой подход, разработчик остается перед выбором – или обеспечить максимально возможную развязку между двумя шинами земли, или гарантировать максимальную защиту своего изделия от разностного напряжения между двумя шинами земли.
Для того, чтобы сделать правильный выбор, следует руководствоваться особенностями интегральной схемы импульсного стабилизатора, которая используется в проектируемом изделии, а именно, ее частотой коммутации, величиной паразитных индуктивностей выводов, выходной мощностью, скоростью установления выходного напряжения и т.п.
Рис. 2. Двухслойная топология разводки печатной платы импульсного стабилизатора с объединением аналоговой и силовой шин
земли микросхемы стабилизатора в одной точке
ВЫВОДЫ
Предлагается два подхода к разделению шин сигнальной (аналоговой) земли и силовой земли при проектировании импульсных источников питания. Один подход базируется на разделении двух шин в кристалле микросхемы и на внешнем объединении выводов этих шин, другой – на использовании двухслойной печатной платы, причем каждый слой предназначен для одной земляной шины, а объединение этих шин обеспечивается в одной точке. Каждый из подходов имеет свои преимущества и недостатки. Выбор того или иного подхода следует делать, основываясь на детальном изучении параметров микросхемы импульсного стабилизатора, на которой разработчик остановил свой выбор.
