Menguasai Grounding PCB: Teknik Esensial untuk Desain Sirkuit yang Andalan

Lompat ke:

• Apa itu Ground?
• Terminologi Grounding
• Teknik Grounding PCB
• Apa yang Perlu Diingat Saat Grounding
• Pastikan Semua Terpasang
• Jaga Ground Layer Anda Tetap Utuh
• Minimalkan Penggunaan Via Seri
• Punyai Titik Ground Umum

Grounding adalah konsep penting untuk setiap sirkuit elektronik dan sistem yang berurusan dengan arus listrik. Segala sesuatu dari jaringan listrik hingga rumah hingga papan sirkuit cetak (PCB) memiliki ground. PCB sangat penting untuk fungsi hampir semua elektronik, dan setiap PCB memerlukan grounding yang tepat untuk berfungsi dengan benar.

Orang menggunakan istilah ground untuk menggambarkan berbagai konsep. Dalam artikel ini, kita akan membahas konsep-konsep ini, pentingnya ground dalam PCB dan berbagai metode yang dapat digunakan untuk grounding dalam PCB.

Apa itu Papan Ground PCB?

Papan ground pada papan sirkuit cetak adalah badan konduktif yang bertindak sebagai simpul potensial tegangan sembarang dan kembali umum untuk arus listrik. Ini adalah titik referensi nol atau nol volt. Ground adalah referensi yang Anda gunakan untuk menilai sinyal.

Dalam elektronik, ground adalah nama yang diberikan ke titik tertentu dalam sirkuit. Dalam sirkuit dengan satu baterai yang memiliki terminal positif dan negatif, terminal negatif biasanya disebut ground.

Beberapa sirkuit memiliki koneksi yang disebut positif, negatif dan ground. Dalam kasus ini, ground adalah titik tengah antara terminal negatif dan positif diukur dalam volt. Jika tegangan adalah sembilan, papan ground akan 4,5 volt. Anda akan, tetapi, menyebut ground nol, terminal positif 4,5 volt dan terminal negatif -4,5 volt. Anda dapat melakukan ini karena tegangan adalah pengukuran antara dua titik, dan masih ada selisih sembilan antara 4,5 dan -4,5.

Penggunaan teknik grounding yang tidak tepat dapat secara dramatis mengurangi performa sistem. Anda harus mengelola berbagai aspek grounding termasuk mengontrol tegangan kembali ground dan sinyal palsu, yang dapat memperburuk performa. Pengkapan sinyal eksternal, arus umum dan masalah lainnya dapat menyebabkan tegangan ini. Merute dan menentukan ukuran konduktor dengan benar, menggunakan penanganan sinyal diferensial dan menggunakan teknik isolasi ground membantu mengontrol tegangan yang tidak diinginkan ini.

Ada juga pertimbangan khusus saat bekerja dalam lingkungan analog dan digital bercampur. Grounding dapat membantu meminimalkan kebisingan saat bekerja dengan sinyal yang memiliki rentang dinamis yang luas.

Terminologi Grounding

Ada berbagai jenis simpul yang disebut ground termasuk floating ground, virtual ground dan earth ground.

• Floating ground: Simpul ini adalah titik referensi dalam sistem terisolasi dan tidak terhubung secara fisik dengan bumi.
• Virtual ground: Simpul ini dapat ditemukan dalam sirkuit umbal negatif pada terminal invertasi dari penguat operasional. Ketika input non-invertasi berada pada nol volt, umbal akan membuat terminal invertasi cocok dengannya dalam sirkuit yang stabil. Nilai ini bukan kembali yang stabil untuk sirkuit lain dan hanya dipertahankan oleh umbal.
• AC ground: Simpul ini memiliki nilai DC impedansi rendah. Tegangan DC ini stabil bahkan ketika diekpos gangguan kecil. Karena nilai DC-nya, simpul ini tidak dapat digunakan sebagai ground yang tepat, tetapi karena stabil, dapat digunakan sebagai titik referensi.
• Earth ground: Dalam sistem listrik besar, ground bumi secara harfiah adalah koneksi ke tanah. Setiap rumah, misalnya, memiliki tiang tembaga yang ditancapkan di tanah untuk menguras arus berlebih.
• Chassis ground: Elektronik dalam PCB tidak dapat terhubung ke tanah fisik, tetapi chassis ground bertujuan sama. Ground ini adalah koneksi kabel keamanan dari AC mains ke casing atau chassis produk.

Karena earth ground dan chassis ground bertujuan sama, istilah-istilah ini sering digunakan secara bergantian bersama dengan istilah safety ground.

Saat berkaitan dengan grounding PCB, tidak ada pendekatan yang cocok untuk semua. Untuk menentukan cara terbaik untuk grounding sistem, Anda perlu memahami cara arus di dalamnya mengalir. Ada, tetapi, berbagai metode yang dapat dipilih dan beberapa tips untuk praktik terbaik grounding yang berlaku untuk mayoritas sistem. Untuk menentukan pendekatan yang bekerja untuk papan Anda, Anda perlu memastikan Anda memahami desain papan dan mungkin perlu mencoba beberapa teknik.

Minta Penawaran Gratis

 

Teknik Grounding PCB

Ada berbagai teknik yang dapat digunakan untuk grounding PCB. Berikut adalah beberapa pendekatan paling umum yang digunakan saat ini.

1. Papan Ground

Salah satu teknik umum adalah menggunakan papan ground, yang merupakan bagian besar tembaga pada PCB. Biasanya, produsen PCB akan menutupi semua area yang tidak memiliki komponen atau jejak di atasnya dengan papan ground tembaga.

Pada papan dua lapis, aturan papan ground PCB standar menunjukkan bahwa papan ground harus diletakkan pada lapis bawah papan, sementara komponen dan jejak sinyal berada pada lapis atas.

Terbaik untuk menghindari membuat cincin bahan konduktif yang dibentuk oleh papan ground, karena ini membuat papan ground lebih rentan terhadap interferensi elektromagnetik (EMI). Cincin konduktif ini bertindak sebagai indiktor, dan medan magnet eksternal dapat menyebabkan arus listrik yang disebut ground loop. Anda mungkin akhirnya dengan cincin konduktif jika menempatkan papan ground di seluruh lapis bawah dan kemudian menghapus bagian yang memiliki komponen elektronik. Untuk menghindari masalah ini, buat jejak sempendek mungkin, dan setelah memetakan mereka, letakkan papan ground Anda sehingga berjalan sepenuhnya di bawah mereka. Anda mungkin perlu menyesuaikan tata letak jejak dan komponen untuk menghindari membuat cincin konduktif.

Papan ground juga sering berada di kedua sisi papan. Dalam beberapa kasus, papan pada sisi komponen dipertahankan pada tegangan pasokan, dan papan di sisi lain papan dihubungkan ke ground. Papan ground dihubungkan ke pin ground komponen dan konektor untuk menjaga tegangan ground tetap sama di seluruh PCB.

Pada PCB dua lapis, Anda juga dapat menggunakan lebih dari satu papan ground. Setiap papan harus terhubung ke pasokan listrik secara individual untuk menjaga papan terpisah dan mencegah terjadinya ground loop.

2. Via Papan Ground

Jika ada papan ground di kedua sisi PCB, mereka akan terhubung melalui via di banyak tempat yang berbeda pada papan. Via ini adalah lubang yang melewati papan dan menghubungkan kedua sisi satu sama lain. Mereka memungkinkan Anda untuk mengakses papan ground dari mana saja tempat Anda dapat memasang via.

Penggunaan via dapat membantu Anda untuk menghindari ground loop. Mereka menghubungkan komponen secara langsung ke titik ground, yang terhubung melalui impedansi rendah ke semua titik ground lain dari sirkuit. Mereka juga membantu untuk menjaga panjang loop kembali pendek.

Potongan tembaga, seperti papan ground, dapat beresonansi pada satu-empat panjang gelombang frekuensi arus yang mengalir ke dalamnya. Menempatkan via jahitan di sekitar papan ground pada interval tertentu dapat membantu untuk mengontrol ini. Aturan praktis adalah menempatkan via ground pada satu-delapan panjang gelombang atau kurang. Ini bekerja karena sisa pada jejak hanya mulai menjadi masalah pada satu-delapan panjang gelombang.

Untuk membuat via, Anda menggebor lubang kecil melalui papan dan melewati kawat tembaga tipis melalui mereka sebelum melem ke masing-masing sisi untuk membentuk koneksi yang diperlukan.

3. Ground Konektor

Semua konektor dalam PCB harus dihubungkan ke ground. Dalam konektor, semua sinyal konduksi harus berjalan sejajar. Karena ini, Anda harus memisahkan konektor menggunakan pin ground.

Setiap papan mungkin membutuhkan lebih dari satu pin konektor yang mengarah ke ground. Hanya memiliki satu pin dapat menyebabkan masalah ketidakcocokan impedansi, yang dapat menyebabkan osilasi. Jika impedansi dari dua konduktor yang terhubung tidak cocok, arus yang mengalir di antara mereka mungkin memantul ke depan dan ke belakang. Osilasi ini dapat mengubah performa sistem dan menyebabkan tidak berfungsi sebagaimana dimaksud. Resistensi kontak dari setiap pin konektor rendah tetapi dapat meningkat seiring waktu. Karena alasan ini, ideal untuk menggunakan beberapa pin ground. Kira-kira 30 hingga 40 persen pin dalam konektor PCB harus pin ground.

Konektor datang dalam berbagai pitch dan dapat memiliki berbagai jumlah baris pin. Pin konektor mungkin juga sejajar dengan permukaan PCB atau pada sudut siku-siku terhadapnya.

4. Decoupling

PCB berisi satu atau lebih chip rangkaian terpadu, yang memerlukan daya untuk beroperasi. Chip ini memiliki pin pasokan untuk menghubungkannya ke sumber daya eksternal. Mereka juga memiliki pin ground, yang menghubungkannya ke papan ground PCB. Antara pin pasokan dan pin ground, ada kapasitor decoupling, yang bertujuan untuk meratakan osilasi pada tegangan yang disuplai ke chip. Ujung lain dari kapasitor decoupling terhubung ke papan ground.

Salah satu alasan utama penggunaan kapasitor decoupling berkaitan dengan fungsionalitas. Kapasitor decoupling dapat bertindak sebagai perangkat penyimpan muatan. Ketika rangkaian terpadu (IC) membutuhkan arus tambahan, kapasitor decoupling dapat menyediakannya melalui jalur induktansi rendah. Karena ini, terbaik untuk menempatkan kapasitor decoupling dekat dengan pin daya IC.

Tujuan utama lainnya adalah untuk mengurangi kebisingan yang dimasukkan ke dalam pasangan papan daya dan ground dan mengurangi EMI. Dua masalah utama dapat menyebabkan kebisingan ini. Salah satunya adalah kapasitor decoupling yang tidak menyediakan arus yang memadai sehingga menyebabkan penurunan tegangan pada pin daya IC secara sementara. Yang lain adalah arus sengaja yang dikirim antara papan daya dan ground menggunakan via dengan sinyal switching cepat.

Anda harus menempatkan dan menentukan jumlah kapasitor decoupling untuk desain berdasarkan dua fungsionalitas mereka. Seringkali, mendistribusikan kapasitor di seluruh papan adalah pendekatan terbaik coba letakkan beberapa dekat pin ground dan daya IC untuk digunakan. Penggunaan nilai kapasitansi tertinggi juga direkomendasikan, dan terbaik untuk menjaga semua kapasitor pada nilai yang sama. Anda mungkin juga ingin menggunakan kombinasi kapasitor ESR setara tinggi dan normal.

Aturan Grounding PCB yang Perlu Diingat

Grounding adalah bagian penting dari setiap desain PCB. Semua desain PCB harus mengikuti praktik grounding tertentu. Berikut adalah beberapa tips untuk diingat saat grounding.

1. Pastikan Semua Terpasang

Pastikan tidak ada yang tidak terpasang dalam tata letak PCB Anda. Disarankan untuk mengisi ruang kosong dengan tembaga dan via yang terhubung ke papan ground Anda. Dengan demikian, Anda memastikan bahwa ada jalur terstruktur yang memungkinkan semua sinyal Anda untuk mencapai ground secara efisien.

2. Jaga Ground Layer Anda Tetap Utuh

Jika Anda memiliki ground layer khusus, seperti banyak papan empat lapis, pastikan tidak ada jejak yang diroute di atasnya. Membagi ground layer Anda dengan menambahkan jejak yang diroute menciptakan ground current loop. Alih-alih, pastikan ground layer tetap utuh.

3. Punyai Titik Ground Umum

Setiap PCB harus memiliki satu titik di mana semua ground berkumpul. Seringkali, ini adalah kerangka logam atau chassis produk. Ini juga dapat menjadi ground layer khusus dari papan. Titik tunggal ini sering disebut star ground karena berbagai konduktor merentang dari lokasi ini dalam pola yang agak mirip bintang. Dalam aplikasi bercampur, mungkin ada pasokan daya analog dan digital terpisah yang memiliki ground analog dan digital terpisah yang bertemu di titik bintang.

4. Minimalkan Penggunaan Via Seri

Terbaik untuk meminimalkan jumlah via di jalur ground Anda dan untuk mengirim ground komponen secepat mungkin ke papan ground. Menambahkan via tambahan ke papan menciptakan impedansi lebih lanjut. Pertimbangan ini sangat penting untuk arus transient cepat yang dapat menyebabkan jalur impedansi menjadi selisih tegangan.

5. Desain Grounding Sebelum Routing

Ground harus dirancang sebelum routing apa pun. Ground adalah fondasi untuk proses routing, jadi krusial untuk merancang ground dengan benar. Jika ground dirancang dengan buruk, seluruh perangkat berisiko, sementara ini bukan kasus jika satu sinyal tidak bekerja seperti yang diharapkan.

6. Pahami Bagaimana Arus Anda Beralir

Memahami di mana arus pergi pada papan dapat membantu memastikan grounding yang tepat. Penting untuk mempertimbangkan di mana sinyal pergi serta jalur kembali yang akan dijalani. Jalur pengiriman dan kembali dari sinyal memiliki arus yang sama, dan ini dapat mempengaruhi ground bounce dan stabilitas daya.

7. Siapkan Variansi Dinamis di antara Ground

Dalam sistem multi-papan, saat mengirim koneksi ground di antara papan, penting untuk merencanakan variansi dinamis. Ini sangat krusial saat menangani aplikasi yang memerlukan kabel jarak jauh. Isolator optik, sinyal diferensial tegangan rendah dan common-mode choke dapat membantu menjaga variansi tetap terkendali.

8. Pertimbangkan Pertimbangan Bercampur

Saat menangani sinyal analog dan digital bersama, Anda perlu hati-hati dalam perencanaan Anda. Bagian analog papan harus dijaga terisolasi, termasuk pengonversi analog-digital (ADC) dan pengonversi digital-analog. Anda dapat mengikat ground ADC kembali ke titik ground umum tempat Anda dapat melewati sinyal digital ke bagian lain dari PCB.

Bekerja sama dengan Millennium Circuits Limited untuk Kebutuhan PCB Anda

Grounding yang tepat adalah pertimbangan krusial untuk semua PCB. Seringkali ada kebingungan yang mengelilingi konsep ini, dan implementasi dapat sulit. Memastikan bahwa Anda memahami alur arus dalam desain Anda, dan menerapkan beberapa praktik dan teknik yang dijelaskan dalam artikel ini dapat membantu.

Bekerja sama dengan pemasok berpengalaman seperti Millennium Circuits dapat membantu juga. Kami dapat membantu memastikan Anda menerima PCB yang menggunakan teknik grounding yang tepat untuk aplikasi Anda. Hubungi kami dengan pertanyaan apa pun atau untuk bantuan menemukan PCB yang sempurna untuk proyek berikutnya Anda. Minta penawaran cepat untuk memulai hari ini.

 

Minta Penawaran Gratis