Làm thế nào để giảm thiểu Ground Bounce trên PCB

Ground bounce là một nguồn gây ra nhiễu trong một  PCB. Điều quan trọng là phải ngăn chặn điều này vì nó làm gián đoạn hoạt động tốc độ cao hoặc tần số cao. Nguyên nhân chính gây ra hiện tượng ground bounce là sự khác biệt về điện thế đất tại các điểm khác nhau trên mạch.

Nhiễu là một yếu tố không mong muốn trong bất kỳ mạch điện nào. Do đó, trong thiết kế bo mạch, tất cả các nguồn nhiễu có thể có đều được xem xét và thực hiện các giải pháp bắt buộc. Ground bounce là một trong những nguồn nhiễu đó. Trong quá trình lắp ráp, tiếp đất được cung cấp cho tất cả các linh kiện và trace. Do sự khác biệt nhất định, có khả năng xảy ra sự khác biệt điện thế giữa các điểm nối đất khác nhau trong mạch. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giúp bạn tìm hiểu nguyên nhân, tác dụng và cách phòng tránh hiện tượng ground bounce.

Ground bounce trong PCBA là gì?

Tất cả các điểm nối đất trên bảng mạch được cho là ở cùng một điện thế. Do một số lý do nhất định, điện áp của các điểm chuẩn nối đất trên bảng mạch dao động và không đảm bảo để tham chiếu. Hiện tượng này được gọi là ground bounce.

Lý tưởng nhất là đối với một package IC được gắn trên bo mạch:

Trên thực tế, những khác biệt điện thế này không phải lúc nào cũng giống nhau. Trước khi chúng tôi giải thích chi tiết lý do cho sự khác biệt này, chúng ta hãy xem xét các phương pháp hiệu quả để nối đất một bộ phận lắp ráp điện tử.

Làm thế nào để bạn nối đất một bảng mạch đúng cách?

Trong các hệ thống điện lớn, như trạm biến áp và thiết bị truyền tải, đường trở lại của dòng điện được kết nối trực tiếp với đất vật lý. Phương pháp này được gọi là nối đất trực tiếp. Tuy nhiên, nhiều mạch điện tử thiếu quy định này. Các cụm bảng mạch trong ô tô hoặc phương tiện vũ trụ được cách ly với mặt đất vật lý. Do đó, để cung cấp các đường dòng điện trở về, các nhà thiết kế cho phép các điểm hoặc mặt phẳng được giữ ở điện thế mặt đất. Phương pháp này được gọi là nối đất gián tiếp.

Các loại mặt đất khác nhau trong bảng mạch là:

Đất của vỏ (Chassis ground)

Điểm nối đất chung được kết nối với vỏ kim loại của thiết bị được gọi là điểm nối đất của khung/vỏ. Tất cả các điểm nối đất trên PCB kết hợp với nhau để kết nối tại điểm này. Nó cung cấp khả năng bảo vệ chống sốc điện và che chắn vật lý cho thiết bị. Mặt đất này ngăn dòng điện chạy qua toàn bộ diện tích bề mặt của khung/vỏ. Do đó, các vòng nối đất, tạo ra suất điện động cảm ứng.

Đất của tín hiệu (Signal ground)

Signal ground là một điểm trên bảng mạch mà từ đó các tín hiệu được đo. Điểm tham chiếu này thường nằm trên bề mặt của bảng và kết nối với mặt phẳng plane đất bên trong. Có thể tiêm nhiễu tại các điểm tín hiệu trên mặt đất. Đó là lý do tại sao những điểm này được đặt trên chính PCB và không bị cô lập ở một vị trí khác.

Signal ground sạch hơn là một thông số cần thiết khi nói đến các bo mạch xử lý điện áp thấp chính xác như PCB trong y tế. Trong các bảng mạch này, ngay cả những tín hiệu nhiễu nhỏ cũng tạo ra các vấn đề về tính toàn vẹn của tín hiệu.

Các thành phần tương tự và kỹ thuật số của cùng một bảng mạch được phép chia sẻ cùng một signal ground.

Ground plane

Mặt phẳng plane đất là một lớp trong stack-up PCB được duy trì ở điện thế 0V. Nó hoạt động như một mặt phẳng để tham chiếu và là nơi cho các dòng điện trở lại lưu thông. Các điểm Signal ground từ ​​bề mặt Top/Bottom được kết nối với mặt đất thông qua via. Một mặt phẳng plane đất cung cấp tín hiệu trở lại hiệu quả, trở lại điện áp và giảm nhiễu cũng như các phát xạ. Đó là một cách thực hành tốt để giữ cho các mặt phẳng plane đất liên tục. Điều này sẽ tránh sự hình thành của các vòng lặp đất mà cung cấp một đường trở lại dòng điện thay thế do đó làm gián đoạn hoạt động.

Đất của Trái Đất (Earth ground)

Earth ground là kết nối trực tiếp từ mạch điện đến mặt đất vật lý. Loại ground này là đáng chú ý trong các thiết bị điện tử. Chập mạch trong kết nối điện hoặc bộ phận mang điện tiếp xúc với khung / vỏ của thiết bị là nguy hiểm. Nhân viên vận hành sẽ bị điện giật khi chạm vào khung máy. Do đó, tất cả các mạch điện áp cao đều yêu cầu nối đất.

Điều gì gây ra một vòng lặp đất ground loop?

Ground loop là nhiều đường trở lại của dòng điện gây ra bởi sự khác biệt về điện thế đất trong toàn mạch. Do đó dòng điện lưu thông qua các con đường khác ngắn hơn con đường mong muốn. Lý tưởng nhất là tất cả các điểm mặt đất và mặt phẳng trên cụm PCB phải có cùng điện thế. Nhưng trong các tình huống thực tế, có điện cảm trong các dây dẫn kết nối IC với bo mạch. Sự tự cảm này tạo ra những sụt giảm điện áp nhỏ và trở thành lý do gây ra hiện tượng ground bounce.

Cảm ứng ký sinh có giá trị rất nhỏ, nhưng không thể bỏ qua đối với các thiết bị như bóng bán dẫn. Các thiết bị này là các mạch chuyển mạch tốc độ cao làm bằng các cổng logic. Điện áp tín hiệu của bóng bán dẫn chuyển đổi giữa mức cao 1 và mức thấp 0.

Khi điện áp IC ở mức 1, có nghĩa là điện áp đầu ra đang đến gần VCC. Tương tự, nếu điện áp ở mức 0, nó chỉ ra rằng điện áp đầu ra đang tiến gần đến điện thế mặt đất (0V). Do hiện tượng tự cảm nêu trên, điện áp mặt đất bắt đầu dao động hoặc bật lên đến các giá trị khác 0V. Đây là lý do đằng sau việc bật lên trên mặt đất.

Ground bounce làm cho mạch hiểu sai mức thấp (0) thành mức cao (1). Do đó, hoạt động của các thiết bị logic kỹ thuật số trong toàn bộ bảng bị ảnh hưởng.

Ngoài ảnh hưởng đến các hoạt động, ground bounce được coi là nhiễu trên PCB. Do đó nó làm giảm tính toàn vẹn của tín hiệu. Do đó, các nhà thiết kế thực hiện các hướng dẫn cần thiết để loại bỏ hiện tượng ground bounce.

Làm thế nào để trả lại mặt đất được tạo ra?

Việc tạo ra ground bounce cũng có thể được giải thích rõ ràng bằng cách sử dụng một mạch như hình dưới đây.

Một mạch mô hình để minh họa về ground bounce của đất

Các chương trình con số một mạch với một CMOS kết nối với một tải đầu ra với C L dung và R L kháng. Các thông số khác được đưa ra dưới đây:

• L A : điện cảm nội tại trong dây dẫn nguồn của package IC
• L B : điện cảm nội tại trong dây dẫn đầu ra của package IC
• L C : điện cảm nội tại trong dây nối đất của package CMOS
• R 1 : điện trở đầu ra của IC CMOS

Bây giờ chúng ta hãy xem kịch bản khi đầu ra thay đổi trạng thái từ cao (1) xuống thấp (0). Trong trường hợp này, dòng điện chạy ra khỏi phía tải và điện dung tải sẽ phóng điện. Dòng điện (I) chạy qua các cuộn cảm LB và LC tạo ra một hiệu điện thế, V = L (dv/dt). Điện áp được tạo ra này làm cho điện thế của mặt đất CMOS bên trong khác với điện thế của mặt đất tải bên ngoài. Do đó, mặt đất chuẩn bên trong có thế cao hơn so với mặt đất bên ngoài bằng 0. Sự khác biệt này xuất hiện dưới dạng nhiễu trong mạch và ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị đóng cắt trong mạch.

Các dao động trên mặt đất của một mạch được quan sát qua một máy hiện sóng được hiển thị dưới đây.

Các dạng sóng dội lại trên mặt đất

Dạng sóng trên cùng đại diện cho đầu ra của các chân I/O của thiết bị chuyển mạch. Dạng sóng dưới cùng cho thấy các gai (nhiễu) do phản xạ trên đất.

Cách giảm ground bounce

Các nhà thiết kế PCB luôn chú ý để tìm ra các mẹo để giảm ground bounce. Phương pháp phổ biến nhất là đặt một tụ điện bypass trên mạch. Một tụ điện bypass có hiệu quả bỏ qua các xung điện áp và nhiễu của nguồn điện. Nó được kết nối giữa các chân VCC và GND của một package IC.

Tụ điện Bypass làm gì?

Tụ điện hoạt động khác nhau trong mạch AC và DC. Trong các mạch DC, nó được sạc vào dòng điện cung cấp và sau đó chặn hoàn toàn dòng điện. Trong các mạch điện xoay chiều, nó cung cấp một đường dẫn dễ dàng cho các tín hiệu tức thời xuống đất. Do đó, sự dội đất hoặc nhiễu của mặt đất là tín hiệu nhất thời được truyền trực tiếp xuống đất. Các tín hiệu DC sẽ bị chặn bởi tụ điện và do đó nó chảy qua mạch và kích thích hoạt động.

Loại bỏ nhiễu bằng cách sử dụng một tụ điện Bypass

Các thông số thiết kế tụ điện

• Độ tự cảm của dây dẫn là một yếu tố quan trọng
• Các tụ điện chip gốm nhiều lớp (MLCC) thường được sử dụng
• Dòng điện tụ điện tối đa tùy thuộc vào slew rate xung tối đa
• Lượng dòng điện được tạo ra tại thời điểm chuyển đổi từ thấp đến cao

Nên đặt tụ điện Bypass ở đâu trên PCB?

Một tụ điện bypass được đặt càng gần chân nguồn của linh kiện càng tốt. Tụ điện này hoạt động như một bộ lưu trữ điện tích cục bộ cho các linh kiện chuyển mạch như bóng bán dẫn. Các xung điện áp bổ sung được lưu trữ trong tụ điện này và không được lưu thông qua mạch.

Do đó, tất cả các điểm đất sẽ ở cùng một điện thế và nhiễu ground bounce trên đất không xuất hiện. Dưới đây là một số hướng dẫn thiết kế khác liên quan đến tụ điện bypass:

• Sử dụng các trace rộng và ngắn cùng với via để kết nối các Pad tụ điện Bypass với chân nguồn và chân đất. Điều này giảm thiểu điện cảm và cải thiện dòng điện.
• Kết hợp tụ điện SMD.
• Thêm via gần với các chân tụ điện.

Sự khác biệt giữa tụ điện decoupling và bypass là gì?

Hai tụ điện được sử dụng rộng rãi là bypass và decoupling. Những thuật ngữ này cực kỳ phổ biến trong các thiết kế bảng mạch và do đó chúng ta hãy xem xét sự khác biệt giữa hai loại.

Tụ điện Bypass	Tụ điện Decoupling
Tạo con đường cho nhiễu xuống đất	Tách biệt hai mạch khỏi nhau
Đặt giữa điện áp cung cấp và chân đất	Đặt song song với nguồn điện và tải
Tín hiệu AC ngắn mạch xuống đất	Tạo đường dẫn trở kháng thấp cho tín hiệu tần số cao

Các quy tắc thiết kế layout để giảm ground bounce

• Sử dụng via in pad bất cứ nơi nào có thể được thiết kế cho phép.
• Giảm khoảng cách đường dẫn tín hiệu trở về. Khoảng cách giảm sẽ làm giảm điện dung ký sinh. Để đạt được điều này, cách tốt nhất là đặt các linh kiện ngay trên đất của chúng.
• Không sử dụng socket hoặc bảng cắm dây/câu dây.
• Không bao giờ chia sẻ các via GND hoặc trace cho các kết nối đất. Khuyến nghị sử dụng via và trace riêng lẻ để kết nối với plane đất.

Các kết nối đất được đề xuất

• Không kết nối tụ điện trực tiếp với đầu ra.
• Triển khai tín hiệu vi sai điện áp thấp (LVDS) làm tiêu chuẩn I/O. Tiêu chuẩn này cung cấp băng thông lớn và khả năng chống nhiễu cao.
• Chọn các IC mà package có chân ra ngắn để giảm điện cảm nối tiếp. Linh kiện BGA được khuyến khích.

Sử dụng plane đất liên tục (solid) để giảm tổn thất IR (IR losses) và điện cảm. Tránh các mặt phẳng chia cắt đất.

• Cố gắng sử dụng các linh kiện chuyển mạch thấp hơn, nếu thiết kế cho phép.

Các kỹ thuật giảm Ground bounce dẫn đến tính toàn vẹn của tín hiệu tốt hơn. Các phương pháp này loại bỏ tất cả các nhiễu nhất thời trong mạch và do đó tăng hiệu suất.

Dịch từ: https://www.protoexpress.com/blog/how-to-reduce-ground-bounce-pcba/