В КАКОМ СЛУЧАЕ И КАК СЛЕДУЕТ РАЗДЕЛЯТЬ АНАЛОГОВУЮ И СИЛОВУЮ ЗЕМЛЯНЫЕ ШИНЫ ИМПУЛЬСНОГО СТАБИЛИЗАТОРА

16.02.2023 |

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.