Implementierung von Guard Trace / Ring im PCB-Design

Ich habe hier und da einige Artikel über PCB Guard Trace / Ring gelesen. Aber keiner von ihnen diskutierte, wie man es richtig umsetzt. Was ich finden konnte, waren einige Bilder und Vergleiche, die mir im Moment nicht helfen können!

Was ich wissen möchte, ist, wie ich die folgende Schaltung stromdichter machen kann (im Entwurfsfall - ich weiß, dass PCB-Material und SIR eine große Regel spielen).

Die Schaltung liefert bis zu 30 V über Widerstände und jeder Widerstand ist mit einem Kondensator verbunden. Jeder Kondensator wird dann mit einer Schaltmatrix verbunden, und schließlich wird ein einzelner Ausgang der Schaltmatrix mit einem Picoammeter verbunden, um den Leckstrom der Kondensatoren zu messen.

Ich frage mich, ob ich mich um den Leckstrom im Stromkreis kümmern sollte oder nicht! Wenn ja, wie kann ich es verbessern?

Dies ist meine Testschaltung:

Ich denke daran, die Kondensatoren nur über ein Kabel mit dem Stromkreis zu verbinden, dh einen Stift des Kondensators, der mit einem Draht in dem von mir entworfenen kleinen Stromkreis verlötet ist, und den anderen Stift ebenfalls mit einem Draht, der mit der BNC-Abschirmung verlötet ist, die zum Picoammeter führt und ist gemeinsam mit der Spannungsquelle (SMU)

Ein Schutzring wird traditionell verwendet, um hochohmige Knoten in einem Stromkreis vor Oberflächenleckströmen zu schützen. Der Schutzring ist ein Kupferring, der von einer niederohmigen Quelle auf die gleiche Spannung wie der hochohmige Knoten angesteuert wird. Dies ist normalerweise der Eingangspin eines Operationsverstärkers.

Hier ist ein Beispiel für ein klassisches Schutzring-Layout für einen Metalldosen-Operationsverstärker aus dem AN-241 von National Semi :

Und hier ist ein Beispiel aus dem Analog Dialogue-Magazin von Analog :

Das Hauptmerkmal ist, dass der Schutzring mit einem Knoten verbunden ist, der mit der gleichen Spannung wie der zu schützende hochohmige Knoten betrieben wird, jedoch mit einer viel niedrigeren Quellenimpedanz.

Beachten Sie, dass nicht alle Anbieter-Websites gleich erstellt werden. AN1258 von Microchip empfiehlt die Verwendung des hochohmigen Netzes, um einen Schutzring um die Netze mit niedriger Impedanz zu erstellen. Tun Sie dies nicht.

Nun zu Ihrem speziellen Fall. Während die nicht angetriebene Seite Ihres Kondensators nicht unbedingt ein niederohmiger Knoten ist, da das Amperemeter selbst beim Messen einen ziemlich niederohmigen Pfad zur Erde bereitstellen sollte, wird es dennoch Messfehler verursachen, wenn ein Strom versuchen sollte, Masse zu erreichen durch diesen Knoten anstatt durch einen anderen Pfad. Es würde nicht schaden, einen Ring wie folgt um den Knoten zu legen:

Anders als in einer anderen Antwort würde ich die angesteuerte Seite des Kondensators nicht in den Ring aufnehmen, da dies ein Knoten mit niedriger Impedanz ist, der auf eine ziemlich hohe Spannung angesteuert wird. Sie haben jedoch angegeben, dass sich das betreffende Netz nicht einmal physisch auf der Leiterplatte befindet, sodass dieser Rat weitgehend umstritten ist. Da das hochohmige Netz grundsätzlich in der Luft schwebt, sollte es auf jeden Fall gut vor Leckagen geschützt sein.

Ihre Stromversorgung ist DC. Sie haben geschrieben, dass Sie die Leistung mit einem Picoammeter messen werden. Dies bedeutet, dass Ihr Strom im pA-Bereich liegt. Ein Schutzring, der eine hochohmige Schaltung schützt, ist keine schlechte Idee. Also, was ist hochohmig in Ihrem Schaltplan und was nicht? Picoammeter Eingang, ist sicherlich hochohmig. 12V Stromversorgung, sicherlich nicht.

So würde ich es machen. Beachten Sie, dass der Ring zwischen den Stiften von R1, zwischen den Stiften von S2 und zwischen den Stiften des Picoammeters verläuft:

Womit soll der Ring verbunden werden? Der Schutzring muss einen niederohmigen Pfad zur Erde haben. Der beste Ansatz besteht darin, den Schutzring ungefähr auf der gleichen Spannung wie das Signal zu halten, das der Ring schützt. Auf diese Weise ist die Leckage zwischen dem Signal und dem Ring gering, da die Spannungsdifferenz zwischen ihnen gering ist. Manchmal funktioniert das Anschließen des Rings an GND. Manchmal benötigen Sie einen Schutzverstärker (schauen Sie nach).

-Nick

PS Die Methoden zur Reduzierung von Gleichstromleckagen unterscheiden sich von denen zur Bekämpfung von leitungsgebundenen oder abgestrahlten elektromagnetischen Störungen.

Bitte benutzen Sie dazu den folgenden Link:

KAPITEL 12: DRUCKKREISKARTEN (PCB) -DESIGNFRAGEN

Dies ist sehr nützlich für Sie.

Der Schutzring wird (etwas) nicht benötigt. Aus EMI-Gründen möchten Sie keine Signale oder Strom in der Nähe des Randes der Grundebene betreiben. Wenn das Signal (auf einer anderen Schicht) bis zum Rand der Grundebene geleitet wurde, besteht die Möglichkeit, dass EMI seitlich herausspritzt. Indem Sie dieses Signal einfach nicht bis zum Rand leiten, können Sie die EMI, die ausgespuckt wird, drastisch reduzieren. Ich vergesse den genauen Abstand vom Signal zur Kante der Grundebene, aber er liegt irgendwo in der Nähe von 0,050 Zoll.

Natürlich fragt man sich, was man mit diesen 0,050 Zoll machen soll, wenn nichts drin ist. Einige Leiterplattenentwickler, einschließlich mir, legen eine Erdungsspur um den Umfang der Grundebene und binden diese Spur dann etwa alle 0,25 Zoll mit Durchkontaktierungen an die Ebene. Ich glaube nicht, dass dies die Dinge verbessert, wenn man nur diese hat Lücke, aber es scheint theoretisch gut, schadet den Dingen nicht und bietet zumindest eine gute Erinnerung daran, keine Signale dorthin zu leiten.

Power Layer sollten ähnlich ausgeführt werden, indem sie vom Rand der Grundebene zurückgezogen werden. Ich gehe einfach voran und lege einen Erdungsring auf die Power-Plane-Schicht und binde ihn wie zuvor an den Boden. Wie bei den Signalschichten bietet es eine gute Möglichkeit, die Leistungsebene "automatisch" zurückzuziehen.

Diese Methode gilt nicht für Leiterplatten ohne Grundebene. Das Anbringen eines Erdungsrings um eine solche Leiterplatte kann die Situation verschlimmern und nicht verbessern, wenn dieser Ring am Ende Strom führt.

Ich glaube nicht, dass dies irgendetwas gegen Leckagen tun wird, obwohl EMI in beide Richtungen funktioniert. Jeder Stromkreis, der EMI ausstrahlt, kann auch EMI empfangen. Aus dieser Perspektive könnte Ihr Design toleranter gegenüber externen EMI-Störungen sein.