Wie Sie Masseschleifen in Ihrem PCB-Design vermeiden

September 9, 2019 Altium Designer

Proper signal trace routing can prevent ground loops

Wahrscheinlich kennen Sie dieses Problem: Sie kaufen sich voller Vorfreude eine Stereoanlage der Spitzenklasse, müssen dann aber nach dem Aufbau des Systems feststellen, dass im Hintergrund immer das altbekannte Brummen zu hören ist. Daraufhin bringen Sie die Anlage zurück ins Geschäft und bekommen vom dortigen Fachverkäufer zu hören, dass der Hersteller Schuld ist. Bei weiteren Nachforschungen zeigt sich, dass der Hersteller der Stereoanlage seinerseits dem Hersteller der darin verbauten Komponenten die Verantwortung zuweist. Und dieses letzte Unternehmen muss die Schuld dann tatsächlich auf sich nehmen. Denn letztlich entsteht das Problem durch Masseschleifen, die ihrerseits aus Nachlässigkeiten beim Design resultieren.

PCB-Designer sind also gut beraten, ihre Leiterplattenlayouts so zu gestalten, dass Masseschleifen vermieden werden. Derartige Störungen entstehen, wenn starke Ströme durch Masseflächen fließen und Potenzialdifferenzen zwischen Masseverbindungen auftreten. Sie machen sich in einigen Audiosystemen als Pfeifen oder Brummen bemerkbar, können jedoch auch auf andere Weise in Erscheinung treten.

Die optimale Gestaltung von Signal- und Rückstrompfaden

Wenn Sie an Ihre Grundlagenvorlesung in Elektronik zurückdenken, werden Sie sich daran erinnern, dass elektrischer Strom stets in geschlossenen Kreisen fließt. Dementsprechend erfolgt die Signalübertragung in den Stromschleifen einer Leiterplatte über die dafür vorgesehenen Signalbahnen und deren benachbarte Rückleiter. Während das übertragene Signal zu voller Stärke anwächst, wird in den Rücklaufbahnen ein Rücklaufsignal induziert. Signalbahn und Rückleiter bilden also einen Stromkreis, in dem das rücklaufende Signal umso stärker ausfällt, je kleiner die Stromschleifenfläche ist.

Warum ist das wichtig? Weil es bedeutet, dass Sie nur dann einen zuverlässigen Signalrückfluss zur Masse erreichen können, wenn Sie die Stromschleifenfläche minimieren, indem Sie die Rückleiter so nah wie möglich an den Signalbahnen entlangführen. Da die Signalbahnen üblicherweise auf der Oberseite der Leiterplatte verlaufen, ist es naheliegend, die dazugehörigen Rückleiter in möglichst geringem Abstand auf der Ebene direkt unterhalb der Signallage zu routen. Bei entsprechender Gestaltung Ihrer PCB-Layouts fällt die Stromschleifenfläche möglichst gering aus, was zur Reduzierung der elektromagnetischen Interferenzen und Störungen beiträgt.

Masselagen und Masseverbindungen

Anstatt Signal- und Rückleiter auf verschiedenen Ebenen parallel übereinander zu führen, können Sie auch eine mit der Masse verbundene Kupferfläche auf der Lage unterhalb der Signalebene platzieren. Nach Hinzufügung einer solchen Masselage wird bei jeder Signalübertragung auf der Signalebene ein rücklaufendes Signal in der Kupferfläche induziert, das den Stromkreis schließt.

In dieser Variante erzeugt also jede Signalbahn ihren eigenen Rücklaufpfad auf der Masselage. Das bedeutet, dass das Routing der rücklaufenden Signale sehr viel einfacher ist als bei Designs mit individuellen Rücklaufbahnen.

Allerdings besitzt eine Masselage niemals perfekte Leiteigenschaften, sondern weist immer einen gewissen Widerstand und eine gewisse Induktivität auf. Folglich können geringe Potenzialdifferenzen entstehen, wenn zwei Signalbahnen an verschiedenen Punkten in die Massefläche einmünden. Hierbei handelt es sich um eine der Hauptursachen für Masseschleifen in Leiterplatten. Zwar liegen die fraglichen Potenzialdifferenzen zwischen verschiedenen Rückstrompfaden üblicherweise im Mikrovoltbereich, doch ist dies bereits ausreichend, um in Schaltungen mit niedrigen Stromstärken Probleme mit der Signalintegrität zu verursachen.

 

PCB schematic and finished board

Sorgfältige Planung hilft dabei, das Risiko potenzieller Probleme durch Masseschleifen zu minimieren.

Grundsätzlich ist hier zu beachten, dass das durch Masseschleifen hervorgerufene Rauschen niemals ganz vermieden, wohl aber signifikant reduziert werden kann. Beispielsweise lassen sich Störungen der Signalintegrität auf ein Mindestmaß beschränken, wenn die verschiedenen Masseverbindungen nicht an verschiedenen Punkten in die Massefläche einmünden, sondern zusammengeführt und mit demselben Bereich der Masselage verbunden werden. Denn durch die Verkleinerung der Abstände zwischen den Endpunkten der verschiedenen Masseverbindungen wird zugleich der Aufbau von Potenzialdifferenzen erschwert.

Desgleichen sollten sämtliche Versorgungsleitungen an einem zentralen Punkt mit der Masselage verbunden werden. Dadurch wird die gesamte Massefläche auf annähernd gleichem Potenzial gehalten. Wenn die Versorgungsnetze dagegen an verschiedenen Punkten mit der Masselage verbunden sind, können – wie oben beschrieben – Potenzialdifferenzen auftreten, die Masseschleifen verursachen.

Die richtige Topologie

Letztlich eignet sich die Platzierung einer Masselage, die sich über die gesamte Fläche unterhalb aller Signalbahnen erstreckt, vor allem für relativ einfache, auf Niederfrequenzanwendungen zugeschnittene Designs mit einer überschaubaren Zahl von Bauteilverbindungen. In diesen Fällen empfiehlt es sich, neben den oben beschriebenen Maßnahmen zur Eindämmung der internen Störquellen auch Maßnahmen zur Minimierung der Anfälligkeit gegenüber externen Störsignalen zu ergreifen. Zu diesem Zweck sollten die Signalbahnen durch ein Gehäuse abgeschirmt und die Masseflächen möglichst klein gehalten werden.

Dagegen ist eine ausgedehnte Massefläche unterhalb der auf der Leiterplatte montierten Komponenten im Fall von Hochfrequenzanwendungen oft weniger wünschenswert. Wenn Sie beispielsweise einen PCB für digitale und analoge Hochfrequenzsignale entwerfen und eine Massefläche direkt unter dem als Taktgeber fungierenden Quarzoszillator platzieren, schaffen Sie de facto eine Patchantenne, die mit dem Taktsignal gespeist wird. Hier lässt sich nur durch eine wirksame Abschirmung verhindern, dass die Anfälligkeit für elektromagnetische Störungen verstärkt und die Signalintegrität beeinträchtigt wird.

Alternativ können Sie Masseschleifen vermeiden, indem Sie Ihr Design mit verschiedenen, miteinander verbundenen Masseflächen versehen. Voraussetzung hierfür ist eine geeignete Topologie. So ist bei einer Sterntopologie jede Massefläche direkt mit der Stromversorgung verbunden, was das Risiko von Masseschleifen senkt. Dagegen besteht bei einer Ring- oder Daisy-Chain-Topologie die Gefahr, dass Masseschleifen zwischen den verschiedenen Masseflächen entstehen.

 
Metallic spheres connected in a start-type-shape

Verbinden Sie mehrere Masseflächen in Form einer Sterntopologie miteinander.

Darüber hinaus sollten Sie bei einem Design mit verschiedenen Masseflächen sorgfältig darauf achten, dass die Signalrückleitung nicht über mehrere Masseflächen erfolgt. Besonders bei Mixed-Signal-Designs darf jeder Signalpfad nur über eine Massefläche führen. Denn wenn Sie beispielsweise ein digitales Signal über die analoge Massefläche leiten, kann dies zur unerwünschten Kopplung der digitalen und analogen Signale führen, was sämtliche Vorteile der Sterntopologie zunichtemacht.

Zur einfacheren Optimierung der Signalintegrität Ihres Designs steht Ihnen in Altium Designer® der leistungsstarke PDN Analyzer™ zur Verfügung. Hilfreich ist in diesem Zusammenhang außerdem die 3D-Designoberfläche, die Sie bei der Visualisierung Ihrer PCB-Layouts unterstützt. Wenn Sie mehr über diese Tools erfahren möchten, sollten Sie noch heute mit einem Experten von Altium sprechen.

Über den Autor

Altium Designer

PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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