Земляные петли #1: мифы

***Земля – это место, где растёт картофель и морковь. Bruce R. Archambeault***

Ток течёт в замкнутых контурах, и часто не там, где хотелось бы.

Про земляные петли, да и про “землю” в целом, существует много мифов и мало литературы. Расплывчатая терминология (“GND”, “земля”, “заземление”) тоже не способствует ясности. В результате инженеры либо руководствуются некими “лучшими практиками”, справедливыми только в конкретных условиях, либо пренебрегают проектированием “земли” целиком. Оба подхода бывают жизнеспособными, оба подхода часто приводят к проблемам.

В первой статье из серии мы рассмотрим популярные заблуждения, касающиеся земляных петель, и попробуем определить важные понятия менее расплывчато, чем обычно.

Мифы и легенды

Точки, обозначенные на схеме как “GND”, всегда имеют одинаковый потенциал
Любые две точки, соединённые проводом, всегда имеют одинаковый потенциал
Омическое сопротивление проводника не зависит от частоты
Ток всегда течёт в соответствии с маркировкой проводов
Ток всегда выбирает путь наименьшего сопротивления
Ток всегда выбирает путь наименьшего импеданса
Милливольтами разницы потенциалов земли всегда можно пренебречь
Толстый провод решает проблему разницы потенциалов земли
Земляные петли – проблема только на низких частотах
Земляные петли – проблема только на высоких частотах
Дифференциальные интерфейсы уничтожают земляные петли
Любой дифференциальный интерфейс – симметричный
Если частота “помех” не пересекаются с частотой “сигнала”, проблем не будет
Экран кабеля всегда должен быть подключен к GND только с одной стороны
Экран кабеля всегда должен быть подключен к GND с двух сторон
Экран кабеля нужно подключать через ферритовую бусину, чтобы снизить шумы
Синфазные фильтры не дают протекать синфазному току
Синфазные фильтры всегда улучшают качество сигнала
Между двумя заземлёнными устройствами не может быть большой разницы потенциалов
Подключение устройства к защитному заземлению всегда улучшает его работу
Подключение устройства к “настоящему” заземлению всегда улучшает его работу
Если две точки не соединены, между ними не может течь ток
Через барьер гальванической изоляции не может течь ток
Пока в устройстве есть земляные петли, оно не будет хорошо работать

Пойдём по порядку.

Точки, обозначенные на схеме как “GND”, всегда имеют одинаковый потенциал
Любые две точки, соединённые проводом, всегда имеют одинаковый потенциал

Электрическая принципиальная схема – абстракция, которая не описывает свойства соединений в реальном мире. Любой провод, шина, дорожка или полигон на печатной плате имеет сопротивление и индуктивность, поэтому протекающий через него ток создаёт разность потенциалов. Например, пять метров прямого провода AWG24 (диаметр проводника 0.51 мм) имеют сопротивление 420 мОм и индуктивность около 10 мкГн. Для переменного тока полный импеданс (Z) будет определяться омическим сопротивлением (R) и реактивным сопротивлением (X). Постоянный ток в 1 ампер через этот провод вызовет падение напряжения 0.42 В, а тот же ток при частоте в 50 кГц – около 3.2 В.

Переменное магнитное поле может индуцировать ЭДС в проводнике. Даже если изначально две точки были соединены проводом, ток через который был равен нулю (и разность потенциалов между точками была также нулевой), индуцированная ЭДС может создать значимую разность потенциалов.

Если рассматриваемая частота достаточно высокая, и длина проводника сопоставима с длиной волны сигнала (или больше), этот проводник уже нельзя рассматривать как линию с сосредоточенными параметрами. Вместо этого нужна новая абстракция – “transmission line“, линия с распределёнными параметрами.

Омическое сопротивление проводника не зависит от частоты

Омическое (активное) сопротивление определяется проводимостью материала, длиной пути тока и “эффективной площадью сечения”, через которую протекает основная часть тока. Эффективная площадь сечения сильно зависит от частоты из-за скин-эффекта. Длина пути тока также зависит от частоты из-за сочетания скин-эффекта с шероховатостью поверхности проводника. Если рядом расположены другие проводники (например, в обмотке катушки индуктивности), они также оказывают влияние на распределение тока и активное сопротивление (“proximity effect“). Зависимостью проводимости металлов от частоты, как правило, можно пренебречь.

Ток всегда течёт в соответствии с маркировкой проводов
Ток всегда выбирает путь наименьшего сопротивления (и только его)
Ток всегда выбирает путь наименьшего импеданса (и только его)

С точки зрения теории цепей несколько различных путей протекания тока между двумя точками можно представить как параллельное соединение элементов с некоторым импедансом. Ток между ними при этом будет распределён обратно пропорционально импедансу каждого из элементов.
Это значит, что некоторая часть тока будет течь через каждый из них.

Индуктивность проводов слабо зависит от их диаметра, а сопротивление – сильно. Поэтому распределение постоянного тока в основном определяется толщиной проводов (то есть их омическим сопротивлением), а распределение переменного тока, начиная с 0.1…1 кГц – полной индуктивностью петли прямого и обратного токов, то есть физической структурой кабельной сети.

Милливольтами разницы потенциалов земли всегда можно пренебречь

Десять ампер постоянного тока, протекающие через 1 мОм сопротивления шины земли, создают 10 мВ падения напряжения. Это немного, но импеданс проводников в цепи GND, особенно на низких частотах, тоже может быть очень мал. Поэтому милливольты разницы потенциалов могут означать амперы протекающего тока, и ими нельзя пренебрегать.

Толстый провод решает проблему разницы потенциалов земли

Толстый провод имеет низкое омическое сопротивление, но его индуктивность слабо зависит от диаметра. Провод AWG0000 диаметром 11.7 мм имеет сопротивление 0.16 мОм на метр, но его индуктивность (для прямого провода) равна примерно 1.3 мкГн на метр. Реактивное сопротивление этого провода превысит омическое начиная с частоты около 20 Гц, и именно оно будет определять разность потенциалов при протекании переменного тока. На частоте 50 кГц при токе в 1 ампер пять метров этого провода создадут падение напряжения в 2.1 В – всего лишь в полтора раза меньше, чем для AWG24 диаметром 0.51 мм.

Земляные петли – проблема только на низких частотах
Земляные петли – проблема только на высоких частотах

Земляные петли могут создавать проблемы на любых частотах, от постоянного тока до гигагерц:

Падение напряжения, вызванное током, протекающим через ненулевой импеданс проводников земли (common ground impedance coupling) – функциональные проблемы,
Индуцированная ЭДС, вызванная изменением внешнего магнитного поля, пронизывающего петлю – функциональные проблемы, высокая чувствительность к внешним помехам,
Магнитное поле, созданное током, протекающим в петле – излучаемые помехи,
Неочевидное распределение тока между различными проводниками – функциональные проблемы, сложность отладки
Незапланированное протекание части тока через защитные проводники – функциональные проблемы, нарушение требований безопасности, проблемы с ЭМС.

Дифференциальные интерфейсы уничтожают земляные петли

Дифференциальные интерфейсы имеют высокую устойчивость к синфазным помехам, особенно если реализованы как симметричные (“balanced”). Их применение позволяет значимо ослабить влияние помех от земляных петель в устройстве на качество сигнала. Тем не менее, пока земли двух плат или устройств соединены более чем одним проводником, земляные петли никуда не исчезают.

Любой дифференциальный интерфейс – симметричный

Симметричная (“balanced”) система не всегда несёт дифференциальный сигнал, а дифференциальный интерфейс не всегда реализован как симметричный.

Дифференциальная передача сигнала подразумевает:

источник сигнала с двумя выходами, потенциал которых находится в противофазе (полезный сигнал – разность потенциалов выходов),
двухпроводную линию, соединяющую приёмник и передатчик,
приёмник, чувствительный к разности потенциалов на двух его входах.

При этом дифференциальная передача не подразумевает ни одно из перечисленных свойств симметричных систем:

импеданс двух выходов источника сигнала одинаков,
импеданс двух входов приёмника одинаков,
линия передачи симметрична

Преимущества дифференциальной передачи сигнала полностью реализуются только в симметричных системах. Степень симметрии в реальных источниках, приёмниках и линиях передачи определяет способность системы ослаблять влияние синфазных помех (common mode rejection ratio).

Если частота “помех” не пересекаются с частотой “сигнала”, проблем не будет

Помехи могут оказаться достаточно сильными, чтобы вывести приёмник из строя, временно или постоянно, независимо от спектра. Простой пример – “помеха” нулевой частоты (падение напряжения в проводнике GND при протекании постоянного тока) может оказаться достаточно большой, чтобы интерфейсы без гальванической изоляции перестали работать штатно, независимо от их рабочих частот. Если спектр сигнала не пересекается со спектром помех, с помощью фильтров можно до некоторой степени отделить одно от другого на стороне приёмника. Это требует дополнительных схемотехнических решений и не происходит само по себе. В любом случае, пока земли двух плат или устройств соединены более чем одним проводником, земляные петли никуда не исчезают.

Экран кабеля всегда должен быть подключен к GND только с одной стороны
Экран кабеля всегда должен быть подключен к GND с двух сторон
Экран кабеля нужно подключать через ферритовую бусину, чтобы снизить шумы

Куда и как подключать экран кабеля – вопрос, ответ на который зависит от очень многих факторов. Подход “на низких частотах – с одной, на высоких – с двух” не работает. Полный разбор лежит за рамками этой статьи, но следует иметь в виду следующие соображения:

Если кабель содержит в себе проводник GND, он способен быть частью земляной петли независимо от способа подключения экрана;
Если кабель содержит высокочастотные (выше кГц) несимметричные сигналы, возвратный проводник для этих сигналов, будь то провод GND или экран коаксиального кабеля, обязан быть напрямую подключен к сигнальной земле (GND) с обеих сторон
Экран кабеля, подключенный через индуктивность или ферритовый фильтр, практически полностью теряет свою эффективность.

Синфазные фильтры не дают протекать синфазному току

Синфазный фильтр представляет собой две или более индуктивностей со связанных магнитным потоком. Для синфазного сигнала индуктивность фильтра высокая, а для дифференциального (когда суммарный ток через фильтр равен нулю) – очень низкая. Для переменного синфазного тока этот фильтр имеет высокий импеданс за счёт индуктивности и потерь в материале магнитопровода.
На постоянный ток, будь то синфазный или дифференциальный, этот фильтр не оказывает никакого влияния, за исключением паразитного сопротивления обмоток.

Синфазные фильтры всегда улучшают качество сигнала

Синфазные фильтры портят полезный сигнал, иногда – портят сильно. При грамотном применении, впрочем, они могут улучшать итоговое соотношение сигнал-шум за счёт того, что помехи они подавляют сильнее, чем искажают полезный сигнал.

Основная причина проблем в том, что реальные синфазные фильтры не идеально симметричны: их индуктивность для дифференциального сигнала не равна нулю. Чем выше частота, тем сильнее влияние этой паразитной индуктивности на качество сигнала.

Синфазные фильтры в виде ферритовых колец, надеваемых на кабель, чаще всего безобидны по двум причинам:

очень хорошая симметрия в силу конструкции (так, при использовании ферритовых колец с коаксиальным кабелем, искажения дифференциального сигнала малы вплоть до 6-10 ГГц),
толерантность к “не-совсем-дифференциальным” сигналам (потому что кабель, как правило, включает в себя проводник GND, несущий возвратный ток синфазной составляющей).

Применение двухканальных синфазных фильтров (монтируемых на печатную плату) на линиях “не-совсем-дифференциальных” интерфейсов вроде USB 2.0 (Low/Full/HighSpeed) – катастрофа. Сигнал End of Packet в USB 2.0 включает в себя состояние шины SE0, при котором и D+, и D- имеют низкий уровень, то есть часть полезного сигнала – синфазная. Забавно, что при этом многие производители рекламируют свои синфазные фильтры как “специально подходящие для USB 2.0”.

Основное назначение синфазных фильтров – подавление излучаемых помех, вызванных протеканием синфазных токов, то есть удовлетворение регуляторных требований ЭМС. Иногда они также используются для борьбы с высокочастотными помехами от земляных петель. Полезный сигнал синфазные фильтры не улучшают никогда, и задача инженера состоит в том, чтобы при необходимости выбрать подходящий фильтр и применить его так, чтобы качество полезного сигнала осталось приемлемым.

Между двумя заземлёнными устройствами не бывает большой разницы потенциалов

Допустим, под “заземлением” понимается подключение “земли” устройства к защитному проводнику PE. В нормальном режиме ток через систему PE не течёт, и разность потенциалов двух устройств, подключенных к этой системе в разных точках, должна быть небольшой. В аварийном режиме через PE протекает ток короткого замыкания от фазы, и разность потенциалов в двух разных точках системы PE может достигать полного напряжения сети (230 В). Даже 10% этого напряжения достаточно, чтобы вывести из строя типичные трансиверы RS485.

Если же речь идет про устройства в разных зданиях с независимыми структурами заземления, ситуация ещё хуже. Сопротивление между ними даже на расстоянии в 10-100 метров может достигать 30 Ом, и редко бывает ниже 4 Ом. При попадании молнии в молниеотвод неподалёку, в почве формируется градиент потенциала (“шаговое напряжение”), который может достигать 10…30 киловольт для двух точек на расстоянии 10-100 метров друг от друга. Этого достаточно, чтобы вывести из строя любой интерфейс, даже гальванически изолированный, если не использованы дополнительные цепи грозозащиты.

Подключение устройства к защитному заземлению всегда улучшает его работу
Подключение устройства к “настоящему” заземлению всегда улучшает его работу

На самом деле, подключение устройства к защитному проводнику PE или к независимому штырю заземления гораздо чаще создаёт проблемы, чем решает их. Задача инженера состоит в том, чтобы обеспечить штатное функционирование устройства и электромагнитную совместимость, не нарушая требования безопасности, одним из которых является надёжное и низкоимпедансное соединение металлического корпуса устройства и защитного проводника PE.
Никогда не отключайте защитное заземление от устройства в попытках улучшить его работу или уменьшить шумы, и никогда не подключайте устройство одновременно к защитному проводнику PE и к другому устройству заземления.

Если две точки не соединены, между ними не может течь ток

Между любыми двумя проводниками существует взаимная ёмкость и индуктивность, через которые может протекать переменный ток. Например, печатная плата размером 10*10 см, закрепленная в металлическом корпусе на пластиковых проставках высотой 5 мм, имеет взаимную ёмкость с этим корпусом около 18 пФ. На частоте 100 МГц импеданс этой ёмкости составляет примерно 88 Ом, что очень далеко от ожидаемой “полной изоляции”. Паразитная ёмкость создаёт альтернативные “соединения” между отдельными проводами, экранами кабелей, корпусом устройства, любыми проводниками на печатных платах, и т. д.

Через барьер гальванической изоляции не может течь ток

Как мы уже выяснили, паразитная ёмкость создает путь для протекания переменного тока там, где мы этого не ожидаем. Более того, часто параллельно барьеру гальванической изоляции намеренно добавляют внешний конденсатор (обычно 1000 пФ / 2 кВ, с рейтингом безопасности Y2), чтобы снизить импеданс барьера на высоких частотах и улучшить электромагнитную совместимость.

Пока в устройстве есть земляные петли, оно не будет хорошо работать

В большинстве сложных устройств или систем существование земляных петель неизбежно.
Они могут быть очевидными (например, при соединении двух плат/модулей несколькими коаксиальными кабелями и жгутом питания вдобавок), могут быть паразитными (как мы уже выяснили, на высоких частотах ток может течь и в отсутствие гальванического соединения).

Задача инженера состоит в том, чтобы обеспечить необходимое качество сигналов и электромагнитную совместимость с учётом существования этих земляных петель. Для этого, помимо проектирования “земли” в устройстве, нужно уделить внимание выбору и реализации помехозащищенных интерфейсов (как правило, симметричный дифференциальный интерфейс – хороший выбор как для цифровых, так и аналоговых сигналов вне зависимости от частоты).

Термины

Нужно отметить, что многие из этих терминов часто определяют в разных источниках по-разному, и некоторые определения противоречат друг другу. Я постарался выбрать наименее ошибочные версии, которые позволяют лучше понять физический смысл.

Про землю

Опорный (референсный) потенциал, GND, земля, сигнальная земля – некоторая точка отсчёта для всех остальных потенциалов в рамках одной электрической принципиальной схемы. На схеме обозначается как GND. Из-за ненулевого импеданса физических проводников этот потенциал может различаться в разных точках одной и той же печатной платы, поэтому чаще всего термин используется с уточнением – опорный потенциал для какого именно компонента (детали, узла, платы, устройства):
- GND приёмопередатчика – опорный потенциал для микросхемы, относительно которого она формирует свой выходной сигнал, и относительно которого воспринимает входные сигналы. Соответствует выводу GND микросхемы.
- GND печатной платы – некоторый средний потенциал структуры проводников, образующей сеть GND на печатной плате. Разницей потенциала в разных точках одной печатной платы при этом пренебрегают
- GND устройства – некоторый средний потенциал структуры проводников, образующей сеть GND внутри одного устройства. Разницей потенциала между GND разных плат одного устройства при этом пренебрегают
Защитное заземление, PE – структура проводников, обеспечивающая безопасность человека при эксплуатации электроустановок. Защитное заземление должно быть подключено к металлическому корпусу прибора, использующего сетевое напряжение (230 V). Защитное заземление внутри устройства может быть соединено с сигнальной землёй разными способами, может быть изолировано
Земляная петля – структура, образованная более чем одним проводником, соединяющим земли двух объектов (микросхем, печатных плат, устройств)
Гальваническая изоляция (развязка) – такой способ передачи энергии или сигнала, при котором отсутствует непосредственный электрический контакт между изолированными устройствами (сопротивление по постоянному току велико). Может быть реализована с помощью трансформаторов, оптических приборов, емкостной связи и других принципов.

Про интерфейсы с точки зрения типа полезного сигнала (дифференциальность)

Дифференциальный источник сигнала имеет два выхода, потенциал которых относительно земли находится в противофазе (то есть противоположно друг другу с точностью до некоторого постоянного смещения), и разница потенциалов между которыми является полезным выходным сигналом
Дифференциальный приёмник сигнала имеет два входа, и воспринимает полезный сигнал как разность потенциалов между ними
Single-ended источник сигнала (не дифференциальный) имеет один выход, потенциал которого относительно земли источника является полезным выходным сигналом,
Single-ended приёмник сигнала (не дифференциальный) имеет один вход, и воспринимает полезный сигнал как разность потенциалов между своим входом и землёй

Про интерфейсы с точки зрения свойств линии и приёмопередатчиков (симметричность)

Симметричное подключение источника: импеданс двух выходов источника (по отношению к земле источника) одинаков. При этом источник не обязан быть дифференциальным, и это решение (симметричный не-дифференциальный источник) встречается на практике.
Симметричное подключение приёмника: импеданс двух входов приёмника (по отношению к земле источника) одинаков. Приёмник при этом обычно является дифференциальным.
Симметричная линия передачи сигнала – двухпроводная (в смысле “два сигнальных проводника”) линия, в которой свойства двух проводников по отношению к окружающему пространству одинаковы. Может представлять собой витую пару, экранированную витую пару, твинаксиальный кабель, пару коаксиальных кабелей, “дифференциальную пару” на печатной плате. Земли источника и приёмника могут быть соединены.
Несимметричное подключение источника: импеданс двух выходов источника (по отношению к земле источника) различен. Например, один из выходов подключен к земле напрямую.
Несимметричное подключение приёмника: импеданс двух входов приёмника (по отношению к земле источника) различен. Например, один из входов подключен к земле напрямую.
Несимметричная линия передачи сигнала – двухпроводная линия, в которой свойства двух проводников по отношению к окружающему пространству различны. Может представлять собой коаксиальный кабель, одиночную дорожку на печатной плате (в сочетании с полигоном GND), любую пару проводников, не имеющих свойства симметричности.

Сигналы в двухпроводной линии

Существует синтетический подход, который выделяет синфазные (CM, common mode) и дифференциальные (DM, differential mode) составляющие токов и напряжений без учета их физической природы. Так, для двухпроводной линии можно ввести токи I_CM и I_DM, а также потенциалы U_CM и U_DM, и определить их следующим образом:

I_CM = (I₁ + I₂) / 2
I_DM = (I₁ – I₂) / 2
U_CM = (U₁ + U₂) / 2
U_DM = (U₁ – U₂) / 2

Ток через каждый проводник и его потенциал можно выразить через новые величины:

I₁ = I_CM + I_DM
I₂ = I_CM – I_DM
U₁ = U_CM + U_DM
U₂ = U_CM – U_DM

Синфазный ток I_CM в двухпроводной линии, в общем случае, не равен нулю. Поскольку ток всегда течёт в замкнутых контурах, это значит, что он возвращается к источнику каким-то посторонним путём, не в двухпроводной линии – например, через третий проводник земли, через паразитную связь с окружающим пространством и т. п.

Некоторые из этих величин имеют физический смысл:

2 * U_DM соответствует разности потенциалов линии
(для дифференциального приёмника – полезный сигнал)
U_CM соответствует синфазному потенциалу линии
(для дифференциального приёмника – синфазный (мешающий) сигнал)
2 * I_CM соответствует синфазному току через двухпроводную линию (именно этот ток должен возвращаться к источнику через какой-то третий проводник)

С точки зрения инженеров ЭМС синфазные и дифференциальные токи имеют немного иное определение. Дифференциальными они называют любые токи, которые возвращаются к источнику по проводникам, предназначенным для этого (будь то полигон земли, второй проводник в дифференциальной паре, провод GND или экран кабеля), и не текут в окружающей среде. Синфазными они называют токи, которые возвращаются к источнику через окружающую среду (как правило, с участием емкостной связи и структур защитного заземления).

С точки зрения анализа некоторого кабеля или кабельного жгута внутри устройства мы можем рассматривать эти токи близко к ЭМС-определению. Дифференциальными будем называть токи, которые возвращаются к источнику через проводники, входящие в состав этого кабельного жгута, а синфазными – те, которые используют любой другой путь за его пределами (другие провода, корпус прибора, паразитные связи).

Про режимы работы двухпроводной линии

Дифференциальный режим, нечётная мода, odd mode – такое возбуждение двухпроводной линии, при котором фаза сигнала в двух проводниках противоположна. Именно этот режим важен для передачи полезного дифференциального сигнала через некоторую линию.
- Odd mode impedance – импеданс двухпроводной линии для дифференциального сигнала.
Синфазный режим, чётная мода, even mode – такое возбуждение двухпроводной линии, при котором фаза сигнала в двух проводниках одинакова.
- Even mode impedance – импеданс двухпроводной линии для синфазного сигнала

Про импеданс

Омическое сопротивление, активное сопротивление, R – действительная часть импеданса. Соответствует необратимому превращению энергии электромагнитного поля в другой вид энергии, чаще всего в тепло.
Реактивное сопротивление, X – мнимая часть импеданса. Описывает индуктивные или емкостные свойства некоторого компонента.
Импеданс, волновое сопротивление, Z – полное комплексное сопротивление. Эта величина используется в теории цепей для удобства гармонического анализа, и в теории линий передачи для описания свойств среды распространения сигнала.
Представляет собой комплексную сумму активного и реактивного сопротивления: Z = R + jX.

Sergey "brsbrs" Korablin

electronics design engineer, makes interconnects suck less