Phänomen der Bodenverschiebung in der Automobilindustrie

Ich arbeite an der Integration eines Sensors in eine Automobilplattform unter Verwendung eines Standard-12-V-Negativ-Chassis-Setups. Ich versuche ein etwas mythisches Phänomen zu verstehen, das als "Ground Shift" bekannt ist. Ich konnte das nicht erklären, aber meine Intuition legt nahe, dass dies vernünftig ist.

Die Art und Weise, wie es "erklärt" wurde, ist wie folgt: Zwei bodenbezogene Punkte am Fahrzeug können aufgrund einer Störung durch benachbarte Komponenten oder Komponenten, die sich einen gemeinsamen Erdungsstift teilen, für eine nicht spezifizierte Zeitspanne auf einem unterschiedlichen Potential gehalten werden ".

Wenn beispielsweise das ABS betätigt wird und eine erhebliche Strommenge (in einigen Fällen Hunderte von Ampere) in einen bestimmten Erdungsbolzen eingelassen wird, wird der Erdungspunkt zu einer instabilen Referenz. Bei anderen an diesem Bolzen angebrachten Komponenten können Spannungsschwankungen an den Eingangsstiften auftreten.

Meine Frage lautet: Ist dieses Phänomen etwas, das wirklich existiert, oder ist es einfach eine interne "Geschichte alter Frauen" mit wenig bis gar keiner Grundlage?

Wenn es existiert, wie kann es charakterisiert werden und wo kann ich mehr erfahren? Was sind hier die grundlegenden elektrischen Prinzipien? Kann es auf eine repräsentative Modellschaltung reduziert werden? Alle Erfahrungen wäre dankbar.

Meine Frage lautet: Ist dieses Phänomen etwas, das wirklich existiert, oder ist es einfach eine interne "Geschichte alter Frauen" mit wenig bis gar keiner Grundlage?

Nun, mach die Mathe. Wenn Sie beispielsweise 100 A in einen Stahlleiter mit einem Durchmesser von beispielsweise 50 mm² eintauchen, wie hoch ist die Spannung über 10 cm dieses Leiters aufgrund des ohmschen Widerstands?

Also ja, Ohm hat recht, und wenn Sie viel Strom durch etwas bringen, das kein Supraleiter ist, gibt es einen Potentialunterschied.

Was sind hier die grundlegenden elektrischen Prinzipien?

Ohm'sches Gesetz

Darüber hinaus hebt Ihr ABS-Beispiel einen weiteren Aspekt hervor: Wenn Sie eine geschaltete Last haben, legen Sie keine Gleichstromlast auf Ihren Erdungsleiter, sondern (auch) eine Wechselstromlast.

$j\omega L$

Solche reaktiven Eigenschaften hängen von der geometrischen Form Ihres Leiters ab - möglicherweise haben Sie sogar Pech, und da Sie elegant auf eine Resonanzfrequenz des gesamten Batterie-Versorgungskabel-Last-Chassis-Rückführungssystems treffen, erhalten Sie ein Spannungsextrem bei genau der Frequenz Ihr ABS arbeitet bei.

Was Sie beschreiben, scheint, wie ich verstehe, völlig vernünftig. Erdreferenzen können sich häufig aufgrund eines erheblichen Stromflusses und endlicher Widerstände der verwendeten Leiter ändern. Dies ist einfach auf das Ohmsche Gesetz zurückzuführen.

Wenn Sie eine Analogie zwischen verschiedenen Teilen Ihres Fahrzeugchassis zu verschiedenen Punkten auf einer Länge der Leiterplattenspur ziehen können, können wir dies mit Erdungstechniken vergleichen, die bei der Leiterplattenkonstruktion und -anordnung verwendet werden. Sie können dies weiter untersuchen, indem Sie verschiedene Erdungsschemata untersuchen, die beim PCB-Design verwendet werden. Stellen Sie sich ein sternbasiertes geerdetes Schema vor, um genau das zu vermeiden, was Sie beschreiben, wenn auch in viel kleinerem Maßstab.

Wenn Sie alle Punkte in dieser Konfiguration erden, kann der Stromfluss aufgrund einer dieser Verbindungen diese Schiene um einen Betrag "anheben", der Iin * Rconductor entspricht. Da jedoch alle anderen Verbindungen auf diesem Knoten die gleichen Änderungen sehen, ist dies möglicherweise nicht der Fall schlecht, zumindest was die relativen Messungen betrifft. Eine plötzliche Schwankung der Schienen kann jedoch immer noch Probleme bei der Instrumentierung verursachen, dh ein üblicher Parameter bei Geräten wie Operationsverstärkern und ADCs ist das sogenannte Netzteil- Unterdrückungsverhältnis , das angegeben wurde, um diese Fälle zu berücksichtigen.

EDIT 1:

Hier ist ein weiteres Foto, das den Punkt veranschaulicht. Die genauen Geräte auf dem Bild können ignoriert und als alles angesehen werden, was Sie wirklich mögen:

Dies ist gut dokumentiert> "Geschichte alter Frauen? NICHT. Alles, was Sie schon immer wissen wollten ... Fahrzeugverkabelung, aber Angst hatten zu fragen ...

Das Problem ist von nanoskaligen Gleisen bis zu Fahrzeugen mit Antrieb skalierbar. Um die Immunität zu verbessern, wird häufig eine verdrillte differentielle Stromversorgung verwendet, was separate Rückleitungen zur Batterie bedeutet, und zur Erfassung werden symmetrische verdrillte Differenzeingänge verwendet. Das Problem in der Stromschleife besteht darin, dass das Einkoppeln in unsymmetrische Eingänge Gleichtaktrauschen (CM) in ein Differenzmodus (DM) -Signal übersetzt. Die Wahl einer Erdungsebene wie des Fahrzeugchassis oder separater Kabel hängt stark von der Weglänge, dem Stromniveau und den Interferenzen ab.

Zum Beispiel befinden sich die meisten Autobatterien in der Nähe des Anlassers, aber in vielen deutschen Fahrzeugen (GLK350) befindet sich die Batterie unter der hinteren Diele, der Motor stoppt und startet an jeder roten Ampel. Welchen Grund haben sie wohl verwendet, um mehrere hundert Ampere zu schalten?

Weitere technische Details auf IC-Ebene gelten ebenfalls.

• Jeff Barrow, [ http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/41-06/ground_bounce.pdf Reducing Ground Bounce], (2007), Analog Devices
• Vikas Kumar, [ http://www.eetimes.com/electronics-news/4196917/Ground-Bounce-Primer Ground Bounce Primer], (2005), TechOnLine (jetzt EETimes).
• '' [ http://www.pericom.com/assets/App-Note-Files/AN005.pdf Ground Bounce in 8-Bit-Hochgeschwindigkeitslogik] '', Pericom Application Note.
• '' [ http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-640.pdf AN-640 Verständnis und Minimierung des Ground Bounce] '', (2003) Fairchild Semiconductor, Application Note 640.
• "[ http://www.altera.com/literature/wp/wp_grndbnce.pdf Minimizing Ground Bounce & VCC Sag]", White Paper, (2001) Altera Corporation.
• '' [ http://www.ultracad.com/articles/g_bounce.pdf Ground Bounce Teil 1 und Teil 2 von Douglas Brooks] '', Artikel, Ultra Cad Design.

Gleicher Gremlin-Laicher, anderer Name

Das "Ground Shift" -Phänomen, auf das Sie sich beziehen, ist lediglich eine weitere Manifestation der Tatsache, dass Leiter eine Impedanz ungleich Null haben. Wenn sich also zwei Ströme einen Rückweg teilen, beträgt der Spannungsabfall über diesen Rückweg (Ibigload + Isensitive) * Rcomgnd. EEs, die in kleineren Maßstäben arbeiten, kennen diesen Gremlin-Spawner als "Common Impedance Coupling", aber es ist wirklich dasselbe, wie im folgenden Schema gezeigt.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Beachten Sie, dass der Knoten mit dem Namen GND eine volle Volt vom Minuspol der Batterie entfernt ist! Dies ist eindeutig nicht gut, wenn unsere empfindliche Schaltung auf der linken Seite den Versatz nicht tolerieren kann, oder schlimmer noch, wenn Ibigload wirklich eine zeitlich variierende Last ist, sodass unser empfindlicher Teil eine GND sieht, die zwischen nahe dem tatsächlichen 0-V-Punkt variiert, d. H. die Batterie negativ und eine volle Volt davon entfernt!

Die Lösung in einem Niederfrequenzumgebung zu Boden stern empfindlichen Schaltungen wieder zu einem einzigen, vorgezeichnet 0V Punkt mit ihren eigenen Draht oder Spur , wie unten dargestellt ist , so dass jegliche hohe Ströme in anderen Teilen des Erdungssystem fließt , kann nicht stören den Betrieb der empfindlichen Schaltung. Leider ist dies aus mechanischen Gründen und aus Kupferkostengründen nicht für jede Schaltung in einem gesamten Fahrzeug praktikabel. Daher arbeiten Konstrukteure der Automobilelektronik so gut wie möglich daran, indem sie robuste Stromversorgungsschaltungen entwerfen und stattdessen Signalreferenzen mit empfindlichen Signalen übertragen sich auf die Chassis-Rückgabe für sie zu verlassen.

^{simulieren Sie diese Schaltung}

Sie haben die gleichen Risiken auf einer Leiterplatte. Kupferfolie mit Standarddicke (1 Unze / Fuß ^ 2) mit einer Dicke von 35 Mikron oder 1,4 Mil hat einen Widerstand von 0,0005 Ohm oder 500 Mikroohm pro Quadrat. Quadrat jeder Größe. Gemessen von gegenüberliegenden Seiten des Quadrats, die alle Seiten berühren.

Somit entspricht ein Ampere durch 1 Quadrat Folie 500 Mikrovolt. Oder 0,5 uV für 1 mA.

Ein Milliampere, der von einer Seite zur anderen einer quadratischen Leiterplatte fließt, trifft jedoch auf viel mehr als 500 Mikroohm, da sich der Strom vom anfänglichen 1-mm-Eintrittspunkt ausbreiten und sich dann erneut konzentrieren muss, um einen 1-mm-Austrittspunkt zu verlassen .

Holen Sie sich ein Quadrille-Pad, bestimmen Sie ein Quadrat in der Mitte als "aktuellen Einstiegspunkt" und skizzieren Sie, wie sich der Strom in den ACHT Quadraten um das Einstiegsquadrat ausbreitet. Und wie das 5 * 5-Gitter, das das 3 * 3 umgibt, mit 500 Mikroohm / Quadrat noch weniger Widerstand bietet, aber dennoch resistiv ist.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Welche Spannung aus OA2?