접지 (Ground)

접지(Ground)는 회로의 기준 전위 (0V 기준점) 역할

전기적으로는 모든 접지는 같은 전위여야 이상적이지만,
실제로는 다양한 위치에서 접지가 분리되어 있을 수 있다.

• 섀시접지(Chassis Ground) :
  전기 장치의 금속 프레임을 접지로 사용하는 접, 항상 대지에 접지 하지 않음
  대지 접지(Earth Ground) :
  대지와 같이 비교적 큰 도체에 접지하는 것
  신호 접지(Signal Ground) :
  특정 장비나 장비 그룹의 신호 전위에 대한 기준점, 입출력 신호 간의 간섭을 막기 위하여 사용하는 접지

외함 접지

외함은 전기기기의 금속 외피
내부 배선 문제나 전자기적 충전으로 전압이 걸릴 수 있음.

외함 접지는 감전 방지를 위한 안전 조치.
사람이 이를 만지면 감전될 위험이 있으므로, 외함을 접지하면 전류가 저항이 낮은 접지선을 통해 흐르게 되어 인체를 보호할 수 있다.

요약 정리

• 목적: 감전 및 전기 화재 방지
  방법: 금속 외함을 접지선으로 땅과 연결
  원리: 이상 전류를 인체 대신 접지선으로 우회시켜 흐르게 함

외함 접지 없는 경우

외함 접지 있는 경우

GND 분리

GND 분리 (Ground Separation)는 회로 내에서 서로 다른 접지(GND)를 구분하여 노이즈를 줄이고 신호 무결성을 유지하는 기법

• 디지털(Digital)과 아날로그(Analog) 회로를 분리하거나,
  고전류(GND-Power)와 저전류(GND-Signal) 경로를 구별할 때 사용

GND를 분리하는 이유

• 노이즈 방지 → 고속 스위칭 노이즈가 신호에 영향을 주는 것을 차단
  접지 루프(Ground Loop) 방지 → 다중 접지로 인한 불필요한 전류 흐름 방지
  EMI(전자기 간섭) 감소 → 고속 신호와 저속 신호 간의 간섭 최소화
  전압 강하 및 공통 임피던스 문제 해결 → 신호 간섭을 줄여 신뢰성을 높임

GND 분리 방법

(1) PCB에서 물리적으로 분리

• GND를 다른 영역으로 배치
  PCB 레이아웃에서 AGND와 DGND가 직접 연결되지 않도록 설계
  단일 접점에서만 GND를 연결하는 방식 (스타 그라운드 방식 적용)

(2) 페라이트 비드(Ferrite Bead) 또는 저항(R) 추가

• AGND와 DGND 사이에 페라이트 비드(수십수백 Ω의 임피던스) 또는 저항(010Ω)을 삽입
  고주파 노이즈 차단 및 DC 전위 평준화 역할

(3) 전용 GND 플레인(Plane) 사용

• 멀티 레이어 PCB에서 GND 플레인을 분리하여 배치
  고주파 회로에서는 신호 층과 GND 층을 인접하게 설계

(4) 차폐 및 필터링 적용

• 쉴딩(Shielding) 적용하여 GND 간 간섭 방지
  커패시터(0.1~1μF) 추가하여 노이즈 필터링

GND 분리의 주의점

• 완전히 분리하면 안 됨 → 최종적으로 한 점(스타 포인트)에서 GND를 연결해야 함
  리턴 패스(Return Path) 고려 → 신호가 지나가는 경로 바로 아래에 GND가 있어야 함
  PCB에서 GND 절연 간격 최소화 → 분리된 GND 간 간격을 필요 이상으로 넓히면 오히려 노이즈 증가 가능

스타 그라운드 (Star Ground)

• 시스템의 접지를 하나의 중심점(스타 포인트)에서 방사형으로 연결하는 방식.

• 접지 루프(Ground Loop)를 방지하고, 전자기 간섭(EMI)과 노이즈 문제를 최소화

스타 그라운드 특징

• 중앙 접점(Star Point): 모든 신호 및 전력 그라운드는 특정 지점에서 연결
  방사형 연결: 접지는 별(Star) 모양으로 퍼지며, 서로 다른 부분이 직접 연결되지 않음
  노이즈 감소: 공통 임피던스로 인해 발생하는 전압 강하를 줄여 신호 간섭을 방지

스타 그라운드 적용 방법

• 아날로그 및 디지털 회로 분리: 디지털 신호가 빠른 스위칭을 하기 때문에 아날로그 회로와의 공통 접지를 피해야 합니다.

• 고전류 경로와 신호 접지 분리: 전력선과 신호선 접지를 따로 관리하여 전압 강하 문제를 방지합니다.

• 단일 접지점 유지: 여러 개의 접지점을 만들지 않고 한 지점에서만 모든 접지를 연결합니다.

• PCB 설계에서의 고려 : 그라운드 패턴을 방사형으로 설계하거나,
  접지층(Ground Plane)을 활용하여 임피던스를 낮추는 방법

싱글 포인트 그라운드

• 싱글 포인트 그라운드는 모든 회로의 접지를 하나의 공통 지점(Single Point)에서 연결하는 방식
  접지 루프(Ground Loop)를 방지하고 신호 무결성을 유지하는 데 도움

• 모든 접지가 하나의 특정 지점에서만 연결됨.
  여러 개의 접지 경로를 만들지 않아 접지 루프 방지 가능.
  전압 강하 및 신호 간섭을 줄여 노이즈 최소화 효과.
  저주파 및 고주파 회로에서 모두 사용되지만, 특히 고주파 및 디지털 회로에서 유리.

플레인 그라운드

• 플레인 그라운드 (Ground Plane)는 PCB에서 넓은 면적(Plane)으로 형성된
  접지층(Ground Layer) 또는 접지 구역(Ground Area) 을 의미

• 고주파 회로에서 임피던스를 낮추고 노이즈를 줄이며, 신호 무결성을 유지하는 데 효과적

1. 플레인 그라운드의 특징

• 넓은 구리 면적을 활용한 접지
  임피던스를 최소화하여 신호 무결성 유지
  고주파 신호 및 디지털 회로에 적합
  접지 루프(Ground Loop) 및 EMI(전자기 간섭) 감소
  PCB 내부 또는 외부 레이어에 배치 가능

2. 플레인 그라운드의 장단점

• 장점
  낮은 임피던스 → 신호 경로가 짧아져 접지 전압 강하를 최소화
  EMI(전자기 간섭) 감소 → 전자파 방출을 줄이고 신호 간섭을 방지
  고주파 특성 향상 → 신호 무결성을 유지하며 반사 및 노이즈 감소
  효율적인 열 방출 → 발열이 많은 부품 주변에서 방열판 역할 수행 가능

• 단점
  설계 복잡성 증가 → PCB 레이어를 추가하거나 최적의 배치를 고민해야 함
  비용 상승 가능 → 다층 PCB 설계가 필요할 수도 있음
  제조 공정에 따른 한계 → 얇은 플레인 구조는 가공 시 손상될 가능성 있음
  의도치 않은 기생 Capacitance

3. 플레인 그라운드의 유형

• (1) 단일 레이어 플레인 그라운드
  PCB의 한쪽 면을 넓은 구리 패턴으로 채워 접지층을 만듦
  단순한 회로나 저속 디지털 회로에 적합
  노이즈 차폐 효과는 다층 구조보다 떨어짐

• (2) 다층 PCB의 플레인 그라운드
  멀티 레이어 PCB에서 전용 그라운드 레이어(GND Plane Layer) 사용
  신호층(Signal Layer)과 전력층(Power Layer) 사이에 배치 → 신호 무결성 & EMI 최소화
  고속 디지털, RF, 고주파 회로에 필수적

• (3) 메시 그라운드(Mesh Ground)
  플레인을 완전히 채우지 않고, 격자(Grid) 형태의 접지 패턴을 형성
  고주파 회로에서 유용, 특히 RF 회로 및 안테나 설계에 적합
  배선 절약 가능하지만, 차폐 효과는 풀 플레인보다 낮음

Ref
https://johnnyjay.tistory.com/73?category=1099922
https://blog.naver.com/rlaghlfh/220790585792
https://voltage-disturbance.com/grounding-and-bonding/single-point-grounding-in-power-systems/

외함 접지
https://idchowto.com/%EC%99%B8%ED%95%A8%EC%A0%91%EC%A7%80-%EB%AA%A9%EC%A0%81/