Erdungsschema für Signal + Leistung

Hintergrund

Ich arbeite an einem Projekt, bei dem sowohl digitale als auch analoge Signale zusammen mit Strom und Vorspannungen zwischen zwei Geräten über ungefähr 1 Meter verbunden werden müssen, was eine ziemlich raue Umgebung (Magnetfeld) ist. Ein Ende (entfernt) ist im Wesentlichen ein benutzerdefinierter Sensor-IC, und das andere Ende (lokal) ist die Datenerfassungsseite.

Es gibt grundsätzlich vier Arten von Signalen auf der Verbindung:

1. Niederspannungsleistung - 1,8 V DC und verschiedene Vorspannungen. Dies versorgt die meisten Schaltungen am entfernten Ende mit Strom. Dadurch wird das Gerät über ein Kabel mit einem Gleichstromwiderstand von etwa 0,1 Ohm mit etwa 500 mA versorgt.
2. Hochspannungsleistung - 60 V DC. Dies versorgt einen kleinen Teil der entfernten Schaltung mit Strom.
3. Digitale Signale - Dies ist eine unidirektionale serielle Schnittstelle, die mit ~200 MHz läuft. Das Taktsignal misst alles im entfernten Gerät.
4. Analoge Signale – Dies sind sehr schwache (max. 100 mV), hochfrequente Signale (~800 MHz S/W), die vom entfernten Ende zum lokalen Ende übertragen werden.

Die digitalen und analogen Signale werden alle über unsymmetrische Koaxialkabel und die Stromleitungen über separate Kabel übertragen.

Das System ist noch nicht fertiggestellt, ebenso wenig wie die Zusammenschaltung. Im Moment versuche ich, das beste Schema für Masseleitungen innerhalb der Verbindung zu ermitteln.

Was ich bisher festgestellt habe

Erstens wird die Hochspannungsversorgung einige sehr hässliche Transienten aufweisen (wir wissen dies aus Experimenten) – im Wesentlichen treibt sie eine kurze Entladung mit hohem Strom an. Idealerweise hätten wir am entfernten Ende eine schöne Bulk-Kapazität, aber das ist nicht möglich. Daher schlage ich vor, dass dieses Teil mit einer unabhängigen Erdung ausgestattet ist - es wird eine isolierte HV-Versorgung sein, um Stromspitzen von den Versorgungskabeln fernzuhalten.

Zweitens sind die HF-Signale unsymmetrisch und am lokalen Ende wechselstromgekoppelt. Diese werden in einen aktiven Balun eingespeist (höchstwahrscheinlich LMH5401 von TI oder ähnlich).

Drittens sind die digitalen Signale auch unsymmetrisch, können aber nicht wechselstromgekoppelt werden.

Schließlich müssen alle Koaxialkabelschirme am entfernten Ende zusammengebunden werden, können aber am lokalen Ende einzeln verdrahtet werden.

Fragen, die ich habe

Meine Frage ist (hoffentlich nicht zu breit), wie das Erdungsschema am besten angeordnet werden kann, um die Entstehung unangenehmer Erdungsschleifen zu vermeiden und hoffentlich eine Kopplung zwischen dem Taktsignal und den HF- und Leistungssignalen zu vermeiden.

Nach einigem Lesen habe ich folgende Gedanken/Ideen zu diesem Thema, die ich mit jemandem machen könnte, um zu bestätigen, ob meine Ideen vernünftig sind oder ob es einen besseren Weg gibt.

Erstens denke ich daran, das Design so anzuordnen, dass es ein Haupterdungskabel für die LV-Stromversorgung gibt und dann unabhängige Signalerdungen. Irgendwann müssen die Gründe jedoch eindeutig alle miteinander verbunden sein.

In einigen Materialien, die ich gelesen habe, wird vorgeschlagen, die Koaxialabschirmung am lokalen Ende nicht abgeschlossen zu lassen, um Erdschleifen zu vermeiden. Ich denke jedoch, dass dies mehr Probleme verursachen würde, die durch Unterbrechen des Signalrückwegs für die Hochfrequenzsignale gelöst würden. Da die HF-Signale am lokalen Ende kurz vor dem Verstärker wechselstromgekoppelt sind, frage ich mich, ob ich auch die Abschirmung wechselstromkoppeln sollte, um eine mit der Stromversorgungsmasse eingeführte Gleichstromschleife zu entfernen, ohne den Signalrückweg zu unterbrechen. Macht das Sinn?

Für die digitalen Leitungen muss ich einfach die Masse an beiden Enden anschließen, da sie gleichstromgekoppelt ist. In dieser Situation können wir sicherstellen, dass wir beim IC-Design für das Remote-Ende die Koax-Masse mit dem IC über Masse-Bondpads verbinden, die so nah wie möglich an den Eingängen platziert sind, damit der Signalpfad durch die Eingangspuffer wie folgt ist möglichst nahe am Koaxialkabel. Wir können dann ein separates Erdungspad für die Stromversorgung haben, um die Kopplung des Signals mit der Versorgung zu minimieren.

Schließlich denke ich, dass der Verbindung ein individuelles Erdungskabel für die Versorgung hinzugefügt werden sollte. Am lokalen Ende könnte dies durch eine Ferritperle oder Pass-Through-Kondensatoren gespeist werden, um zu versuchen, die Impedanz für die Hochfrequenzsignale zu erhöhen, sodass sie bevorzugt durch ihre Koaxialabschirmungen und nicht durch die Versorgungserde wandern. Ist das sinnvoll?

So etwas in der Art habe ich mir dabei gedacht:

(ps Gibt es irgendwelche zusätzlichen Informationen, die ich hinzufügen soll?)