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PCB电路板电磁兼容设计时的接地方法解析

作者:易发游戏 来源:本站原创 日期:2020-02-02 15:01 点击: 

  在设计一个产品时,在设计期间就考虑到接地是最经济的方法。一个设计良好的接地系统,不仅从

  首先了解一下接地的分类及相关定义,根据接地的作用不同,将设备的“地”分成以下3大类:

  工作接地是为电路正常工作而提供的一个基准电位。该基准电位可以设为电路系统中的某一点、某一段或某一块等。当该基准电位不与大地连接时,视为相对的零电位。这种相对的零电位会随着外界电磁场的变化而变化,从而导致电路系统工作的不稳定。当该基准电位与大地连接时,基准电位视为大地的零电位而不会随着外界电磁场的变化而变化。

  根据电路的性质,将工作接地分为不同的种类,比如直流地、交流地、数字地、模拟地、信号地、功率地、电源地等。上述不同的接地应当分别设置。

  信号地是各种物理量的传感器和信号源零电位的公共基准地线。信号地的较好定义是信号流回源的一个低阻抗路径。这个定义突出了电流的流动。当电流流过有限阻抗时,必然会导致电压降,因此这个定义反映了实际地线上的电位情况。

  功率地是负载电路或功率驱动电路的零电位的公共基准地线。由于负载电路或功率驱动电路的电流较强、电压较高,所以功率地线上的干扰较大。因此功率地必须与其它弱电地分别设置。

  安全接地即将机壳接大地。一是防止机壳上积累电荷,产生静电放电而危及设备和人身安全;二是当设备的绝缘损坏而使机壳带电时,促使电源的保护动作而切断电源,以便保护工作人员的安全。

  有时,为防止雷击而设置避雷针,以防止雷击时危及设备和人身安全。为安全考虑,要直接接在大地上。

  除了设备工作和安全保护之外,有时设计人员对设备还需要采取一些措施,比如屏蔽、滤波等,这些也是需要接地的,因此有时还用到下面的地。

  (1)屏蔽接地:电路之间由于寄生电容必须进行必要的隔离和屏蔽,提供给这些隔离和屏蔽的金属的地线。屏蔽与接地应当配合使用,才能起到屏蔽的效果。屏蔽接地主要包括电路的屏蔽罩接地、电缆的屏蔽层接地和系统的屏蔽体接地。

  (2)滤波接地:滤波器中一般都包含信号线和电源线到地的旁路电容,提供给这些旁路电容的接地,如果不接地,这些旁路电容就出于悬浮状态,起不到旁路的作用。

  (3)噪声和干扰抑制:对内部噪声和外部干扰的控制需要设备和系统上的许多点与地相连,从而为干扰信号提供最低阻抗的通道。

  (4)静电接地:非导电用的导体器件接地,泄放静电和防止接受无线电波再发射。

  根据上述的接地分类情况,我们发现其实接地的真正功能主要有两个,那就是提供安全和信号“零电位”两种作用,因此可以更通俗易懂的将接地分为“安全地”和“信号地”两种。安全地是为了设备电气安全,一般与大地相连,保证接地的设备与大地处于同一个电位;信号地是为了电路能够正常工作,不一定与大地相连接,可以是任何定义为电位参考点的位置。

  接地没有一个很系统的理论或模型,人们在考虑接地时只能依靠他过去的经验或从书上看到的经验。接地的方法很多,具体使用那一种方法取决于系统的结构和功能。接地的方式可以分为三种:单点接地,多点接地和混合接地。其中单点接地可以分为串联单点接地和并联单点接地两种,如图所示。

  单点接地连接是指在产品的设计中,接地线路与单独一个参考点相连,该点常常以地球为参考,如图所示。

  单点接地要求每个电路只接地一次,并且接在同一点,并设置一个安全接地螺栓,防止来自两个不同子系统( 有不同的参考电平) 中的电流与射频电流经过同样的返回路径,从而导致共阻抗耦合。

  为防止工频和其它杂散电流在信号地线上产生干扰,信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘。且只在功率地、机壳地和接往大地的接地线的安全接地螺栓上相连(浮地式除外)。

  工作频率低(《1MHz)的采用单点接地式,这意味着分布传输阻抗的影响是极小的。

  单点接地有两种类型,一种是串联单点接地,另一种是并联单点接地。如图8-3所示。

  从公式中可以看出,A、B、C各点的电位是受电路工作电流影响的,随各电路的地线电流而变化。尤其是C点的电位,十分不稳定。

  串联接地是一个串级链结构,这种结构允许各个子系统的接地参考之间公共阻抗耦合,会出现较严重的共模耦合噪声,同时由于对地分布电容的影响,会产生并联谐振现象,大大增加地线的阻抗。

  这种接地方式虽然有很大的问题,却是实际中最常见的,因为它十分简单。如果存在多种不同功率等级的电路,那么就不能采用这种接地技术,因为大功率电路产生大的回地电流,将影响低功率器件和电路。如果说一定要采取这种接地方法,那么最敏感的电路必须直接设置在电源输入位置处(A点),这点电位是最稳定的,并且尽量远离低功率器件和电路。另外,从前面讨论的放大器情况知道,功率输出级要放在A点,前置放大器放在B、C点。

  解决这个问题的方法是并联单点接地。并联单点接地即所有的器件的地直接接到地汇接点,然而并联单点接地需要较多的导线,而且因为每个电流返回路径可能有不同的阻抗而导致接地噪声电压的加剧。当多个印刷电路板采用这种并行方式连接到一起时,产品不能通过辐射检验。设计者在使用这种布局时,应使每条回地路径上的电感值大致相同(实际很难做到),从而对电路运行的影响不会出现多谐振。

  实际的情况中可以灵活采用这两种单点接地方式,比如如图8-4所示,可以将电路按照特性分组,相互之间不易发生干扰的电路放在同一组,相互之间容易发生干扰的电路放在不同的组。组内采用串联单点接地,不同组的接地采用并联单点接地。这样,既解决了公共阻抗耦合的问题,又避免了地线过多的问题。但是绝不要使功率相差很大的电路或噪声电平相差很大的电路共用一段地线。

  使用单点接地技术,除了射频辐射耦合外,也可能发生串扰,这取决于电流返回路径之间物理间距的大小。串扰存在的程度取决于返回信号的频率范围,高频元件比低频元件的辐射更严重。

  单点接地技术常见于音频电路、模拟设备、工频及直流电源系统,还有塑料封装的产品。虽然单点接地技术通常在低频采用,但有时它也应用于高频电路或系统中,当设计者们清楚不同的接地结构中存在的所有有关电感的问题时,这种应用是可行的。

  如图所示,设备内电路都以机壳为参考点,而各个设备的机壳又都以地为参考点。这种接地结构能够提供较低的接地阻抗。在这种接地的方式的缺点是形成各种地线回路,造成地环路干扰,这对设备内同时使用的具有较低频率的电路会产生不良影响。

  工作频率高(》30MHz)的采用多点接地式(即在该电路系统中,用一块接地平板代替电路中每部分各自的地回路),为了减小电感,要求地线的长度尽量短,在频率很高的系统中,通常接地线要控制在几毫米的范围内。每根接地线。

  多点接地时容易产生公共阻抗耦合问题。在低频的场合,通过单点接地可以解决这个问题。但在高频时,只能通过减小地线阻抗(减小公共阻抗)来解决。在导体表面镀银能够降低导体的电阻,如图所示。

  通用的经验法则是,对于低于1MHz 的频率来说,优选单点接地。假设信号是上升沿长、频率低的信号,频率介于1MHz 到10MHz 之间,这时也只有当最长的走线或接地引线 时,才可用单点接地,而且每条走线的线长都应考虑在内。多点接地可以减少噪音产生电路与0V 参考点之间的电感,原因是存在许多并行RF电流回路,即使在0 V 参考点上有许多并联接地线,仍旧可能会在两个接地引线之间产生接地环路。这些接地环路容易感应ESD磁场能量或者容易产生EMI 辐射。

  混合接地则是结合了单点接地和多点接地的综合应用,既包含了单点接地的特性,又包含了多点接地的特性。一般是在单点接地的基础上再通过一些电感或电容多点接地(如图8-7所示),它是利用电感、电容器件在不同频率下有不同阻抗的特性,使地线系统在不同的频率下具有不同的接地结构,主要适用于工作在混合频率下的电路系统。比如对于电容耦合的混合接地策略中,在低频情况时,对于直流,电容是开路的,等效为单点接地,而在高频下则利用电容对交流信号的低阻抗特性,电容是导通的,整个电路表现为多点接地。

  当许多相互连接的设备体积很大(设备的物理尺寸和连接电缆与任何存在的干扰信号的波长相比很大)时,就存在通过机壳和电缆的作用产生干扰的可能性。当发生这种情况时,干扰电流的路径通常存在于系统的地回路中。

  图a是一个系统工作在低频状态,系统串联单点接地。但这个系统暴露在高频强电场中,因此屏蔽电缆需要双端接地。所以,对于电缆中传输的低频信号,系统是单点接地的,而对于电缆屏蔽层中感应的高频干扰信号,系统是多点接地的。接地电容的容量一般在10nF以下,取决于需要接地的频率。要注意电容的谐振问题,在谐振点电容的容抗最小。

  图b所示的是一个系统受到地环路电流的干扰。如果将设备的安全地断开,地环路就被切断,可以解决地环路电流干扰。但是出于安全的考虑,机箱必须接到安全地上。所以,对于频率较高的地环路电流,地线Hz的交流电,机箱都是可靠接地的。

  浮地就是不接大地,设备地线系统在电气上与壳体构件的接大地系统相互绝缘,如图8-9所示,是一种悬浮的方式。其目的是将电路或设备与公共地或可能引起环流的公共导线隔离开来,从而抑制来自接地线的干扰。其优点是该电路不受大地电性能的影响;其缺点是该电路易受寄生电容的影响,而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰,因此浮地的效果不仅取决于浮地的绝缘电阻的大小,而且取决于浮地的寄生电容的大小和信号的频率;由于设备不与大地直接相连,容易出现静电积累现象,这样积累起来的电荷达到一定程度后,在设备和大地之间会产生具有强大放电电流的静电击穿现象,这是一种破坏性很强的干扰源。为此,在采用浮地方式时,应在设备与大地之间接一个电阻值很大的泄放电阻,以消除静电积累的影响。

  许多模拟电路工作在低频状态下,对于这些灵敏的电路,单点接地是最好的接地方式。接地的主要目的是防止来自其它噪声元件( 如数字逻辑器件电动机、电源、继电器) 的大接地电流争用敏感的模拟地线。模拟接地所要求的无噪声度依赖于模拟输入的灵敏度。例如,

  对于低电平的模拟放大器,要求10 μ V 输入信号的会比要求1 0 V 输入信号的更易受干扰。

  在高速数字电路中优先使用多点接地。它的主要目的是建立一个统一电位共模参考系统。许多数字环路并不会要求具有滤波作用的接地参考源。数字电路具有几百毫伏的噪声容限,并且能够承受数十到数百毫伏的接地噪声梯度。

  对于只有数字电路组成的印刷板的地线系统,将接地线做成闭合环路, 缩小电位差值,可以明显提高抗干扰能力。而对于较低频的模拟信号来说,考虑更多的是避免回路电流之间的互相干扰,所以不能接成闭环。

  电源线的布置要根据电流的大小尽量加粗走线宽度。在布线工作的最后,用地线将电路板没有走线的地方铺满(大面积) 。在接地时还需要避免共阻抗路径,如图8-10所示稳压器电路的“调整端的取样点”或“公共点”,千万不能接在有负载电流流过的输出线和公共地线上如图(a)所示,应从管脚’根部’单独另外用引线引出如图(b)所示。

  接地技术中还有一个很重要的部分就是数字电路与模拟电路的共地处理。一般说来,数字电路的频率高,而模拟电路的对噪声的敏感度强,正因为如此,高频的数字信号线要尽可能远离敏感的模拟电路器件,同样,彼此的信号回路也要相互隔离,这就牵涉到模拟和数字地的划分问题。一般的做法是,模拟地和数字地分离,只在某一点连接,这一点通常是在PCB板总的地线接口处,或者在数模转换器的下方,必要时可以使用磁性元件(如磁珠)连接,如图所示。

  要注意的是,在数模混合电路设计中不能让模拟地和数字地交叠,任何信号线都不能跨越地间隙或是分割电源之间的间隙(如图8-12所示)。

  另外,也有一种统一地的处理方法,也就是不进行地分割,但规定各自的范围,保证数字和模拟走线及回流不会经过对方的区域。这种策略一般实用于数模器件比例相当,并存在多个数模转换器件的情况,有利于降低地平面的阻抗,参考地线所示:

  在接地设计中还有个要点就是保证所有地平面等电位,要求同类地之间需要多个过孔紧密相连,而不同地(如模拟和数字地)之间的连接线也要尽量短一些。

  接地电阻越小越好,一般要求接地电阻小于4Ω;对于移动设备,接地电阻可小于10Ω。

  接地电阻由接地线电阻、接触电阻和地电阻组成。为此降低接地电阻的方法有以下三种:

  ②降低接触电阻,为此要将接地线与接地螺栓、接地极紧密又牢靠地连接并要增加接地极和土壤之间的接触面积与紧密度。

  ③降低地电阻,为此要增加接地极的表面积和增加土壤的导电率(如在土壤中注入盐水)。

  式中:ρ——土壤电阻率,Ω·m; L——接地极在地中的深度,m; d——接地极的直径,m。

  例如,黄土ρ取200Ω·m,L为2cm,d为0.05m,则垂直接地极接地电阻R为80.67Ω。如在土壤中注入盐水,使ρ降为20Ω·m时,则接地极接地电阻R为8.067Ω。

  地线上较常见的干扰就是地环路电流导致的地环路干扰。地线上的噪音主要对数字电路的地电平造成影响,而数字电路输出低电平时,对地线的噪声更为敏感。地线上的干扰不仅可能引起电路的误动作,还会造成传导和辐射发射。因此,减小这些干扰的重点就在于尽可能地减小地线的阻抗(对于数字电路,减小地线电感尤为重要)。印制线的电感与其长度和长度的对数成正比,与其宽度的对数成反比。因此,缩短导线的长度能有效地减小电感,而增加印制线的宽度对减小电感的作用则很有限。

  ②接地线应尽量加粗,地线宽度应是信号、控制线倍。如印制板条件允许,接地线 mm以上,元件引脚上的接地线 mm左右。

  ③接地线构成闭环路当只有数字电路组成的PCB时,其接地电路布线成团环路,大多能提高抗噪声能力。其原因在于: PCB 上有很多集成电路元件,尤其遇到能耗高的元件时,因受接地线粗细的限制,会产生较大的电位差,引起抗噪声能力下降,若将接地结构成环路,则会缩小电位差值,提高电子设备的抗噪声能力。

  ④CMOS运放电路的输入阻抗很高,且易受感应,在使用时对不用端要接地或接正电源。

  ⑥根据不同的电源电压,数字电路和模拟电路分别设置地线。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路,应使它们尽量分开,而两者的地线不要相混,分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。低频电路的地应尽量采用单点并联接地,实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地,地线应短而粗,高频元件周围尽量用栅格状大面积接地。

  ⑦对于数字电路,在双面板中设置地线网格,即在双面板的两面分别布置尽量多的平行地线,上下两层的平行线互相垂直。然后在交叉的地方用镀通孔连接。地线网格能有效减小信号电流的环路面积,有利于降低辐射。

  ⑨同时具有模拟和数字功能的电路板,模拟地和数字地的电源铜箔通常是分离的;两种铜箔只在电源处连接。但是这种分离方式就存在一个问题:信号线必须穿越铜皮边界线。这些边界线迫使信号回流到器件前首先到达电源。解决的方法是在信号穿越的地线铜箔处放置跳线。这些跳线在分离的铜箔中为信号回路提供桥梁,有助于缩小电流环路。

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