PCB设计中单点接地和多点接地

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单点接地要解决的问题就是针对“公共地阻抗耦合”和“低频地环路”。

多点接地是针对“高频所容易通过长地走线产生的共模干扰”。

低频电路中,信号的工作频率小于 1MHz,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用一点接地。

当信号工作频率大于 10MHz 时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。

当工作频率在 1~10MHz 时,如果采用一点接地,其地线长度不应超过波长的 1/20,否则应采用多点接地法。

数字地与模拟地之间单点接地,数字地之内多点接。

地线干扰与地线设计

 地线设计是电磁兼容设计中大家都很注意,却又不知道应该怎样去做的一个问题。了解了地线造成干扰问题的机理之后,在设计和实施地线时就有了一个明确的思路。本期从介绍地线造成干扰的原理入手,使读者了解设计地线的关键和原则。

什么是地线:

 地线有安全地和信号地两种。前者是为了保证人身安全、设备安全而设置的地线,后者是为了保证电路正确工作所设置的地线。造成电路干扰现象的主要是信号地,因此这里仅讨论信号地的问题。

信号地的一般定义是:电路的电位参考点。更恰当地说,这个定义是我们设计电路时的一个假设。从这个定义是无法分析和理解一些地线干扰问题的。

 地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。既然地线是电流的一个路径,那么根据欧姆定律,地线上是有电压的;既然地线上有电压,说明地线不是一个等电位体。这样,我们在设计电路时,关于地线电位一定的假设就不再成立,因此电路会出现各种错误。这就是地线干扰的实质。

地线的阻抗有多大:

 一个难以理解的问题是,我们在设计地线时,都使地线的电阻很小,那么地线上的电位差怎么会大到导致电路出错的程度。

理解这个问题,要理解地线阻抗的组成。

 地线的阻抗 Z 由电阻部分和感抗部分两部分组成,即:Z = RAC + jωL。

 电阻成分:导体的电阻分为直流电阻 RDC 和交流电阻 RAC。对于交流电流,由于趋肤效应,电流集中在导体的表面,导
致实际电流截面减小,电阻增加,直流电阻和交流电阻的关系如下:

 RAC= 0.076rf1/2RDC 

式中:r=导线的半径,单位 cm,f=流过导线的电流频率,单位 Hz, RDC= 导线的直流电阻,单位 Ω。
 电感成分:任何导体都有内电感(这区别于通常讲的外电感,外电感是导体所包围的面积的函数),内电感与导体所包围的面积无关。对于圆截面导体如下:

 L=0.2S[ln(4.5/d) -1] (μH)

式中 S=导体长度(m),d=导体直径(m) 

 说明了直流电阻与交流阻抗的巨大差异。频率很低时的阻抗可以认为是导体的电阻,从表中可以看出,随着频率升高,阻抗增加很快,当频率达到 100MHz 以上时,直径 6.5mm 长度仅为 10cm 的导线也有数十欧姆的阻抗。

地环路干扰及对策:

 地环路干扰是一种较常见的干扰现象,常常发生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间。其产生的内在原因是设备之间的地线电位差。地线电压导致了地环路电流,由于电路的非平衡性,地环路电流导致对电路造成影响的差模干扰电压。

 由于地环路干扰是由地环路电流导致的,因此在实践中,有时会发现,当将一个设备的地线断开时,干扰现象消失,这是因为地线断开时,切断了地环路。这种现象往往发生在干扰频率较低的场合,当干扰频率高时,短开地线与否关系不大。

地环路干扰形成的原因 :

1. 两个设备的地电位不同,形成地电压,在这个电压的驱动下,“设备 1-互联电缆-设备 2- 地”形成的环路之间有电流流动。由于电路的不平衡性,每根导线上的电流不同,因此会产生差模电压,对电路造成干扰。地线上的电压是由于其他功率较大的设备也用这段地线,在地线中引起较强电流,而地线又有较大阻抗产生的。

2. 由于互联设备处在较强的电磁场中,电磁场在“设备 1 - 互联电缆 - 设备 2 - 地”形成的环路中感应出环路电流,与原因 1 的过程一样导致干扰。

3. 解决地环路干扰的方法:解决地环路干扰的基本思路有三个:一个是减小地线的阻抗,从而减小干扰电压,但是这对第二种原因导致的地环路没有效果。另一个是增加地环路的阻抗,从而减小地环路电流。当阻抗无限大时,实际是将地环路切断,即消除了地环路。例如将一端的设备浮地、或将线路板与机箱断开等是直接的方法。但出于静电防护或安全的考虑,这种直接的方法在实践中往往是不允许的。更实用的方法是使用隔离变压器、光耦合器件、共模扼流圈、平衡电路等方法。第三个方法是改变接地结构,将一个机箱的地线连接到另一个机箱上,通过另一个机箱接地,这就是单点接地的概念。

公共阻抗耦合及对策

 当两个电路的地电流流过一个公共阻抗时,就发生了公共阻抗耦合。一个电路的地电位会受到另一个电路工作状态的影响,即一个电路的地电位受另一个电路的地电流的调制,另一个电路的信号就耦合进了前一个电路。

 放大器级间公共地线耦合问题:图 2(a) 中的放大器,由于前置放大电路与功率放大电路共用一段地线,功率放大电路的地线电流很大,因此在地线上产生了较大的地线电压 V。这个电压正好在前置放大电路的输入回路中,如果满足一定的相位关系,就形成了正反馈,造成放大器自激。

 解决办法:可以有两个解决办法,一个是将电源的位置改变一下,使它*近功率放大电路,这样,就不会有较大的地线电压落在前置放大电路的输入回路中了。另一个办法是功率放大电路单独通过一根地线连接到电源,这实际是改成了并联单点接地结构。

接地策略:

单点接地:所有电路的地线接到公共地线的同一点,进一步可分为串联单点接地和并联单点接地。最大好处是没有地环路,相对简单。但地线往往过长,导致地线阻抗过大。

 多点接地:所有电路的地线就近接地,地线很短,适合高频接地。问题是存在地环路。

 混合接地:在地线系统内使用电感、电容连接,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具有不同的接地结构。

 串联单点接地容易产生公共阻抗耦合的问题,解决的方法是采用并联单点接地。但是并联单点接地往往由于地线过多,而没有可实现性。因此,灵活的方案是,将电路按照信号特性分组,相互不会产生干扰的电路放在一组,一组内的电路采用串联单点接地,不同组的电路采用并联单点接地。

文章来源:网络

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