電路中“地”之深究——克服電磁干擾

印刷電路板上,電源線和地線最重要。克服電磁干擾,最主要的手段就是接地。

對於雙面板,地線佈置特別講究,通過採用單點接地法,電源和地是從電源的兩端接到印刷線路板上來的,電源一個接點,地一個接點。印刷線路板上,要有多個返回地線,這些都會聚到回電源的那個接點上,就是所謂單點接地。所謂模擬地、數字地、大功率器件地開分,是指佈線分開,而最後都彙集到這個接地點上來。與印刷線路板以外的信號相連時,通常採用屏蔽電纜。對於高頻和數字信號,屏蔽電纜兩端都接地。低頻模擬信號用的屏蔽電纜,一端接地爲好。對噪聲和干擾非常敏感的電路或高頻噪聲特別嚴重的電路應該用金屬罩屏蔽起來。

關於一點接地與多點接地的理解:

1.單點接地——單點接地是整個系統中,只有一個物理點被定義爲接地參考點,其他各個需要接地的點都連接到這一點上。單點接地適用於頻率較低的電路中(1MHZ以下)。若系統的工作頻率很高,以致工作波長與系統接地引線的長度可比擬時,單點接地方式就有問題了。當地線的長度接近於1/4波長時,它就象一根終端短路的傳輸線,地線的電流、電壓呈駐波分佈,地線變成了輻射天線,而不能起到“地”的作用。爲了減少接地阻抗,避免輻射,地線的長度應小於1/20波長。在電源電路的處理上,一般可以考慮單點接地。對於大量採用的數字電路的PCB,由於其含有豐富的高次諧波,一般不建議採用單點接地方式。

2.多點接地是指設備中各個接地點都直接接到距它最近的接地平面上,以使接地引線的長度最短。多點接地比較適合於大於10MHz的電路中,在數模混合的電路中可以採用單點接地和多點接地結合的方法。

3.一般,模擬採用1點接地。數字的要多點接地。大電流地和小的分開走,不要有相通的地方。

4.一點接地:簡單的講就是將所有單元電路的地都接在一個地方,每個單元電路都拉一個地線過去,各個單元電路的地不管交流還是直流狀態下,都沒有共用的接地原則

1)一點接地和多點接地的應用原則

高頻電路應就近多點接地,低頻電路應一點接地。

2)交流地與信號地不能共用

3)浮地和接地的比較

全機浮空方法簡單,但全機與地的絕緣電阻不能小於50 MΩ。

4)數字地

印刷板中的地線應成網狀,而且其它佈線不要形成環路。

5)模擬地

一般採用浮空隔離。

6)功率地

應與小信號地線分開,並與直流地相連。

7)信號地(傳感器的地)

傳感器的地,一般以5Ω導體(接地電阻)一點接地,這種地不浮空。

8)屏蔽地

這類地用於對電場的屏蔽。

 ................................引用一篇好文章,感謝原作者(武曄卿 )........................

接地是電路設計中最基礎的內容,但又是幾乎沒人說得清的,幾乎每次的培訓和交流都會有人問到“老師,有沒有一種通用的接地方法可以參考啊?”如果想知道這個問題的答案,請繼續耐着性子讀下去。我先給出一個斬釘截鐵的答案:“沒有”。那咋辦呢,我們總不能像中國的廚師一樣,教徒弟炒菜時,用到的配料都是“少許”“顏色微黃”“微焦”等感覺性詞語吧,當然不是。爲了更好的明瞭接地的技巧方法,下文中將不再講究任何的文字技巧,而是一針見血的道出接地問題的本質來。

接地方式←接地目的←接地的功能,所以採取哪種接地方式,要看地是哪類地,這類地的作用目的是什麼,這兩個問題解決了,接地方式則可水到渠成。接地的目的決定了接地方式。同樣的電路,不同的目的,可能都要採取不同的接地方式。這個觀點一定記住。比如同樣的電路,用在便攜設備上,靜電累積泄放不掉,接地的目的是地電位均衡;用在不可移動的設備上,一般會有安全接地措施,對靜電泄放的接地目的是導通阻抗足夠低,尤其是對於尖峯脈衝的高頻導通阻抗。

一下講解地的注意事項分成幾個獨立的觀點分別介紹,每一條的內容雖然簡單,建議一定反覆讀上N遍,象面對一杯好茶,讓心跳在60bpm以下的狀態,細細的品,感覺其中的美感和內涵。然後纔可能從簡單的詞語中悟出深刻的道理來。

1、 從性能分,接地分成四類:

安全接地、工作接地(數字地、模擬地、功率器件地)、防浪涌接地(雷擊浪涌、上電浪涌)、防靜電接地。前文書中講過,“接地的目的決定了接地方式”,目的即指其實現的功能。基本上所有的接地都可以歸結到這四類裏面來。每個接地前都要先明確該接地屬於哪一種。

2、 接地追求的目標是地阻抗低、地穩定、地均衡。

地阻抗低很好理解,用粗的線纜即可,但有一個問題一定不能忽視,比如我通過一個大電感接地了,如果地線上跑的地電流的波動頻率是0.00000001Hz,這個大電感的感性效應表現得就很不明顯,等同於直接接地了,但如果波動電流是1000000Hz的話,感抗=j ω L=j 2 π f L,就顯得很大了,這種情況下,相當於高頻接地很差。各位看官可能會說了,你胡來吧你,誰會用個大電感接地呢,第一是在某種狀態下會有這種方式的,第二是即使不這樣接個電感,普通電纜的走線電感在高頻下也是不容忽視的。總結爲一句話,低頻接地 ≠ 高頻接地。即低阻抗的接地要分析是屬於高頻還是低頻的接地。

地穩定是比較好理解的,一般來說,接地阻抗足夠低的話,地電流瀉放容易,且不會在底線上產生啥子壓降,就如一個超大的電容,電荷的海洋,具有無限寬廣的胸懷,多少進來都波瀾不驚。地均衡比較容易被忽視,對於一個信號來說,有用部分是兩條線上的壓差,如果地線漂移了,兩條線上對地線的壓差同等的上升或下降,即差模電壓值維持不變,共模電壓發生變化,其實電路功能是照常實現的。就像水漲船高,您比我高3cm,站在船上,船上浮了,您依然還是高我3cm。這種情況在靜電防護的時候常用到,一個靜電脈衝通過空氣打到電路板上,針對局部的電路,距離遠近的不同,肯定會導致產生靜電感應的壓差。這時候用一塊金屬板隔一下的話,即使該金屬板浮空,對金屬板後面的電路板來說,感應的將是均勻的電場,雖然感應干擾仍然存在,但起碼電路上是基本均衡的。當然如果此金屬板接地更好啦。當然共模電壓一般不會維持住,因爲傳輸線的阻抗不均勻,往往會轉成差模電壓干擾,地均衡的問題最好不要讓我們面對,但沒辦法的時候,如浮地設備,不得不受到靜電衝擊的電路板,防護時候要考慮地均衡問題。

3、 共地阻抗耦合干擾

共地阻抗耦合干擾是接地裏面每天都要面對的核心問題,並且幾乎逃避不開。就像電影院裏散場的時候,你從最裏頭的一號廳出來,沒幾個人,走來很通暢,突然二號廳也散場了,一下子通道就擁擠了,再繼續前行,壞了,三號廳正在放觀衆入場,一下子,人流就波動起來了。這和共地阻抗是一個原理,通道相當於地線,人相當於電流。如果一、二、三號廳流動的人差不多,相互之間影響不太大,但如果3號廳是大廳,人員是一、二號廳的好多倍,那進出三號廳的人員將會對一、二號廳人員流動速度的影響很大。一、二、三號艇的客人都要走過的這段路就成了共地阻抗。

以下圖爲例,圖1中,RAB段的電阻就是共地阻抗部分,流過這段的地電流IoIaId三部分在這段會相互影響;如果這三個電流差別較大,差出了1-2個數量級的話,相互之間的影響就不可以忽視了,尤其是某個弱地電流支路是用於定量測量、放大或AD轉換電路的時候;圖2則把Id對另外兩個之路的影響隔離掉了;圖3則是三個地電流全部分別隔離了。


4、較通用型的接地方法

這個標題用了個“較”字,是有原因的,因爲通用的接地方法根本不存在,這只是個基礎的模型,真正使用中的時候,還需要結合實際情況靈活變通處理,就像語言,同樣一句話“你討厭”,用不同語氣講出的時候,傳遞的信息可是千差萬別。 基本思路是,在設計上,把安全保護地、工作數字地、工作模擬地、工作功率地、雷擊浪涌地、屏蔽地先確保各自獨立的單獨連接,最後在系統聯調的時候,再根據各地之間要解決的問題,即根據接地的目的,將這幾個地按照下列的之間的聯接方式處理下,連接方式包括:

a地——地間黃綠導線直聯

這種接法最好理解,就是簡單的使兩個地可靠的低阻抗導通。但切記,此種接法僅限於中低頻信號電路地之間的接法。因爲這類導線上有一定的走線電感和走線電阻,對高頻波動地電流,在電感作用下,電纜起到的是大阻抗的作用,相當於低頻接地,高頻下大阻抗接地了,基本不能實現高頻下的可靠導通。

b地——地間寬扁平電纜直聯

扁平電纜主要是解決上面導線直聯不能解決的問題,靜電測試工作臺的接地電纜不用直線就是這個道理,它在高頻下可以實現地阻抗對地導通。

c地——地間大電阻連接

大電阻的特點是一旦電阻兩端出現壓差,就會產生很弱的導通電流,把地線上電荷瀉放掉之後,最終實現兩端的壓差=0V,這個特點在希望電荷瀉放,但又不希望快速瀉放的時候,會表現得淋漓盡致。生產工作現場的防靜電臺墊,導通電阻一般是106-109歐,就是這個目的。防靜電臺墊相當於是工作電路板的地與保護大地間的大電阻。 c地——地間電容連接 電容的特性是直流截止,交流導通,對希望實現這類功能的場合可以考慮採取此方法。比如一個開關電源供電的產品,外殼和保護接地連接,裏面的電路板上的地有雜亂波動干擾,但又無處瀉放的話,在24V12V5V等的直流電源地與保護接地間跨接大電容,波動可以被瀉放掉,但直流成分能保證是較穩的;注意,這種情況下,保護地和外殼地的穩定不能保證的話,效果可能會適得其反哦。

d地——地間磁珠連接

在這裏,磁珠的特性需要明確一下,很多工程師經常把磁珠與電感劃等號,這是根本性錯誤。磁珠等同於一個隨頻率變化的電阻,它表現的是電阻特性,是耗損性質的;電感則是儲能性質的,相當於銷峯填谷。所以跨接磁珠的地之間一般是有快速小電流波動的狀態,因爲磁珠會飽和,電流太大了,它消耗不了。一般用在弱信號的地——地之間。

e地——地間電感連接

電感具有抑制電路狀態變化的特性,通過電感的連接,可以銷峯填谷,對於有較大電流波動的地——地,跨接電感可以解決這個問題。

f地——地間小電阻連接

小電阻要解決的問題是增加了一個阻尼,阻礙地電流快速變化的過沖,在電流變化時候,使衝擊電流上升沿變緩,相當於晶振輸出端、總線輸出端爲減少過沖振鈴的匹配電阻。

5、 安全地、防雷擊浪涌接地的接法

因爲雷擊浪涌、安全地的電流一般會遠大於信號電流對人的危害,這兩個接地建議分別單獨接到大地,在真正的大地處單點相接,尤其是防雷擊接地。

這篇文章耗時大約月餘,各種思路一直盤旋於心,卻有無從做起,在我的身上,也印證了接地這個問題與我們的關係,最熟悉又最陌生,最簡單又最複雜,最易上路又最難達到終點。希望通過粗淺的總結,爲我們浮在雲裏霧端的接地設計提供一個落地的雲梯,使接地的設計真正能接到地氣上來

發佈了41 篇原創文章 · 獲贊 27 · 訪問量 31萬+
發表評論
所有評論
還沒有人評論,想成為第一個評論的人麼? 請在上方評論欄輸入並且點擊發布.
相關文章