接地技術(shù)介紹 (二)
一、接地的拓撲結(jié)構(gòu)
接地基本形式有:浮地、單點接地、多點接地、混合接地。
1.1、浮地
采用浮地的目的是將設(shè)備或電路與公共地,或者可能引起環(huán)流的公共導體隔離開來。浮地還可以使不同電位的電路配合(通過光耦、變壓器)變得容易。
浮地的優(yōu)缺點:
浮地的優(yōu)點是電路與外部的地系統(tǒng)有良好的電氣隔離,不容易受到外部地系統(tǒng)上干擾的影響。
浮地的缺點是設(shè)備不與公共地直接連接,容易產(chǎn)生靜電積累,當電荷積累到一定程度,設(shè)備與公共地之間的電位差會引起強烈的靜電放電,成為破壞性很強的干擾源。作為折衷可在采用浮地的設(shè)備與公共地之間接一個阻值很大的電阻,以便泄放掉所積累的電荷。
1.2、單點接地
單點接地是在一個電路和設(shè)備中,只有一個物理點被定義為參考接地點,其他凡是需要接地的點都被連接到這一點上。單點接地分串聯(lián)單點接地、并聯(lián)單點接地。從噪聲觀點看,串聯(lián)單點接地是最差的接地方式,因任何導線都有電阻,流經(jīng)導線的電流都會在導線上產(chǎn)生壓降,造成相互間干擾。
單點接地的優(yōu)缺點:
單點串聯(lián)接地簡單,但存在共阻抗耦合。單點并聯(lián)接地不存在共阻抗耦合,但接地線過多,單點接地需考慮高頻下接地導線的特性(傳輸線效應(yīng))。
1.3、多點接地
多點接地是指設(shè)備(或系統(tǒng))中凡是需要接地的點都是直接接到離它最近的接地平面上(就近接地),以便使接地線的長度為最短,這里所說的接地平面可以是設(shè)備的底板、專用接地母線、甚至是設(shè)備的框架。
多點接地的優(yōu)缺點:
多點接地的優(yōu)點是它在高頻(≥10MHz)場合下應(yīng)用有上佳表現(xiàn)。多點接地的缺點是接地形式看似簡單,但對系統(tǒng)中的眾多接地線的維護提出了更高的要求。因為任何接地點上的腐蝕、松動都會使接地系統(tǒng)出現(xiàn)高阻抗使接地效果變差,多點接地還易產(chǎn)生地環(huán)路干擾。
1.4、混合接地
單點接地的優(yōu)點和多點接地的缺點,促使人們想到混合接地:即個別要求高頻接地的點選擇多點接地(就近接地),其余各點都采用單點接地。所謂混合接地:要求設(shè)計人員對系統(tǒng)各部分工作情況做分析,只將需要就近接地的點直接(或需要高頻接地的點通過旁路電容)與接地平面相連,而其余各點都采用單點接地的辦法。
減小接地阻抗的方法主要有:增加地線走線寬度(W),減小地線走線長度(L),采用網(wǎng)格接地方式,采用完整地平面方式。
二、地干擾問題分析
2.1、地環(huán)路干擾問題
地環(huán)路干擾是一種常見的干擾現(xiàn)象,常常發(fā)生在通過較長線纜連接的相距較遠的設(shè)備之間,其產(chǎn)生的內(nèi)在原因是地環(huán)路電流的存在。由于地環(huán)路干擾是由地環(huán)路電流導致的,因此在實踐中有時會發(fā)現(xiàn),當將一個設(shè)備的安全地線斷開時,干擾現(xiàn)象會消失,這是因為斷開了地線,就切斷了地環(huán)路。這種現(xiàn)象通常發(fā)生頻率較低的場合,當干擾頻率較高時,通常會出現(xiàn)共地阻抗干擾。
地環(huán)路干擾與接地點的位置及接地點的個數(shù)有直接的關(guān)系,是導致低頻 EMI 輻射干擾的重要因素之一。為了抑制地環(huán)路干擾,在接地設(shè)計時,必須進行恰當?shù)慕拥攸c的選擇,包括選擇接地點的位置和個數(shù)。
2.1.1、地環(huán)路干擾形成原因分析
地環(huán)路干擾形成的原因 1:兩個設(shè)備的地電位不同形成地電壓,在這個地電壓的驅(qū)動下,設(shè)備1—互聯(lián)電纜—設(shè)備 2—地形成的環(huán)路之間有電流流動。由于電路的不平衡性,每根導線上的電流不同,因此會產(chǎn)生差模電壓,對電路造成干擾。地線上的電壓是由于其它功率較大的設(shè)備也用這段地線,在地線中引起較強電流,地線又有較大阻抗產(chǎn)生的。
地環(huán)路干擾形成的原因2:由于互聯(lián)設(shè)備處在較強的電磁場中,電磁場在設(shè)備1—互聯(lián)電纜—設(shè)備2—地形成的環(huán)路中感應(yīng)出環(huán)路電流,與原因1的過程一樣導致干擾。
2.1.2、地環(huán)路干擾的解決思路
解決地環(huán)路干擾的基本思路有兩個:一個是減小地線的阻抗,從而減小干擾電壓。另一個是增加地環(huán)路的阻抗,從而減小地環(huán)路電流。當阻抗無限大時,實際是將地環(huán)路切斷,即消除了地環(huán)路。具體方法有:變壓器隔離、光耦隔離、共模扼流圈、平衡電路。
變壓器隔離:
光耦隔離:
共模電感:
平衡電路:
2.2、公共地阻抗干擾
公共阻抗干擾當兩個電路共用一段地線時,由于地線的阻抗,一個電路的地電位會受另一個電路工作電流的調(diào)制。這樣一個電路中的信號會耦合進另一個電路,這種耦合稱為公共阻抗耦合。
公共地阻抗干擾的解決思路
消除公共阻抗耦合的途徑有兩個,一個是減小公共地線部分的阻抗,這樣公共地線上的電壓也隨之減小,從而控制公共阻抗耦合。另一個方法是通過適當?shù)慕拥胤绞奖苊馊菀紫嗷ジ蓴_的電路共用地線,一般要避免強電電路和弱電電路共用地線,數(shù)字電路和模擬電路共用地線。
2.3、地彈問題
2.3.1、什么是地彈
地彈就是地噪聲。低頻時地噪聲主要是因為構(gòu)成地線的導體有〝電阻〞,電路系統(tǒng)的電流都要流經(jīng)地線而產(chǎn)生的電位差波動。高頻時地噪聲主要是因為構(gòu)成地線的導體有〝電感〞,電路系統(tǒng)的快速變化電流經(jīng)過這個 〝電感時〞,〝電感〞兩端激發(fā)出更強的電壓波動,形象的稱為〝?shù)貜棬暋?/p>
2.3.2、地彈的危害
ü地彈會使其它信號耦合噪聲,造成有用信號被干擾。
ü地彈會導致嚴重的輻射問題。
ü地彈會造成參考地電位的急劇變化,信號會因參考電位不穩(wěn)定導致傳輸錯誤。
ü低供電芯片會因地彈無法正常工作。
2.3.3、如何解決地彈
解決〝?shù)貜棬暚F(xiàn)象的最直接最有效的方法是,采用多層板設(shè)計,多層板可以提供完整的參考地平面,則相對而言地平面寄生電感較小,電流流過參考地平面時,地電壓波動就較小,系統(tǒng)工作就會更穩(wěn)定。
三、參考平面&PCB 疊層設(shè)計
3.1、參考平面的作用
3.1.1、什么是參考平面
參考平面為高頻電流提供一個返回源頭的低阻抗路徑(通量對消或通量最小化);為
不同電路之間提供基準參考電位點。電源平面、地平面均能用作參考平面,電源平面作為
參考平面時有較高的阻抗,而地平面作為基準參考電平,阻抗相對較低,其回流效果遠遠
優(yōu)于電源平面,因而在選擇參考平面時,應(yīng)優(yōu)選地平面。
3.1.2、參考平面設(shè)計的原理
磁通對消原理:根據(jù)麥克斯韋方程,磁通總是在傳輸線中傳播的,如果射頻回流路徑平行靠近其相應(yīng)的信號路徑,則回流路徑上的磁通(順時針場)與信號路徑上的磁通(逆時針場)是方向相反的,那么順時針場和逆時針場相互疊加,則得到了通量對消的效果。
為消除PCB中的射頻能量,在PCB設(shè)計中必須采用磁通量對消或磁通量最小化技術(shù)。PCB層疊EMC規(guī)劃與設(shè)計的思路就是合理規(guī)劃信號回流路徑,使得磁通對消。
3.1.3、參考平面與回流路徑
當使用電源平面、地平面做為參考平面時,微帶線因為信號布線與參考平面之間緊密耦合的緣故,回返電流會在參考平面上布線的直接正下方(或正上)流動。對稱帶狀線回返電流平均使用上下兩個平面。非對稱帶狀線常見于多層板,大部分的回流電流流經(jīng)靠其最近的參考平面。
3.1.4、三種常見 PCB 設(shè)計參考平面換層形式
v信號換層,參考層不變:
此種情況下回返電流將在同一參考平面層流動,不需要加任何處理措施。
v信號換層,參考層由一個地平面換到另一個地平面:
此種情況下回返電流在兩個地平面上流動,則必須在布線換層的過孔附近設(shè)置一個地過孔連接兩個地層。
v信號換層,參考層由地平面換到電源平面:
此種情況下回返電流分別在電源平面和地平面流動, 則必須在布線換層的過孔附近設(shè)置去耦合電容將地層與電源層連接起來。
3.2、PCB 疊層設(shè)計
3.2.1、PCB 疊層設(shè)計的基本規(guī)則
PCB疊層設(shè)計不是層的簡單堆疊,信號回流面積最小化是關(guān)鍵,它與信號層、地層、電源層的安排有關(guān),一般應(yīng)按以下原則進行疊層設(shè)計。
ü信號回流面積最小化(尤其是高速信號)
ü?jié)M足信號的特性阻抗(尤其是高速信號)
ü?jié)M足參考平面完整性原則。
ü電源平面層緊鄰地平面層
3.2.2、推薦 PCB 疊層設(shè)計
推薦的四層板疊層設(shè)計:
上述疊層設(shè)計,信號布線均有完整的參考平面,同時電源層與地層相鄰,電源層也具備完整參考地平面,需要特別注意的是電源層不同電源分隔時信號參考的完整性。
推薦的六層板疊層設(shè)計:
上述疊層設(shè)計,信號布線均有完整的參考平面,同時電源層與地層相鄰,電源層也具備完整參考地平面,需要特別注意的是電源層不同電源分隔時信號參考的完整性。