PCB設(shè)計(jì)中考慮EMC的接地技巧

PCB設(shè)計(jì)中，接地是抑制噪聲和防止干擾的重要措施。接地是借以確保在任何時(shí)候均能即時(shí)釋放電能而不發(fā)生危險(xiǎn)的與金屬船體或非金屬船的船底金屬接地板的電氣連接。

根據(jù)PCB電路的不同，有不同的接地方法，只有正確的接地才能減少或避免PCB電路間的相互干擾。日常中主要的接地方式有兩種：?jiǎn)吸c(diǎn)接地和多點(diǎn)接地。如何在考慮EMC的前提下正確的接地是本文中我們將主要討論的問題，希望對(duì)電子PCB設(shè)計(jì)人員有所提醒。

一、接地干擾消除

在有些情況下，地線阻抗帶來的干擾無法避免，尤其對(duì)電子設(shè)備理想情況下地線阻抗為零，它不僅是PCB電路中信號(hào)電平的參考點(diǎn)，而且當(dāng)有電流通過它時(shí)不應(yīng)產(chǎn)生壓降在具體的電子設(shè)備內(nèi)，這種理想地線是不存在的地線既有電阻又有電抗，當(dāng)有電流邁過時(shí)必然產(chǎn)生壓降另一方面，地線還有可能利其他線路(信號(hào)線，電源線)形成環(huán)路當(dāng)交變磁場(chǎng)與環(huán)路交鏈時(shí)，就會(huì)在地線中感應(yīng)電勢(shì)不論是地線流過的電流在地線上產(chǎn)生的壓降，還是地環(huán)路所引起的感應(yīng)屯勢(shì)，都會(huì)使公用地線的各個(gè)PCB電路單元產(chǎn)生相互干擾如何抑制地線干擾也就成為電磁兼容性PCB設(shè)計(jì)的一個(gè)重要課題根據(jù)地線干擾形成的機(jī)理，減小地線干擾的措施可歸納為：模擬接地與數(shù)字接地分離，減小地線阻抗和屯源饋線阻抗、選擇合適的接地方式，阻隔地環(huán)路等地線中的干擾電壓除與流過地線中的電流有關(guān)外，還與地線的阻抗有關(guān)地線阻抗包括電阻和電感

ZG＝RG十jwL (1)

如欲減少ZG，就得減少RG和L但交流電在流經(jīng)導(dǎo)體截面時(shí)并不像直流那樣在導(dǎo)體上均勻分布，由于趨膚效應(yīng)，電流集中于表面，使導(dǎo)體有效載流面積小于甚至遠(yuǎn)小于導(dǎo)體的真實(shí)截面積因此同一導(dǎo)體在直流、低頻和高頻情況下所呈現(xiàn)的阻抗不同；而導(dǎo)體的電感同樣與導(dǎo)體半徑、長(zhǎng)度以及信號(hào)頻率有關(guān)PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)不同頻率下的導(dǎo)體阻抗來選擇導(dǎo)體截面大小，并盡可能使地線加粗和縮短。

二、接地方式的一般選取原則

對(duì)于給定的設(shè)備或系統(tǒng)，在所關(guān)心的最高頻率（對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為）入上，當(dāng)傳輸線的長(zhǎng)度L〉入，則視為高頻PCB電路，反之，則視為低頻PCB電路。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，對(duì)于低于1MHZ的PCB電路，采用單點(diǎn)接地較好；對(duì)于高于10MHZ，則采用多點(diǎn)接地為佳。對(duì)于介于兩者之間的頻率而言，只要最長(zhǎng)傳輸線的長(zhǎng)度L小于/20 入，則可采用單點(diǎn)接地以避免公共阻抗耦合。

對(duì)于接地的一般選取原則如下：

（1）低頻PCB電路（<1MHz），建議采用單點(diǎn)接地；

（2）高頻PCB電路（>10MHz），建議采用多點(diǎn)接地；

（3）高低頻混合PCB電路，混合接地。

三、接地方式

1. 單點(diǎn)接地

單點(diǎn)接地是整個(gè)系統(tǒng)中，只有一個(gè)物理點(diǎn)被定義為接地參考點(diǎn)，其他各個(gè)需要接地的點(diǎn)都連接到這一點(diǎn)上。

單點(diǎn)接地適用于頻率較低的PCB電路中（1MHZ以下）。若系統(tǒng)的工作頻率很高，以致工作波長(zhǎng)與系統(tǒng)接地引線的長(zhǎng)度可比擬時(shí)，單點(diǎn)接地方式就有問題了。當(dāng)?shù)鼐€的長(zhǎng)度接近于1/4波長(zhǎng)時(shí)，它就象一根終端短路的傳輸線，地線的電流、電壓呈駐波分布，地線變成了輻射天線，而不能起到“地”的作用。

為了減少接地阻抗，避免輻射，地線的長(zhǎng)度應(yīng)小于1/20波長(zhǎng)。在電源PCB電路的處理上，一般可以考慮單點(diǎn)接地。對(duì)于大量采用的數(shù)字PCB電路的PCB，由于其含有豐富的高次諧波，一般不建議采用單點(diǎn)接地方式。

2. 多點(diǎn)接地

多點(diǎn)接地是指設(shè)備中各個(gè)接地點(diǎn)都直接接到距它最近的接地平面上，以使接地引線的長(zhǎng)度最短。

多點(diǎn)接地PCB電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，接地線上可能出現(xiàn)的高頻駐波現(xiàn)象顯著減少，適用于工作頻率較高的（>10MHZ）場(chǎng)合。但多點(diǎn)接地可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部形成許多接地環(huán)路，從而降低設(shè)備對(duì)外界電磁場(chǎng)的抵御能力。在多點(diǎn)接地的情況下，要注意地環(huán)路問題，尤其是不同的模塊、設(shè)備之間組網(wǎng)時(shí)。地線回路導(dǎo)致的電磁干擾

理想地線應(yīng)是一個(gè)零電位、零阻抗的物理實(shí)體。但實(shí)際的地線本身既有電阻分量又有電抗分量，當(dāng)有電流通過該地線時(shí)，就要產(chǎn)生電壓降。地線會(huì)與其他連線（信號(hào)、電源線等）構(gòu)成回路，當(dāng)時(shí)變電磁場(chǎng)耦合到該回路時(shí)，就在地回路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并由地回路耦合到負(fù)載，構(gòu)成潛在的EMI威脅。

3. 浮地

浮地是指設(shè)備地線系統(tǒng)在電氣上與大地絕緣的一種接地方式。

由于浮地自身的一些弱點(diǎn)，不太適合一般的大系統(tǒng)中，其接地方式很少采用。

四、結(jié)束語(yǔ)

負(fù)載地線和交流地線上都有很大電流通過，這些大電流地線與信號(hào)地應(yīng)分開設(shè)置，同時(shí)大電流地線應(yīng)粗些，通常應(yīng)采用匯流排或粗導(dǎo)線各類地線應(yīng)分開布線，然后，同一類地線分別短接后，再接到共同的接地點(diǎn)若它們之間有的不允許直接相連時(shí)，可在兩者之間加接1—10uf的電容器為了達(dá)到較好的效果，常把銅網(wǎng)埋人地面深處，然后用銅排接到共同的接地點(diǎn)。

正確選擇一點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地當(dāng)頻率低于1MHz也時(shí)，應(yīng)采用一點(diǎn)接地；當(dāng)頻率高于10MHz也時(shí)，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地；當(dāng)工作頻率在1—10MHz也時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng)度不應(yīng)超過波長(zhǎng)的1／20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地應(yīng)采用對(duì)稱、平衡結(jié)構(gòu)PCB電路及雙絞屏蔽線作傳輸線，使兩線得到的地噪聲及其它干擾相等，可以在輸入端相互抵消屏蔽導(dǎo)線的屏蔽層應(yīng)一端接地，接地點(diǎn)應(yīng)是放大器公共端或信號(hào)源公共端PCB電路板上既有高速邏輯PCB電路又有線性PCB電路，應(yīng)使它們盡量分開，而兩者地線不要相混，分別與電源端地線相連，盡量加大線性PCB電路地線的截面積，使它能通過三倍于印制電路板的電流，如有可能，接地線的線徑應(yīng)大于3mm。