電路設計 - 電路板設計過程中地線干擾的控制方法

電路板設計過程中地線干擾的控制方法

1、地線定義

PCB工廠：什麼是地線? 每個人在教科書中學習的地線的定義是：地線是用作電路電勢參考點的等電位體. 這個定義不符合實際情況. 實際接地線上的電位不是恒定的. 如果使用儀錶量測地線上各點之間的電位, 您會發現地線上各點的電位可能會有很大的變化. 正是這些電位差導致電路工作异常. 將電路定義為等電位體只是人們對地電位的期望. 亨利對地線給出了更現實的定義. 他將地線定義為訊號流回到源的低阻抗路徑. 此定義突出顯示地線中的電流. 根據這個定義, 很容易理解地線中電位差的原因. 因為地線的阻抗永遠不會為零, 當電流通過有限阻抗時, 將出現電壓降. 因此, 我們應該把地線上的電位想像成海洋中的波, 一個接一個. (PCB設計)

2、接地阻抗

討論地線阻抗引起的地線上各點之間的電位差可能導致電路故障, 許多人覺得不可思議：當我們用歐姆錶量測地線的電阻時, 地線的電阻通常為毫歐級. 當電流流過這麼小的電阻時，怎麼會出現這麼大的電壓降, 導致電路運行异常.

3 Ground interference mechanism

3.1兩條電路共用一段地線時的共同阻抗干擾, 由於地線的阻抗，一個電路的接地電位將由另一個電路的工作電流調製. 這種電路中的訊號將耦合到另一個電路中, 這種耦合稱為共阻抗耦合.

在數位電路中，由於訊號的頻率很高，接地線通常呈現大阻抗。 此時，如果有不同的電路共亯一段接地，則可能出現共阻抗耦合問題

4、接地干擾對策4.1接地回路對策從接地回路干擾的機理來看，只要减小接地回路中的電流，就可以减小接地回路的干擾。 如果能够完全消除接地回路中的電流，則可以徹底解決接地回路干擾問題。 囙此，我們提出以下解决接地回路干擾的方法。

A、浮動一端設備如果一端電路浮動，接地回路將被切斷，從而消除接地回路電流。 但有兩個問題需要注意。 一是出於安全原因，電路通常不允許浮動。 此時，考慮通過電感器將設備接地。 這樣，對於50Hz交流電流設備，接地阻抗很小，對於頻率較高的干擾訊號，設備接地阻抗較大，從而减小了接地回路電流。 但這樣做只能减少高頻干擾的地環干擾。 另一個問題是，儘管設備是浮動的，但設備和接地之間仍然存在寄生電容。 該電容將在較高頻率下提供較低的阻抗，囙此無法有效降低高頻接地回路電流。

B、使用變壓器實現設備之間的連接。 使用磁路連接兩個設備以切斷接地回路電流。 但需要注意的是，一次和二次變壓器之間的寄生電容仍然可以為高頻接地回路電流提供通道，囙此變壓器隔離方法對高頻接地回路電流的抑制效果較差。 提高變壓器高頻隔離效果的一種方法是在變壓器的一級和二級之間安裝遮罩層。 但必須注意的是，隔離變壓器遮罩層的接地端必須位於接收電路的一端。 否則，不僅不能改善高頻隔離效果，還可能使高頻耦合更加嚴重。 囙此，變壓器應安裝在訊號接收裝置的側面。 遮罩良好的變壓器可在低於1MHz的頻率下提供有效隔離。

C、使用光隔離器另一種切斷接地回路的方法是使用光來實現訊號傳輸。 這可以說是解决接地回路干擾問題的最理想管道。 光連接有兩種方法，一種是光耦器件，另一種是光纖連接。 光耦的寄生電容通常為2pf，可以在非常高的頻率下提供良好的隔離。 光纖幾乎沒有寄生電容，但在安裝、維護和成本方面都不如光耦器件。

D、使用共模扼流圈。 在連接電纜上使用共模扼流圈相當於新增接地回路的阻抗，以便在一定的接地電壓下，接地回路電流將减小。 但要注意控制共模扼流圈的寄生電容，否則對高頻干擾的隔離效果很差。 共模扼流圈數越多，寄生電容越大，高頻隔離效果越差。

4.2消除共阻抗耦合消除共阻抗耦合有兩種方法. 一是降低公共接地線的阻抗, 這樣公共接地線上的電壓也會降低, 從而控制公共阻抗耦合. 另一種方法是通過正確接地避免容易相互干擾的電路的公共接地線. 通常地, 避免强弱電流電路的公共接地線, 數位電路和類比電路的公共接地線. 如前所述, 降低地線阻抗的覈心問題是降低地線的電感. 這包括使用扁平導體作為地線, 使用多個相距很遠的平行導體作為地線. 對於 印刷電路板, 在雙層板上鋪設接地網可以有效降低地線阻抗. 在一個 多層板, 一層特殊的地線阻抗很小, 但這會新增電路板的成本. . 通過適當的接地方法避免共同阻抗的接地方法是並聯單點接地. 並聯接地的缺點是接地線太多. 因此, 在實踐中, 所有電路無需與單點接地並聯. 對於相互干擾較小的電路, 可採用單點串聯接地. 例如, 電路可根據强訊號進行分類, 微弱訊號, 類比信號, 數位信號, 等., 然後在類似電路內採用單點串聯接地, 不同類型電路的單點並聯接地.

5、總結PCB中地線引起電磁干擾的主要原因是地線的阻抗。 當電流流過接地線時，接地線上將產生電壓，這就是接地雜訊。 在該電壓的驅動下，將產生接地回路電流，形成接地回路干擾。 當兩條電路共用一段接地時，就會形成一個共同的阻抗耦合。 解决接地回路干擾的方法包括切斷接地回路、新增接地回路的阻抗和使用平衡電路。 解决共阻抗耦合的方法是降低共接地部分的阻抗，或使用並聯單點接地來完全消除共阻抗。