接地技術(shù)介紹 （二）

一、接地的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

接地基本形式有：浮地、單點(diǎn)接地、多點(diǎn)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(dǎo)體隔離開(kāi)來(lái)。浮地還可以使不同電位的電路配合（通過(guò)光耦、變壓器）變得容易。

浮地的優(yōu)缺點(diǎn)：

浮地的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是設(shè)備不與公共地直接連接，容易產(chǎn)生靜電積累，當(dāng)電荷積累到一定程度，設(shè)備與公共地之間的電位差會(huì)引起強(qiáng)烈的靜電放電，成為破壞性很強(qiáng)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(gè)阻值很大的電阻，以便泄放掉所積累的電荷。

1.2、單點(diǎn)接地

單點(diǎn)接地是在一個(gè)電路和設(shè)備中，只有一個(gè)物理點(diǎn)被定義為參考接地點(diǎn)，其他凡是需要接地的點(diǎn)都被連接到這一點(diǎn)上。單點(diǎn)接地分串聯(lián)單點(diǎn)接地、并聯(lián)單點(diǎn)接地。從噪聲觀點(diǎn)看，串聯(lián)單點(diǎn)接地是最差的接地方式，因任何導(dǎo)線(xiàn)都有電阻，流經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)的電流都會(huì)在導(dǎo)線(xiàn)上產(chǎn)生壓降，造成相互間干擾。    

單點(diǎn)接地的優(yōu)缺點(diǎn)：

單點(diǎn)串聯(lián)接地簡(jiǎn)單，但存在共阻抗耦合。單點(diǎn)并聯(lián)接地不存在共阻抗耦合，但接地線(xiàn)過(guò)多，單點(diǎn)接地需考慮高頻下接地導(dǎo)線(xiàn)的特性（傳輸線(xiàn)效應(yīng)）。

1.3、多點(diǎn)接地

多點(diǎn)接地是指設(shè)備（或系統(tǒng)）中凡是需要接地的點(diǎn)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(xiàn)的長(zhǎng)度為最短，這里所說(shuō)的接地平面可以是設(shè)備的底板、專(zhuān)用接地母線(xiàn)、甚至是設(shè)備的框架。

多點(diǎn)接地的優(yōu)缺點(diǎn)：

多點(diǎn)接地的優(yōu)點(diǎn)是它在高頻（≥10MHz)場(chǎng)合下應(yīng)用有上佳表現(xiàn)。多點(diǎn)接地的缺點(diǎn)是接地形式看似簡(jiǎn)單，但對(duì)系統(tǒng)中的眾多接地線(xiàn)的維護(hù)提出了更高的要求。因?yàn)槿魏谓拥攸c(diǎn)上的腐蝕、松動(dòng)都會(huì)使接地系統(tǒng)出現(xiàn)高阻抗使接地效果變差，多點(diǎn)接地還易產(chǎn)生地環(huán)路干擾。

1.4、混合接地

單點(diǎn)接地的優(yōu)點(diǎn)和多點(diǎn)接地的缺點(diǎn)，促使人們想到混合接地：即個(gè)別要求高頻接地的點(diǎn)選擇多點(diǎn)接地（就近接地），其余各點(diǎn)都采用單點(diǎn)接地。所謂混合接地：要求設(shè)計(jì)人員對(duì)系統(tǒng)各部分工作情況做分析，只將需要就近接地的點(diǎn)直接（或需要高頻接地的點(diǎn)通過(guò)旁路電容）與接地平面相連，而其余各點(diǎn)都采用單點(diǎn)接地的辦法。

減小接地阻抗的方法主要有：增加地線(xiàn)走線(xiàn)寬度（W），減小地線(xiàn)走線(xiàn)長(zhǎng)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(wèn)題分析

2.1、地環(huán)路干擾問(wèn)題

地環(huán)路干擾是一種常見(jiàn)的干擾現(xiàn)象，常常發(fā)生在通過(guò)較長(zhǎng)線(xiàn)纜連接的相距較遠(yuǎn)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(dǎo)致的，因此在實(shí)踐中有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將一個(gè)設(shè)備的安全地線(xiàn)斷開(kāi)時(shí)，干擾現(xiàn)象會(huì)消失，這是因?yàn)閿嚅_(kāi)了地線(xiàn)，就切斷了地環(huán)路。這種現(xiàn)象通常發(fā)生頻率較低的場(chǎng)合，當(dāng)干擾頻率較高時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)共地阻抗干擾。

      地環(huán)路干擾與接地點(diǎn)的位置及接地點(diǎn)的個(gè)數(shù)有直接的關(guān)系，是導(dǎo)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(jì)時(shí)，必須進(jìn)行恰當(dāng)?shù)慕拥攸c(diǎn)的選擇，包括選擇接地點(diǎn)的位置和個(gè)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(gè)設(shè)備的地電位不同形成地電壓，在這個(gè)地電壓的驅(qū)動(dòng)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(dòng)。由于電路的不平衡性，每根導(dǎo)線(xiàn)上的電流不同，因此會(huì)產(chǎn)生差模電壓，對(duì)電路造成干擾。地線(xiàn)上的電壓是由于其它功率較大的設(shè)備也用這段地線(xiàn)，在地線(xiàn)中引起較強(qiáng)電流，地線(xiàn)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(qiáng)的電磁場(chǎng)中，電磁場(chǎng)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(guò)程一樣導(dǎo)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(gè)：一個(gè)是減小地線(xiàn)的阻抗，從而減小干擾電壓。另一個(gè)是增加地環(huán)路的阻抗，從而減小地環(huán)路電流。當(dāng)阻抗無(wú)限大時(shí)，實(shí)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(dāng)兩個(gè)電路共用一段地線(xiàn)時(shí)，由于地線(xiàn)的阻抗，一個(gè)電路的地電位會(huì)受另一個(gè)電路工作電流的調(diào)制。這樣一個(gè)電路中的信號(hào)會(huì)耦合進(jìn)另一個(gè)電路，這種耦合稱(chēng)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(gè)，一個(gè)是減小公共地線(xiàn)部分的阻抗，這樣公共地線(xiàn)上的電壓也隨之減小，從而控制公共阻抗耦合。另一個(gè)方法是通過(guò)適當(dāng)?shù)慕拥胤绞奖苊馊菀紫嗷ジ蓴_的電路共用地線(xiàn)，一般要避免強(qiáng)電電路和弱電電路共用地線(xiàn)，數(shù)字電路和模擬電路共用地線(xiàn)。

2.3、地彈問(wèn)題

2.3.1、什么是地彈

地彈就是地噪聲。低頻時(shí)地噪聲主要是因?yàn)闃?gòu)成地線(xiàn)的導(dǎo)體有〝電阻〞，電路系統(tǒng)的電流都要流經(jīng)地線(xiàn)而產(chǎn)生的電位差波動(dòng)。高頻時(shí)地噪聲主要是因?yàn)闃?gòu)成地線(xiàn)的導(dǎo)體有〝電感〞，電路系統(tǒng)的快速變化電流經(jīng)過(guò)這個(gè) 〝電感時(shí)〞，〝電感〞兩端激發(fā)出更強(qiáng)的電壓波動(dòng)，形象的稱(chēng)為〝?shù)貜棬暋?/p>

2.3.2、地彈的危害

ü地彈會(huì)使其它信號(hào)耦合噪聲，造成有用信號(hào)被干擾。    

ü地彈會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的輻射問(wèn)題。

ü地彈會(huì)造成參考地電位的急劇變化，信號(hào)會(huì)因參考電位不穩(wěn)定導(dǎo)致傳輸錯(cuò)誤。

ü低供電芯片會(huì)因地彈無(wú)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(jì)，多層板可以提供完整的參考地平面，則相對(duì)而言地平面寄生電感較小，電流流過(guò)參考地平面時(shí)，地電壓波動(dòng)就較小，系統(tǒng)工作就會(huì)更穩(wěn)定。

三、參考平面&PCB 疊層設(shè)計(jì)

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(gè)返回源頭的低阻抗路徑（通量對(duì)消或通量最小化）；為

不同電路之間提供基準(zhǔn)參考電位點(diǎn)。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(shí)有較高的阻抗，而地平面作為基準(zhǔn)參考電平，阻抗相對(duì)較低，其回流效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)

優(yōu)于電源平面，因而在選擇參考平面時(shí)，應(yīng)優(yōu)選地平面。

3.1.2、參考平面設(shè)計(jì)的原理

磁通對(duì)消原理：根據(jù)麥克斯韋方程，磁通總是在傳輸線(xiàn)中傳播的，如果射頻回流路徑平行靠近其相應(yīng)的信號(hào)路徑，則回流路徑上的磁通（順時(shí)針場(chǎng)）與信號(hào)路徑上的磁通（逆時(shí)針場(chǎng)）是方向相反的，那么順時(shí)針場(chǎng)和逆時(shí)針場(chǎng)相互疊加，則得到了通量對(duì)消的效果。    

為消除PCB中的射頻能量，在PCB設(shè)計(jì)中必須采用磁通量對(duì)消或磁通量最小化技術(shù)。PCB層疊EMC規(guī)劃與設(shè)計(jì)的思路就是合理規(guī)劃信號(hào)回流路徑，使得磁通對(duì)消。

3.1.3、參考平面與回流路徑

當(dāng)使用電源平面、地平面做為參考平面時(shí)，微帶線(xiàn)因?yàn)樾盘?hào)布線(xiàn)與參考平面之間緊密耦合的緣故，回返電流會(huì)在參考平面上布線(xiàn)的直接正下方（或正上）流動(dòng)。對(duì)稱(chēng)帶狀線(xiàn)回返電流平均使用上下兩個(gè)平面。非對(duì)稱(chēng)帶狀線(xiàn)常見(jiàn)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(jiàn) PCB 設(shè)計(jì)參考平面換層形式

v信號(hào)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(dòng)，不需要加任何處理措施。

v信號(hào)換層，參考層由一個(gè)地平面換到另一個(gè)地平面：

此種情況下回返電流在兩個(gè)地平面上流動(dòng)，則必須在布線(xiàn)換層的過(guò)孔附近設(shè)置一個(gè)地過(guò)孔連接兩個(gè)地層。

v信號(hào)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(dòng)， 則必須在布線(xiàn)換層的過(guò)孔附近設(shè)置去耦合電容將地層與電源層連接起來(lái)。

3.2、PCB 疊層設(shè)計(jì)

3.2.1、PCB 疊層設(shè)計(jì)的基本規(guī)則

PCB疊層設(shè)計(jì)不是層的簡(jiǎn)單堆疊，信號(hào)回流面積最小化是關(guān)鍵，它與信號(hào)層、地層、電源層的安排有關(guān)，一般應(yīng)按以下原則進(jìn)行疊層設(shè)計(jì)。

ü信號(hào)回流面積最小化（尤其是高速信號(hào)）

ü?jié)M足信號(hào)的特性阻抗（尤其是高速信號(hào)）

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(jì)

推薦的四層板疊層設(shè)計(jì)：    

上述疊層設(shè)計(jì)，信號(hào)布線(xiàn)均有完整的參考平面，同時(shí)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(shí)信號(hào)參考的完整性。

推薦的六層板疊層設(shè)計(jì)：

上述疊層設(shè)計(jì)，信號(hào)布線(xiàn)均有完整的參考平面，同時(shí)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(shí)信號(hào)參考的完整性。