關(guān)于電子設計和 PCB 布局中的接地

2021-06-23

關(guān)于電子設計和 PCB 布局中的接地

盡管?chē)H標準試圖將概念和術(shù)語(yǔ)分開(kāi)，但接地技術(shù)、接地、進(jìn)行接地連接和底盤(pán)接地的概念在電子產(chǎn)品中都非常復雜。接地在電子設計、電氣工作的各個(gè)方面都很重要，當然，在 PCB 設計中也很重要。所有電路都需要一個(gè)參考連接，這就是我們所說(shuō)的接地，但對于不同的系統，確切的參考以不同的方式定義。

如果您不確定接地在不同類(lèi)型的電子設備中如何工作以及如何使用接地連接，那么沒(méi)有適用于每個(gè)系統的簡(jiǎn)單答案。不同類(lèi)型的電子產(chǎn)品將有不同的方式來(lái)定義它們的電勢參考，并且所有接地并不總是處于相同的電勢，這與您在電子入門(mén)課程中可能學(xué)到的相反。在本文中，我們將采用系統級方法來(lái)定義和集成數字接地、模擬接地、機箱接地以及最終的接地連接。繼續閱讀以了解接地最終如何連接到您的 PCB 并最終連接到您系統中的每個(gè)組件。

電路中的接地是什么？它有什么作用？

有幾種定義理由的方法，這取決于你問(wèn)的是誰(shuí)。物理學(xué)家以一種特定的方式（主要是理論上的）定義它，而電工和電氣工程師可能從字面上指的是你腳下的地面（大地）。在電子學(xué)中，我們有時(shí)將接地稱(chēng)為可互換地執行各種功能。以下是電子產(chǎn)品中接地的一些主要功能：

接地提供了一個(gè)用于測量電壓的參考點(diǎn)。所有電壓都是根據兩點(diǎn)之間的電場(chǎng)（和勢能）定義的。這些點(diǎn)之一可以定義為“0 V”，碰巧我們稱(chēng)這個(gè) 0 V 參考為“地”。這就是我們說(shuō) PCB 中的地平面是“參考平面”的原因之一。

接地可用于為電源返回電流提供路徑，從而完成電路。

從概念上講，地面充當一個(gè)大的電荷庫，它也定義了電流的方向。由于我們將接地作為我們的 0 V 參考，高于或低于該值（正或負）的電壓將驅動(dòng)電流相對于接地位置的不同方向。

接地提供了電場(chǎng)終止的點(diǎn)。這實(shí)際上是第一點(diǎn)的變體。如果您曾經(jīng)在電磁學(xué)課程中解決圖像方法問(wèn)題，您應該記住，接地被定義為專(zhuān)門(mén)保持在 0 V 的等勢面。請注意，此定義也適用于保持在特定電壓下的任何導體（例如，PCB 中的電源層）。

完美接地導體上的電壓降為 0 V。換句話(huà)說(shuō)，如果您測量接地參考中任意兩點(diǎn)之間的電壓，則應始終測量為 0 V。這是上面第 2 點(diǎn)的重述。

在 PCB 設計中，我們經(jīng)常根據第 1 點(diǎn)和第 3 點(diǎn)談?wù)摻拥?，因為它定義了如何向組件供電，以及如何在設計中測量數字/模擬信號。EMI/EMC 人員有時(shí)會(huì )根據第 4 點(diǎn)談?wù)摻拥?，因為這基本上描述了屏蔽材料的功能。每個(gè)人都接受第 5 點(diǎn)為福音，盡管第 5 點(diǎn)在現實(shí)中并沒(méi)有發(fā)生。

既然我們已經(jīng)涵蓋了這些要點(diǎn)，就需要了解一些關(guān)于電子產(chǎn)品中接地和各種類(lèi)型接地的事情。

所有的理由都是不完美的

盡管所有接地區域都旨在具有上述特性，但導體的真實(shí)性質(zhì)意味著(zhù)它們在用作接地參考時(shí)的功能不同。此外，接地區域的幾何形狀決定了它如何與電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互作用，進(jìn)而影響電流進(jìn)入接地區域和在接地區域內的移動(dòng)方式。這就是為什么不同的信號將具有取決于其頻率內容的特定返回路徑的原因。此外，所有地都具有非零電阻，這導致了關(guān)于真實(shí)地的下一點(diǎn)。

并非所有地都在 0 V

懸空的導體或系統中參考不同電源的導體可能不具有相同的 0 V 電位。換句話(huà)說(shuō)，您可以為兩個(gè)不同的設備提供兩個(gè)接地參考，它們都連接到同一個(gè)參考，但是如果您測量它們之間的電位，您將測量到非零電壓。

在電源系統中，通常在電路中使用電容器接地以利用接地之間的電位差來(lái)提供EMI 濾波。

當兩個(gè)設備將同一導體作為接地連接時(shí)，甚至會(huì )發(fā)生這種情況。如果您要測量長(cháng)導體上的電位差（例如，使用萬(wàn)用表），它可能不為零，這意味著(zhù)一些電流正在沿著(zhù)導體驅動(dòng)。沿著(zhù)大地或兩個(gè)接地連接之間的這種電位差稱(chēng)為“接地偏移”。在較大的多板系統中，或在工業(yè)和網(wǎng)絡(luò )設備等領(lǐng)域，接地偏移是使用差分信號（例如，CAN 總線(xiàn)、以太網(wǎng)等）的驅動(dòng)因素之一。由于差分協(xié)議使用兩根導線(xiàn)之間的電壓差，因此它們各自的接地參考無(wú)關(guān)緊要，并且仍然可以解釋信號。

電子產(chǎn)品中的接地類(lèi)型

在電子領(lǐng)域，新設計師很容易被 PCB 設計中涉及的各種接地術(shù)語(yǔ)混淆：數字、模擬、系統、信號、底盤(pán)和接地。再加上代表地面的符號是混合的并且經(jīng)常被濫用，我這樣做純粹是為了方便而感到內疚。無(wú)論如何，有一些標準接地符號用于電氣和電子工程，包括在您的電子原理圖中。

使用 IEC 60417 標準中定義的符號在示意圖中標出不同類(lèi)型的接地連接。PCB設計中常用的常用符號如下所示：

IEC 60417 中定義的電子接地符號。

信號地符號可用于數字或模擬地，只需確保應用正確的網(wǎng)絡(luò )名稱(chēng)（我有時(shí)使用 AGND 表示模擬地，而 DGND 表示數字地）。機箱接地有時(shí)會(huì )連接回大地，具體取決于系統的構造方式和接收電源的方式。最后，安全接地有時(shí)可以通過(guò)零線(xiàn)直接接地，或連接到機箱，或者可能通過(guò)低電感機箱連接接地。

接地

術(shù)語(yǔ)“接地”，或在電子產(chǎn)品中簡(jiǎn)稱(chēng)為“地球”，是指與地球的字面連接。換句話(huà)說(shuō)，地球的電位被用作我們的 0 V 參考。如果您曾經(jīng)看過(guò)一根帶有電線(xiàn)的電線(xiàn)桿，您有時(shí)會(huì )看到一根電線(xiàn)從電線(xiàn)桿的側面向下延伸到泥土中。這是接地連接不完善，因為沿電纜的土壤中的電阻可能很高。然而，使用大地可提供大量電荷，這是理想接地連接的特征。當負載消耗功率時(shí)，此連接不用于承載電流，它僅在耗散寄生電流（例如，噪聲或 ESD 事件）時(shí)承載電流。

底盤(pán)接地

在電子產(chǎn)品中需要注意的重要一點(diǎn)是，并非所有系統都有底盤(pán)接地。通常，該術(shù)語(yǔ)是指外殼中的金屬機箱，并與機箱進(jìn)行連接。在 3 線(xiàn) AC 系統（火線(xiàn)、中線(xiàn)和地線(xiàn)）或 3 線(xiàn) DC 系統（DC+、DC 公共線(xiàn)和地線(xiàn)）中，機箱接地通常在電源進(jìn)入的點(diǎn)連接到接地插入系統。系統的一部分也可以連接到底盤(pán)接地以吸收噪聲或出于安全原因（例如，ESD 保護），如下所示的示例。這種安排為 3 線(xiàn)連接上的交流或直流輸入提供了共模噪聲過(guò)濾。

此原理圖中的機箱接地直接連接到電路板，并帶有一個(gè)連接到外殼的低電感接地觸點(diǎn)。請注意，連接器上的引腳 3 是地線(xiàn)。

這種類(lèi)型的接地連接提供兩個(gè)功能：

由于底盤(pán)現在設置為全局 0 V 參考電位，底盤(pán)現在充當法拉第籠并提供寬帶屏蔽。

它提供了一種安全功能，可將寄生電流（ESD、短路或噪聲）消散回大地。這就是我們有時(shí)將底盤(pán)接地稱(chēng)為“安全接地”的原因之一。

在電池供電系統或具有簡(jiǎn)單 2 線(xiàn)直流電源連接的系統中，PCB 接地層可以通過(guò)安裝孔連接回機箱。這里的想法是確保沒(méi)有浮動(dòng)導體，因為未接地的導體可以充當輻射器。電路板上未接地的機箱或其他浮動(dòng)導體可能是輻射 EMI 的來(lái)源，可通過(guò)接地來(lái)輕松消除。

模擬和數字接地

模擬接地和數字接地是與接地和機箱接地不同的兩個(gè)問(wèn)題。通常在 PCB 上，您可以有一個(gè)如上所述的機箱接地連接和接地連接以確保安全。同時(shí)，您應該在 PCB 上有一個(gè)接地層，支持模擬和數字返回路徑；你不應該有物理分離的地網(wǎng)。這些物理分離的接地在堆疊中重疊時(shí)會(huì )產(chǎn)生強烈的輻射發(fā)射，特別是在平行板波導頻率下。相反，通過(guò) PCB 中的單個(gè)接地參考執行所有操作

要了解有關(guān)模擬和數字接地點(diǎn)的更多信息，請閱讀有關(guān)星形接地的這篇文章，因為它解釋了不應使用物理分離的接地層的主要原因。

您應該將信號地接地嗎？

您很少會(huì )直接執行此操作。這可能適用于正在測試的高壓直流電池/PSU 或類(lèi)似系統。通常，您可以將機箱接地連接到大地，然后連接到參考輸入側 PCB 接地層的電路。在非隔離的 3 線(xiàn)交流系統中，或在整流為直流的 3 線(xiàn)交流系統中，如果您將電路中的信號參考地連接到大地，您只是將交流上的負極線(xiàn)短路或直流線(xiàn)。不要這樣做，因為現在底盤(pán)可能是一個(gè)大的載流導體！現在存在電擊（在高壓/電流系統中）或強烈 EMI（在高頻系統中）的風(fēng)險。完成此操作后，只要這是返回接地電抗最小的路徑，電流就會(huì )返回接地連接，

在 2 線(xiàn)制系統（無(wú)接地連接）中，關(guān)于如何或是否將信號接地連接回機箱有不同的指南。一些指導方針說(shuō)多點(diǎn)接地是可以的，其他人說(shuō)在 I/O 附近使用單點(diǎn)，還有一些人說(shuō)為了安全起見(jiàn)使用靠近電源連接器的單點(diǎn)。如果 RF 噪聲是整個(gè)系統的一個(gè)問(wèn)題，您可以在多個(gè)點(diǎn)連接到機箱以消散噪聲，但您的布局中可能存在更大的問(wèn)題，因為您沒(méi)有正確構建疊層，而設備只是接收太多無(wú)線(xiàn)電能量。專(zhuān)注于正確構建疊層，您可能不需要在整個(gè)板上縫合安裝孔連接，您只需要在幾個(gè)點(diǎn)上即可。在這種情況下，您不應連接回地面。

PCB接地技術(shù)總結

由于 PCB 是容納電子設備的容器，因此正確接地非常重要。正如我們上面所討論的，您的接地策略與安全性、EMI/EMC 和系統設計相關(guān)，因此正確執行非常重要。雖然您的設計中存在多個(gè)接地似乎令人困惑，但最好的原理圖編輯器工具和 PCB 布局軟件將幫助您在創(chuàng )建物理布局時(shí)跟蹤整個(gè)設計中的接地網(wǎng)絡(luò )。