確保低噪聲和通過(guò)EMC的PCB接地介紹

2022-07-08

確保低噪聲和通過(guò)EMC的PCB接地介紹

復雜系統需要大量關(guān)注，PCB接地是設計人員應解決的基本系統級問(wèn)題之一。如果PCB設計正確，則可以使用幾乎總是有效的簡(jiǎn)單策略來(lái)制作簡(jiǎn)單的設計。需要多個(gè)板或接地連接的復雜系統將需要更復雜的接地策略。該區域可能會(huì )造成混淆并影響系統的抗噪能力。

通過(guò)EMC會(huì )受到PCB中接地策略和接地物理布局的影響。接地策略之后是布線(xiàn)策略，以解決PCB設計中的大多數EMC問(wèn)題。本文將全面概述復雜PCB中的接地。它包括具有混合信號布局、路由、機箱/接地連接和電源系統的系統。

如何開(kāi)始使用PCB接地

接地和周?chē)到y的物理結構在PCB中扮演著(zhù)多重角色，包括抗噪性、參考抗擾性、信號測量參考和EMC。設計復雜系統時(shí)應考慮PCB中的三種接地區域：

接地： 該接地用于公用設施布線(xiàn)。如果可用，它可以為任何系統提供最高級別的安全性。這是通過(guò)一個(gè)實(shí)用櫥柜直接連接到地球。

機箱接地： 如果系統中存在導電框架，則指的是框架。當存在接地連接時(shí)，框架接地通常連接到大地。

信號接地 雖然大多數指南不會(huì )告訴您這一點(diǎn)，但它可以是PCB上的接地層和任何能夠將返回電流傳回系統電源的大導體。如果直接使用機箱，則不應考慮信號地。

當電氣系統中有多個(gè)設備時(shí)，確定這三個(gè)區域的連接方式可能具有挑戰性。這些連接在PCB設計軟件中進(jìn)行了描述（在電路板原理圖和整個(gè)系統的電氣圖中）。

原理圖中用于接地的標準符號

在PCB上接地

PCB接地的目的取決于其特定需求。隔離電源與小型電池供電設備具有不同的準則。與具有接地連接的系統相比，隔離的電源部分和接地連接將具有更多的PCB接地要求。您可以決定不需要接地，并且可以使用浮動(dòng)接地來(lái)為您的設備供電。

為了提供屏蔽、返回電流的額外路徑或特定組件的接地連接，還可以在電路板上找到接地結構。這些結構通常稱(chēng)為覆銅，除了方便的接地連接外，還提供其他好處。

我們必須考慮如何向PCB供電、是否存在多個(gè)設備以及它們是否共享接地。雖然我們將在這里介紹最重要的主題，但有些主題更復雜，需要單獨的文章。

帶接地連接的交流電源

這是將電源帶入具有電網(wǎng)電源的電路板的標準方法。它將以中等高電流運行。下圖顯示了如何將單相交流電引入系統。然后，我們使用變壓器將其降低到電路板所需的水平?，F在，我們的板上有一個(gè)隔離電源，以及所有其他基本組件（高速數字和精密模擬）。這是因為PCB疊層將初級接地 (PGND)與次級接地(SGND)分開(kāi)。

通過(guò)將PGND與SGND分開(kāi)來(lái)實(shí)現輸出和輸入之間的電流隔離。這在具有足夠電流以引起安全問(wèn)題的系統中很常見(jiàn)。兩側接一個(gè)比TX繞組電容大很多的Y型電容。這允許來(lái)自SGND側的高頻噪聲流入PGND側并通過(guò)安裝孔連接器返回大地。這為I/O上的ESD事件創(chuàng )建了一條路徑，尤其是當它暴露給用戶(hù)時(shí)。假設您有一個(gè)I/O傳遞到具有此配置的連接器。在這種情況下，它應該連接到SGND，以確保連接器上的任何ESD事件都通過(guò)PGND安裝孔轉移到大地，而不是進(jìn)入相鄰的組件。

無(wú)接地交流電源

當安全不是問(wèn)題時(shí)，這是一個(gè)標準選項。一個(gè)簡(jiǎn)單的交流/直流電源適配器可以插入墻上。該適配器可以在適配器的SGND和PGND側之間提供隔離，但不會(huì )有接地連接。這適用于筆記本電腦等大電流設備。但是，您仍將在輸入電源和輸出電源之間進(jìn)行隔離。您需要另一種方法來(lái)獲得安全接地。您可以擁有自己的安全接地，或者設備將使用您的接地平面來(lái)確保安全。

通過(guò) 2 線(xiàn)直流連接的接地連接

這在使用直流電源為設備供電時(shí)使用。接地連接通常不連接到電路板，而是連接到機箱。如果您有一個(gè)帶有接地/機箱連接的直流電源，則可以使用這種類(lèi)型的電源布置。機箱可防止ESD并消除任何可能導致設計周?chē)?span>EMI協(xié)調的相當大的浮動(dòng)金屬鉆頭。最好不要將系統接地直接連接到機箱。這可能會(huì )形成接地回路并導致過(guò)大的電流流動(dòng)，從而構成安全風(fēng)險。

直接 2 線(xiàn)直流連接，無(wú)接地

如果 2 線(xiàn)直流連接不接地，則它具有可用于連接任何其他接地的浮動(dòng)接地。如果存在金屬機箱，最好將其靠近直流輸入或端子接地。來(lái)自設備的任何返回電流都不會(huì )流過(guò)機箱。這是因為金屬底盤(pán)不打算用于信號返回。如果在設計中使用高頻射頻源，這只是一個(gè)問(wèn)題。如果發(fā)生這種情況，可能會(huì )導致機箱周?chē)a(chǎn)生電容耦合噪聲。在這種情況下，接地連接更好，因為它將提供低阻抗路徑來(lái)轉移噪聲。

多地接地

這在兩臺設備之間布線(xiàn)時(shí)最常見(jiàn)。電纜末端的屏蔽層可以接地。這是您需要小心的地方，因為接地連接可能具有高達10 V的直流電勢差。接地偏移會(huì )導致接地交叉（例如，沿屏蔽線(xiàn)進(jìn)行屏蔽）并導致直流電流過(guò)大，可能會(huì )燒毀電纜?；陔娙萜鞯倪B接可用于屏蔽的任一端，以允許高頻交流噪聲通過(guò)，但會(huì )產(chǎn)生高阻抗直流連接。如果是這種情況，你不應該在地球上架橋。

這是一個(gè)令人著(zhù)迷的事實(shí)，因為它最初是差分對用于通過(guò)長(cháng)鏈路傳輸數據的原因。當設備連接到不同的電路時(shí)，差分信號可以承受較大的接地偏移。使用差值而不是單個(gè)電平的總和來(lái)量化信號可以抵抗接地偏移和共模噪聲。

那么精密模擬呢？

這并不容易概括，因為它特定于每個(gè)布局。如果您使用低頻數字和模擬，則可以使用單獨的接地。這將確保返回路徑不會(huì )干擾。大多數系統將使用單個(gè)PCB接地平面而不是星形接地。因為星形接地和濫用不同接地區域會(huì )鼓勵不良的布線(xiàn)實(shí)踐，我建議新設計師只使用一個(gè)接地平面。它還使設計人員能夠思考如何在電路板上傳播返回路徑。

低頻模擬測量（例如使用時(shí)間平均光學(xué)測量進(jìn)行的測量）可能需要您使用專(zhuān)用模擬接地通道或差分模擬通道。這將允許防止噪聲干擾。這就是我們處理航空航天傳感器測量的方式。

ESD可能是任何連接器或I/O的嚴重問(wèn)題。標準方法是通過(guò)機箱連接到 GND（或保護接地）。ESD保護電路將使用一對或更多齊納二極管來(lái)保護電路。這將使設計能夠承受高壓ESD事件，這可以快速反轉基于二極管的ESD電路的偏置。它不允許機箱用于常規信號的返回路徑。ESD保護在醫療設備或商業(yè)空間等高可靠性系統中至關(guān)重要。

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