PCB地線(xiàn)干擾與抑制

2021-01-14

在PCB設計中，尤其是在高頻電路中，經(jīng)常會(huì )遇到由于接地干擾而引起的一些不正?，F象。本文分析了接地引起的干擾的原因，介紹了三種接地引起的干擾，并根據實(shí)際應用經(jīng)驗提出解決方案。這些抗干擾方法在實(shí)際應用中取得了良好的效果，使某些系統能夠在現場(chǎng)成功運行。

在單芯片系統中，PCB（印刷電路板）是重要的電子組件，用于支撐電路組件并在電路組件和設備之間提供電連接。PCB線(xiàn)主要是銅線(xiàn)，銅本身的物理特性也會(huì )使它們導電。在此過(guò)程中必須有一定的阻抗。導線(xiàn)中的電感成分會(huì )影響電壓信號的傳輸。電阻分量將影響電流信號的傳輸。高頻電路中電感的影響特別嚴重。因此，必須在PCB設計中加以注意。消除接地阻抗的影響。

1干擾原因

電阻和阻抗有兩種不同的概念。電阻是指在直流狀態(tài)下電線(xiàn)對電流的阻抗，而阻抗是在交流狀態(tài)下電線(xiàn)對電流的阻抗。該阻抗主要由導線(xiàn)的電感引起。由于接地線(xiàn)始終具有阻抗，因此在用萬(wàn)用表測量接地線(xiàn)時(shí)，接地線(xiàn)的電阻通常為mmΩ。

以在PCB上的長(cháng)度為10cm，寬度為1.5mm，厚度為50μm的電線(xiàn)為例，可以通過(guò)計算獲得阻抗。R =ρL/ s（Ω），其中L是導線(xiàn)長(cháng)度（m），s是導線(xiàn)截面積（mm2），而ρ是電阻率ρ= 0.02，因此導線(xiàn)電阻約為0.026Ω。 

當一根導線(xiàn)的長(cháng)度遠離其他導線(xiàn)并且其長(cháng)度遠大于寬度時(shí)，導線(xiàn)的自感值為0.8μH/ m，導線(xiàn)的10 cm電感為0.08μH。然后，通過(guò)以下公式獲得導線(xiàn)的電感：XL =2πfL。在下面的公式中，f是導線(xiàn)通過(guò)信號的頻率（Hz），L是每單位長(cháng)度導線(xiàn)的自感（H）。因此，分別在低頻和高頻下計算導線(xiàn)的電感電抗值： 

在實(shí)際電路中，引起電磁干擾的信號通常是脈沖信號，并且該脈沖信號包含豐富的高頻成分，因此在地面上會(huì )產(chǎn)生很大的電壓。從上面的公式計算可以看出，在低頻信號傳輸中，導線(xiàn)電阻高于導線(xiàn)電感。對于數字電路，電路的工作頻率非常高，并且導線(xiàn)電感比高頻信號中的導線(xiàn)電阻大得多。因此，接地阻抗對數字電路的影響很大。這就是為什么當電流流過(guò)小電阻器時(shí)會(huì )出現大的壓降，從而導致電路異常工作的原因。 

2地面干擾機制

2.1接地回路干擾

接地環(huán)路干擾是一種相對常見(jiàn)的干擾類(lèi)型，通常發(fā)生在通過(guò)長(cháng)電纜連接且相距較遠的設備之間。接地線(xiàn)引起的電磁干擾的主要原因是接地線(xiàn)的阻抗。當電流流過(guò)接地線(xiàn)時(shí)，在接地線(xiàn)上會(huì )產(chǎn)生電壓。這是地線(xiàn)的噪音。在此電壓的驅動(dòng)下，會(huì )產(chǎn)生接地環(huán)路電流，從而引起接地環(huán)路干擾。如圖1所示，有兩個(gè)接地電路。

圖1

由于兩個(gè)裝置的接地電位不同，因此形成了接地電壓，并且在該電壓的驅動(dòng)下，電流在由“裝置1使電纜和裝置2互連”形成的回路之間流動(dòng)。由于電路的不平衡，每條導線(xiàn)上的電流都不同，因此會(huì )產(chǎn)生差模電壓，并且會(huì )干擾電路。

由于接地環(huán)路干擾是由接地環(huán)路電流引起的，因此有時(shí)會(huì )發(fā)現，當斷開(kāi)一臺設備的接地時(shí)，由于在斷開(kāi)接地線(xiàn)時(shí)切斷了接地環(huán)路，干擾現象消失了。這種現象通常發(fā)生在低頻干擾的情況下。當干擾頻率較高時(shí)，是否斷開(kāi)接地線(xiàn)之間的關(guān)系很小。 

2.2共阻抗干擾

在數字電路中，由于信號的高頻，接地線(xiàn)傾向于表現出較大的阻抗。此時(shí)，當多個(gè)電路共享一條地線(xiàn)時(shí)，由于該地線(xiàn)的阻抗，一個(gè)電路的地電位被另一電路的工作電流調制，從而一個(gè)電路中的信號耦合到另一個(gè)電路中。這稱(chēng)為公共阻抗耦合。

公共阻抗耦合的解決方案是減小公共接地線(xiàn)部分的阻抗，或使用單點(diǎn)接地來(lái)完全消除公共阻抗。圖2的示例說(shuō)明了干擾現象。圖2是具有四個(gè)門(mén)的簡(jiǎn)單電路。假設門(mén)1的輸出電平從高電平變?yōu)榈碗娖?。此時(shí)，電路中的寄生電容（有時(shí)在柵極2的輸入處的濾波電容器）將通過(guò)柵極1放電到地面，并且放電電流將歸因于地面的阻抗。在地面上會(huì )產(chǎn)生尖峰電壓。如果此時(shí)門(mén)3的輸出為低，則尖峰電壓將傳輸到門(mén)3的輸出（即門(mén)4的輸入），如果尖峰的幅度超過(guò)門(mén)4的噪聲。

圖2

2.3接地回路電磁耦合干擾

圖1所示的“接地回路”將包圍一定的區域。根據電磁感應定律，如果在此回路所包圍的區域中存在變化的磁場(chǎng)，則會(huì )在回路中產(chǎn)生感應電流以形成干擾。?？臻g磁場(chǎng)的變化無(wú)處不在，因此封閉的面積越大，干擾就越嚴重。

解決地面干擾的3種方法 

3.1解決接地環(huán)路干擾

解決接地環(huán)路干擾的基本思想有三種：一種是降低接地線(xiàn)的阻抗，從而降低干擾電壓，但這對第二種原因引起的接地環(huán)路干擾沒(méi)有影響。第二種方法是更改接地結構，將一個(gè)機箱的接地線(xiàn)連接到另一個(gè)機箱，然后將另一個(gè)機箱接地。這就是單點(diǎn)接地的概念。第三是增加接地回路的阻抗，從而減小接地回路電流。當阻抗無(wú)限大時(shí)，實(shí)際上會(huì )切斷接地回路，也就是說(shuō)，消除了接地回路。因此，提出了以下解決接地環(huán)路干擾的解決方案。 

1）將設備漂浮在一側

如果電路的一側懸空，則接地環(huán)路將被切斷，因此可以消除接地環(huán)路電流。但是要注意兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是出于安全原因，不允許電路浮動(dòng)。此時(shí)，請考慮通過(guò)電感將設備接地。因此，50 Hz交流電流設備的接地阻抗較小，而對于較高頻率的干擾信號，設備的接地阻抗較大，這會(huì )減小接地環(huán)路電流。但是，這只能減少高頻干擾的接地環(huán)路干擾。另一個(gè)問(wèn)題是，盡管設備處于懸空狀態(tài)，但設備與地面之間仍然存在寄生電容。該電容器在較高頻率下具有較低的阻抗，因此不能有效降低高頻接地環(huán)路電流。

2）使用變壓器

解決接地環(huán)路干擾的最基本方法是切斷接地環(huán)路。這是通過(guò)隔離變壓器完成的，并且兩個(gè)設備之間的信號傳輸是通過(guò)磁場(chǎng)耦合完成的，避免了直接電連接。此時(shí)，接地線(xiàn)上的干擾電壓出現在變壓器的初級和次級之間，而不是在電路的輸入處。改善變壓器高頻隔離的一種方法是在變壓器的初級和次級之間放置一個(gè)屏蔽層。但是，必須注意，隔離變壓器屏蔽的接地端必須在接收電路端。否則，不僅可以改善高頻隔離效果，而且可以使高頻耦合更加嚴重。因此， 

變壓器隔離的方法有一些缺點(diǎn)，不能傳輸直流電，體積大，成本高。由于變壓器的初級和次級之間存在寄生電容，因此高頻下的隔離不是很好。

3）使用光隔離組件

用光傳輸信號是解決接地環(huán)路問(wèn)題的理想方法。如圖3所示，光耦合器器件的寄生電容約為2 pF，因此可以在很高的頻率下將其隔離。如果使用光纖，則沒(méi)有寄生電容的問(wèn)題，并且可以獲得完美的隔離效果。但是，光纖的使用帶來(lái)了其他問(wèn)題，例如：需要更多的功率，需要更多的外圍設備，光學(xué)連接的線(xiàn)形和動(dòng)態(tài)范圍不能滿(mǎn)足模擬信號的要求，以及光纖的安裝和維護。光纜很復雜。使用時(shí)請小心。

圖3

4）使用共模扼流圈

接地電壓實(shí)際上是共模電壓。在此電壓下，流經(jīng)電纜的電流為共模電流。在連接電纜上使用共模扼流圈等效于增加接地回路的阻抗，從而使接地回路電流減小一定的接地電壓。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非常差。共模扼流圈的匝數越大，寄生電容越大，高頻隔離的效果越差。 

5）通過(guò)平衡電路抑制接地電路的干擾

平衡電路定義為兩條導體，并且它們的連接電路相對于地面或其他參考物體具有相同的阻抗。

在高頻下很難平衡。實(shí)際電路具有許多寄生因素，例如寄生電容和電感。這些參數在較高頻率的電路阻抗中起很大作用。由于這些寄生參數的不確定性，電路的阻抗也不確定，因此很難確保兩個(gè)導體的阻抗完全相同。因此，在高頻下，電路平衡趨于變差，這意味著(zhù)平衡電路對較高頻率的接地回路電流干擾的抑制作用較差。 

3.2消除常見(jiàn)的阻抗耦合

有兩種消除公共阻抗耦合的方法。一種是減小公共接地線(xiàn)的阻抗，從而公共接地線(xiàn)上的電壓也降低，從而控制公共阻抗耦合。另一種方法是避免電路的公共接地，該接地容易通過(guò)適當的接地方法相互干擾。通常，避免強電路和弱電路的接地電路，并且數字電路和模擬電路共享接地線(xiàn)。平行接地的缺點(diǎn)是接地線(xiàn)太多。因此，實(shí)際上，沒(méi)有必要將所有電路在單個(gè)點(diǎn)上并聯(lián)接地。對于相互干擾較小的電路，可以使用串聯(lián)的單點(diǎn)接地。例如，可以根據強信號，弱信號，模擬信號，數字信號等對電路進(jìn)行分類(lèi)，然后在相同類(lèi)型的電路中將其與單個(gè)點(diǎn)串聯(lián)接地，如圖4所示，連接不同類(lèi)型的電路與單個(gè)點(diǎn)平行，如圖5所示。當信號頻率低于1 MHz時(shí)，可以使用單點(diǎn)接地方法，以免形成環(huán)路。當信號頻率高于10 MHz時(shí)，最好使用多點(diǎn)接地以最小化接地阻抗。電源線(xiàn)和地線(xiàn)應盡可能靠近走線(xiàn)，以減小封閉的環(huán)路面積，從而減少環(huán)路切割引起的外部磁場(chǎng)干擾，并減少環(huán)路的外部電磁輻射。 

如前所述，降低接地阻抗的核心問(wèn)題是降低接地電感。您可以將扁平導體用作接地線(xiàn)，也可以使用相距很遠的多個(gè)平行導體來(lái)制作接地線(xiàn)。對于PCB，雙層板上的接地柵格可有效降低接地阻抗。在多層PCB板中，可以將一層用作接地線(xiàn)以降低阻抗。