電氣系統中的不連續接地

2020-05-08

在PCB設計和大型電源系統設計中，接地經(jīng)常在電路設計中被忽略。對于具有單個(gè)電源層的4層PCB，接地非常簡(jiǎn)單，您將需要更多地考慮布局策略，以抑制噪聲耦合并降低EMI敏感性。在具有多個(gè)接地點(diǎn)的更復雜的系統中，您的接地策略可能不是那么簡(jiǎn)單，從而在電力電子設備中產(chǎn)生一些令人討厭的噪聲問(wèn)題。

電力電子系統可能有意使用不連續接地，但是在系統中實(shí)現多個(gè)接地點(diǎn)時(shí)要小心。由于接地回路簡(jiǎn)單，接地信號不連續，可能會(huì )掩蓋許多系統中的低電平信號。檢查系統行為時(shí)，需要進(jìn)行一些重要的計算和模擬。特別是，您需要檢查接地點(diǎn)之間的泄漏和噪聲耦合，包括接地回路的電位。 

不連續接地與連續接地

術(shù)語(yǔ)“不連續接地”可能意味著(zhù)幾件不同的事情：

多個(gè)不直接相互連接的接地點(diǎn)的系統

一個(gè)由多個(gè)接地層組成的系統，每個(gè)接地層都連接到不同的電源返回點(diǎn)

沒(méi)有在板級或電源級別上連接的具有多種類(lèi)型接地的系統

將此與典型的接地平面進(jìn)行對比：只要接地平面是均勻的，并且沒(méi)有物理上分成多個(gè)部分，則可以認為PCB中的接地是連續的。這是在4層板上定義現代PCB接地的標準方法：通常會(huì )有兩個(gè)平面層（電源和接地）和2個(gè)信號層（頂部和底部）。這有助于防止在其他系統（例如多板系統和電力電子設備）中可能發(fā)生的接地問(wèn)題。

多板系統

無(wú)論是在低頻率還是高頻率下運行，多板系統的一個(gè)主要挑戰是保持一致的接地并定義返回路徑。通過(guò)將電路連接到不同的接地點(diǎn)（例如，網(wǎng)絡(luò )1到電源接地，網(wǎng)絡(luò )2到地面或底盤(pán)）可能會(huì )產(chǎn)生不連續的接地，這可能會(huì )產(chǎn)生接地環(huán)路或允許其他傳導EMI源在兩個(gè)接地點(diǎn)之間移動(dòng)不同的板塊。這也可能導致您錯誤地創(chuàng )建回路電感非常大的接地回路，從而容易受到外部輻射EMI的影響。

電力電子和低電平系統

有時(shí)會(huì )將高壓/大電流電力電子設備放置在銅極重的 2層PCB上，以防止溫度過(guò)高。要檢查不同接地點(diǎn)之間的耦合，您需要考慮如何將每個(gè)點(diǎn)與DC和AC電流隔離。對于直流電源電子設備，直流接地之間的隔離非常簡(jiǎn)單。如果將物品安排在PCB上，則FR4上兩個(gè)接地點(diǎn)之間的DC薄層電阻約為108 Ohms / sq。換句話(huà)說(shuō)，直流薄層電阻足夠大，以至于直接在接地點(diǎn)之間（即，跨越基板）之間的任何直流泄漏電流都太低而無(wú)法檢測到。

帶有不連續接地的板上的開(kāi)關(guān)電源不是這種情況。在沒(méi)有接地層的情況下，接地點(diǎn)之間存在一些雜散電容。接地點(diǎn)之間還存在一些雜散電容，如果沒(méi)有接地層，則該雜散電容將開(kāi)始主導接地點(diǎn)之間的阻抗。

您可以使用標準公式粗略計算兩點(diǎn)之間的電容，其中包括接地點(diǎn)的尺寸和基板的介電常數（通常為FR4）。該雜散電容會(huì )在兩點(diǎn)之間引起一些噪聲耦合，就像高速/高頻板上的電容串擾一樣。您可以使用一些基本的電路仿真來(lái)量化此噪聲水平以及接地點(diǎn)之間初始電位差的任何穩定。

在功率譜的另一端，需要在低頻下收集低電平模擬信號的設備通常不在高層計數板上構建。如果存在不連續的接地，除非使用某些濾波和/或鎖定放大技術(shù)，否則接地環(huán)路中循環(huán)的噪聲和電源噪聲通常會(huì )掩蓋所需的信號。在這些系統中，您還需要檢查噪聲如何在不同的接地點(diǎn)之間耦合以及大的接地環(huán)路是否會(huì )掩蓋所需的信號。

這是您可以使用基于SPICE的模擬器通過(guò)一些簡(jiǎn)單的分析步驟來(lái)檢查電源系統中不連續接地的方法。

不連續接地的SPICE仿真

在原理圖中定義兩個(gè)接地點(diǎn)時(shí)，可以使用瞬態(tài)模擬和掃頻來(lái)模擬兩個(gè)接地點(diǎn)之間的電容性泄漏電流。您可以使用兩個(gè)接地之間的并聯(lián)RC電路對兩個(gè)接地點(diǎn)之間的耦合進(jìn)行建模（請參見(jiàn)下面的示意圖）。該電路中的電阻只是直流電阻（非常大的值），而交流電容器的電容很小。一起，這可以創(chuàng )建一個(gè)微秒級的RC時(shí)間常數。

上方綠色框中的電路顯示了一種簡(jiǎn)單的方法，可以在預布局仿真中檢查兩個(gè)最接近的接地點(diǎn)之間的耦合。通過(guò)瞬態(tài)仿真，您可以檢查一個(gè)網(wǎng)絡(luò )上的地平面波動(dòng)傳播到另一網(wǎng)絡(luò )所需的時(shí)間。這也使您可以檢查嘈雜的接地點(diǎn)如何將噪聲感應回安靜的地面（即接地回路），以及兩個(gè)接地點(diǎn)之間的電位差如何隨時(shí)間變化。

如果是接地回路，您可以嘗試通過(guò)簡(jiǎn)單地在其中一個(gè)接地網(wǎng)上放置正電壓源和一些噪聲來(lái)直接模擬電勢差。這將定性地模擬兩個(gè)接地點(diǎn)之間恒定電勢差（通常為mV量級）的影響。明智地放置探頭將為您提供所需的測量，以查看噪聲如何傳播回上游組件。在這種類(lèi)型的仿真中，您可能可以直接看到連續接地層或星形接地對電路的好處。