如何抑制PCB地線的干擾

在PCB設(shè)計(jì)中，特別是在高頻電路中，經(jīng)常會(huì)遇到由地面干擾引起的一些不規(guī)則和異常。本文分析了接地引起的干擾原因，介紹了接地引起的三種干擾，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)提出了解決方案。這些抗干擾方法在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果，使一些系統(tǒng)能夠在現(xiàn)場(chǎng)成功運(yùn)行。

在單芯片系統(tǒng)中，PCB（印刷電路板）是用于支持的重要組件電路元件并提供電路元件和器件之間的電氣連接。 PCB線主要是銅線，銅本身的物理特性也會(huì)導(dǎo)致它們導(dǎo)電。過(guò)程中必須存在一定的阻抗。導(dǎo)線中的電感分量將影響電壓信號(hào)的傳輸。電阻分量將影響電流信號(hào)的傳輸。高頻電路中電感的影響特別嚴(yán)重。因此，必須在PCB設(shè)計(jì)中注意。消除接地阻抗的影響。

1、干擾原因

兩種不同的電阻和阻抗概念。電阻是指導(dǎo)線對(duì)直流狀態(tài)下的電流的阻抗，阻抗是指導(dǎo)線對(duì)交流狀態(tài)下的電流的阻抗。該阻抗主要由導(dǎo)線的電感引起。由于接地線總是有阻抗，用萬(wàn)用表測(cè)量接地線時(shí)，接地線的電阻一般為mmΩ。

取長(zhǎng)度為10厘米，寬度為1.5毫米的電線。以PCB上50μm的厚度為例，可以通過(guò)計(jì)算獲得阻抗。 R =ρL/s（Ω），其中L是導(dǎo)線長(zhǎng)度（m），s是導(dǎo)線橫截面積（mm2），ρ是電阻率ρ= 0.02，因此導(dǎo)線電阻約為0.026Ω。/p>

當(dāng)一根導(dǎo)線遠(yuǎn)離其他導(dǎo)線并且其長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于寬度時(shí)，導(dǎo)線的自感為0.8μH/m，導(dǎo)線的電感為10 cm為0.08 μH。然后，通過(guò)以下公式獲得導(dǎo)線的電感：XL =2πfL。在下面的公式中，f是導(dǎo)線通過(guò)信號(hào)的頻率（Hz），L是每單位長(zhǎng)度導(dǎo)線的自感（H）。因此，低頻和高頻導(dǎo)線的感抗值分別計(jì)算：

在實(shí)際電路中，引起電磁干擾的信號(hào)通常是脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)包含豐富的信號(hào)高頻分量，因此在地面上產(chǎn)生大電壓。從上面的公式計(jì)算可以看出，線電阻高于低頻信號(hào)傳輸中的線電感。對(duì)于數(shù)字電路，電路的工作頻率非常高，并且線電感遠(yuǎn)大于高頻信號(hào)中的線電阻。因此，接地阻抗對(duì)數(shù)字電路的影響是相當(dāng)大的。這就是當(dāng)電流流過(guò)一個(gè)小電阻時(shí)發(fā)生大電壓降的原因，導(dǎo)致電路運(yùn)行異常。

2、接地干擾機(jī)制

2.1接地回路干擾

接地回路干擾是一種相對(duì)常見(jiàn)的干擾類(lèi)型，通常發(fā)生在通過(guò)長(zhǎng)電纜連接且相距很遠(yuǎn)的設(shè)備之間。地線引起的電磁干擾的主要原因是地線的阻抗。當(dāng)電流流過(guò)地線時(shí)，在地線上產(chǎn)生電壓。這是地線噪音。在此電壓的驅(qū)動(dòng)下，會(huì)產(chǎn)生接地回路電流，從而導(dǎo)致接地回路干擾。如圖1所示，有兩個(gè)接地電路。

圖1

由于兩個(gè)器件的接地電位是不同的是，形成接地電壓，并且在該電壓的驅(qū)動(dòng)下，電流在由“設(shè)備1互連電纜和設(shè)備2”形成的環(huán)路之間流動(dòng)。由于電路的不平衡，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此產(chǎn)生差模電壓，電路受到干擾。

由于接地回路干擾是由接地回路電流引起的，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個(gè)設(shè)備的接地?cái)嚅_(kāi)時(shí)，干擾現(xiàn)象消失，因?yàn)楫?dāng)?shù)鼐€斷開(kāi)時(shí)接地回路被切斷。這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在低頻干擾的情況下。當(dāng)干擾頻率較高時(shí)，斷開(kāi)地線的關(guān)系很小。

2.2常見(jiàn)阻抗干擾

在數(shù)字電路中，地線往往呈現(xiàn)出較大的阻抗由于信號(hào)的高頻率。此時(shí)，當(dāng)幾個(gè)電路共用一條地線時(shí)，由于地線的阻抗，一個(gè)電路的地電位被另一個(gè)電路的工作電流調(diào)制，使一個(gè)電路中的信號(hào)耦合到另一個(gè)電路。它被稱(chēng)為公共阻抗耦合。

公共阻抗耦合的解決方案是降低公共接地線部分的阻抗，或使用單點(diǎn)接地來(lái)完全消除公共阻抗。圖2的示例示出了干擾現(xiàn)象。圖2是具有四個(gè)門(mén)的簡(jiǎn)單電路。假設(shè)門(mén)1的輸出電平從高變?yōu)榈?。此時(shí)，電路中的寄生電容（有時(shí)是柵極2輸入端的濾波電容）將通過(guò)柵極1放電到地，放電電流將由地的阻抗引起。在地面上產(chǎn)生尖峰電壓。如果此時(shí)門(mén)3的輸出為低，則如果尖峰的幅度超過(guò)門(mén)4的噪聲，則尖峰電壓被傳輸?shù)介T(mén)3的輸出，即柵極4的輸入。閾值將是導(dǎo)致門(mén)4發(fā)生故障。

圖2

2.3接地回路電磁耦合干擾

圖1中所示的“接地回路”將包圍某個(gè)區(qū)域。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，如果在該環(huán)路所圍繞的區(qū)域中存在變化的磁場(chǎng)，則在環(huán)路中將產(chǎn)生感應(yīng)電流以形成干擾。 ?？臻g磁場(chǎng)的變化無(wú)處不在，所以封閉的面積越大，干擾越嚴(yán)重。

3、種解決地面干擾的方法

3.1解決地面環(huán)路干擾

解決接地回路干擾有三個(gè)基本思路：一是減小接地線的阻抗，從而降低干擾電壓，但這對(duì)第二個(gè)原因造成的接地回路干擾沒(méi)有影響。第二種方法是改變接地結(jié)構(gòu)，將一個(gè)機(jī)箱的地線連接到另一個(gè)機(jī)箱，并將另一個(gè)機(jī)箱接地。這是單點(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(dāng)阻抗無(wú)窮大時(shí)，接地回路實(shí)際上被切斷，即接地回路被消除。因此，提出了以下求解地環(huán)路干擾的解決方案。

（1）在一側(cè)浮動(dòng)設(shè)備

如果電路的一側(cè)浮動(dòng)，則接地環(huán)路被切斷，因此可以消除接地回路電流。但有兩個(gè)問(wèn)題需要注意，一個(gè)是出于安全原因，不允許電路浮動(dòng)。此時(shí)，請(qǐng)考慮通過(guò)電感器將器件接地。因此，50Hz AC電流裝置的接地阻抗很小，而對(duì)于較高頻率的干擾信號(hào)，裝置接地阻抗較大，這降低了接地回路電流。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)題是雖然器件是浮動(dòng)的，但器件和地之間仍然存在寄生電容。該電容在較高頻率下提供較低的阻抗，因此無(wú)法有效降低高頻接地回路電流。

（2）使用變壓器

解決地面的最基本方法環(huán)路干擾是切斷接地回路。這是通過(guò)隔離變壓器完成的，兩個(gè)設(shè)備之間的信號(hào)傳輸是通過(guò)磁場(chǎng)耦合完成的，避免了電氣直接連接。此時(shí)，地線上的干擾電壓出現(xiàn)在變壓器的初級(jí)和次級(jí)之間，而不是在電路的輸入端。改善變壓器高頻隔離的一種方法是在變壓器的初級(jí)和次級(jí)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位于接收電路端。否則，不僅可以提高高頻隔離效果，而且可以使高頻耦合更加嚴(yán)重。因此，變壓器應(yīng)安裝在信號(hào)接收裝置的一側(cè)。

變壓器隔離方法存在一些缺點(diǎn)，不能傳輸直流電，體積大，成本高。由于變壓器的初級(jí)和次級(jí)之間存在寄生電容，因此高頻隔離不是很好。

（3）使用光隔離元件

用光傳輸信號(hào)是一種解決地面循環(huán)問(wèn)題的理想方法。如圖3所示，光耦器件的寄生電容約為2 pF，因此可以在非常高的頻率下隔離。如果使用光纖，則不存在寄生電容的問(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：需要更多功率，需要更多外圍設(shè)備，光線連接的線形和動(dòng)態(tài)范圍都達(dá)不到模擬信號(hào)的要求，以及安裝和維護(hù)光纜很復(fù)雜。使用時(shí)要小心。

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，流過(guò)電纜的電流是共模電流。在連接電纜上使用共模扼流圈相當(dāng)于增加接地回路的阻抗，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(duì)高頻干擾的隔離效果很差。共模扼流圈匝數(shù)越大，寄生電容越大，高頻隔離效果越差。

（5）平衡電路抑制接地電路干擾

平衡電路定義為兩個(gè)導(dǎo)體及其連接電路相對(duì)于地或其他參考物體具有相同的阻抗。

在高頻下很難平衡。實(shí)際電路有許多寄生因素，例如寄生電容和電感。這些參數(shù)在較高頻率的電路阻抗中起很大作用。由于這些寄生參數(shù)的不確定性，電路的阻抗也是不確定的，因此難以確保兩個(gè)導(dǎo)體的阻抗完全相同。因此，在高頻時(shí)，電路平衡趨于變差，這意味著平衡電路對(duì)較高頻率的接地回路電流干擾抑制效果較差。

3.2消除公共阻抗耦合

有兩種方法可以消除公共阻抗耦合。一種是降低公共地線的阻抗，使公共地線上的電壓也降低，從而控制公共阻抗耦合。另一種方法是避免電路的共同接地，這種接地容易通過(guò)適當(dāng)?shù)慕拥胤椒ㄏ嗷ジ蓴_。通常，避免強(qiáng)電電路和弱電電路的接地電路，數(shù)字電路和模擬電路共用地線。并聯(lián)接地的缺點(diǎn)是有太多的電線接地。因此，實(shí)際上，并非所有電路都必須在一個(gè)點(diǎn)上并聯(lián)接地。對(duì)于相互干擾較小的電路，可以使用串聯(lián)單點(diǎn)接地。例如，可以根據(jù)強(qiáng)信號(hào)，弱信號(hào)，模擬信號(hào)，數(shù)字信號(hào)等對(duì)電路進(jìn)行分類(lèi)，然后在同一類(lèi)型電路中與單點(diǎn)串聯(lián)接地，如圖4所示，不同類(lèi)型的電路與單個(gè)點(diǎn)并聯(lián)連接，如圖5所示。如圖所示。當(dāng)信號(hào)頻率低于1 MHz時(shí)，可以使用單點(diǎn)接地方法，使其不形成環(huán)路。當(dāng)信號(hào)頻率高于10 MHz時(shí)，最好使用多點(diǎn)接地來(lái)最小化接地阻抗。電源線和地線應(yīng)盡可能靠近走線，以減小環(huán)路面積，從而減少環(huán)路切割引起的外場(chǎng)磁場(chǎng)干擾，同時(shí)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。您可以使用扁平導(dǎo)體作為接地線，或使用多個(gè)相距很遠(yuǎn)的平行導(dǎo)體來(lái)制作接地線。對(duì)于PCB，雙層板上的接地網(wǎng)可以有效地降低接地阻抗。在多層板中，可以使用一層作為地線來(lái)降低阻抗。

4、結(jié)論

抗干擾設(shè)計(jì)是單一設(shè)計(jì)的重要組成部分-chip系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)往往決定整個(gè)系統(tǒng)的成敗。關(guān)于接地，詳細(xì)討論了許多關(guān)于電磁兼容性的專(zhuān)著，但應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇最佳接地方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)找到并消除接地干擾。本文介紹了地面干擾的原因和解決方案，并說(shuō)明了接地設(shè)計(jì)的一般方法和原理。只有在理論的指導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)過(guò)程和經(jīng)驗(yàn)積累，才能更好地把握接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。并采用干擾消除方式，以便更好地提高電路工作的可靠性。