确保低噪声和通过EMC的PCB接地介绍

2022-07-08

确保低噪声和通过EMC的PCB接地介绍

复杂系统需要大量关注，PCB接地是设计人员应解决的基本系统级问题之一。如果PCB设计正确，则可(kě)以使用(yòng)几乎总是有(yǒu)效的简单策略来制作简单的设计。需要多(duō)个板或接地连接的复杂系统将需要更复杂的接地策略。该區(qū)域可(kě)能(néng)会造成混淆并影响系统的抗噪能(néng)力。

通过EMC会受到PCB中接地策略和接地物(wù)理(lǐ)布局的影响。接地策略之后是布線(xiàn)策略，以解决PCB设计中的大多(duō)数EMC问题。本文(wén)将全面概述复杂PCB中的接地。它包括具有(yǒu)混合信号布局、路由、机箱/接地连接和電(diàn)源系统的系统。

如何开始使用(yòng)PCB接地

接地和周围系统的物(wù)理(lǐ)结构在PCB中扮演着多(duō)重角色，包括抗噪性、参考抗扰性、信号测量参考和EMC。设计复杂系统时应考虑PCB中的三种接地區(qū)域：

接地： 该接地用(yòng)于公用(yòng)设施布線(xiàn)。如果可(kě)用(yòng)，它可(kě)以為(wèi)任何系统提供最高级别的安全性。这是通过一个实用(yòng)橱柜直接连接到地球。

机箱接地： 如果系统中存在导電(diàn)框架，则指的是框架。当存在接地连接时，框架接地通常连接到大地。

信号接地 虽然大多(duō)数指南不会告诉您这一点，但它可(kě)以是PCB上的接地层和任何能(néng)够将返回電(diàn)流传回系统電(diàn)源的大导體(tǐ)。如果直接使用(yòng)机箱，则不应考虑信号地。

当電(diàn)气系统中有(yǒu)多(duō)个设备时，确定这三个區(qū)域的连接方式可(kě)能(néng)具有(yǒu)挑战性。这些连接在PCB设计软件中进行了描述（在電(diàn)路板原理(lǐ)图和整个系统的電(diàn)气图中）。

原理(lǐ)图中用(yòng)于接地的标准符号

在PCB上接地

PCB接地的目的取决于其特定需求。隔离電(diàn)源与小(xiǎo)型電(diàn)池供電(diàn)设备具有(yǒu)不同的准则。与具有(yǒu)接地连接的系统相比，隔离的電(diàn)源部分(fēn)和接地连接将具有(yǒu)更多(duō)的PCB接地要求。您可(kě)以决定不需要接地，并且可(kě)以使用(yòng)浮动接地来為(wèi)您的设备供電(diàn)。

為(wèi)了提供屏蔽、返回電(diàn)流的额外路径或特定组件的接地连接，还可(kě)以在電(diàn)路板上找到接地结构。这些结构通常称為(wèi)覆铜，除了方便的接地连接外，还提供其他(tā)好处。

我们必须考虑如何向PCB供電(diàn)、是否存在多(duō)个设备以及它们是否共享接地。虽然我们将在这里介绍最重要的主题，但有(yǒu)些主题更复杂，需要单独的文(wén)章。

带接地连接的交流電(diàn)源

这是将電(diàn)源带入具有(yǒu)電(diàn)网電(diàn)源的電(diàn)路板的标准方法。它将以中等高電(diàn)流运行。下图显示了如何将单相交流電(diàn)引入系统。然后，我们使用(yòng)变压器将其降低到電(diàn)路板所需的水平。现在，我们的板上有(yǒu)一个隔离電(diàn)源，以及所有(yǒu)其他(tā)基本组件（高速数字和精密模拟）。这是因為(wèi)PCB叠层将初级接地 (PGND)与次级接地(SGND)分(fēn)开。

通过将PGND与SGND分(fēn)开来实现输出和输入之间的電(diàn)流隔离。这在具有(yǒu)足够電(diàn)流以引起安全问题的系统中很(hěn)常见。两侧接一个比TX绕组電(diàn)容大很(hěn)多(duō)的Y型電(diàn)容。这允许来自SGND侧的高频噪声流入PGND侧并通过安装孔连接器返回大地。这為(wèi)I/O上的ESD事件创建了一条路径，尤其是当它暴露给用(yòng)户时。假设您有(yǒu)一个I/O传递到具有(yǒu)此配置的连接器。在这种情况下，它应该连接到SGND，以确保连接器上的任何ESD事件都通过PGND安装孔转移到大地，而不是进入相邻的组件。

无接地交流電(diàn)源

当安全不是问题时，这是一个标准选项。一个简单的交流/直流電(diàn)源适配器可(kě)以插入墙上。该适配器可(kě)以在适配器的SGND和PGND侧之间提供隔离，但不会有(yǒu)接地连接。这适用(yòng)于筆(bǐ)记本電(diàn)脑等大電(diàn)流设备。但是，您仍将在输入電(diàn)源和输出電(diàn)源之间进行隔离。您需要另一种方法来获得安全接地。您可(kě)以拥有(yǒu)自己的安全接地，或者设备将使用(yòng)您的接地平面来确保安全。

通过 2 線(xiàn)直流连接的接地连接

这在使用(yòng)直流電(diàn)源為(wèi)设备供電(diàn)时使用(yòng)。接地连接通常不连接到電(diàn)路板，而是连接到机箱。如果您有(yǒu)一个带有(yǒu)接地/机箱连接的直流電(diàn)源，则可(kě)以使用(yòng)这种类型的電(diàn)源布置。机箱可(kě)防止ESD并消除任何可(kě)能(néng)导致设计周围EMI协调的相当大的浮动金属钻头。最好不要将系统接地直接连接到机箱。这可(kě)能(néng)会形成接地回路并导致过大的電(diàn)流流动，从而构成安全风险。

直接 2 線(xiàn)直流连接，无接地

如果 2 線(xiàn)直流连接不接地，则它具有(yǒu)可(kě)用(yòng)于连接任何其他(tā)接地的浮动接地。如果存在金属机箱，最好将其靠近直流输入或端子接地。来自设备的任何返回電(diàn)流都不会流过机箱。这是因為(wèi)金属底盘不打算用(yòng)于信号返回。如果在设计中使用(yòng)高频射频源，这只是一个问题。如果发生这种情况，可(kě)能(néng)会导致机箱周围产生電(diàn)容耦合噪声。在这种情况下，接地连接更好，因為(wèi)它将提供低阻抗路径来转移噪声。

多(duō)地接地

这在两台设备之间布線(xiàn)时最常见。電(diàn)缆末端的屏蔽层可(kě)以接地。这是您需要小(xiǎo)心的地方，因為(wèi)接地连接可(kě)能(néng)具有(yǒu)高达10 V的直流電(diàn)势差。接地偏移会导致接地交叉（例如，沿屏蔽線(xiàn)进行屏蔽）并导致直流電(diàn)流过大，可(kě)能(néng)会烧毁電(diàn)缆。基于電(diàn)容器的连接可(kě)用(yòng)于屏蔽的任一端，以允许高频交流噪声通过，但会产生高阻抗直流连接。如果是这种情况，你不应该在地球上架桥。

这是一个令人着迷的事实，因為(wèi)它最初是差分(fēn)对用(yòng)于通过長(cháng)链路传输数据的原因。当设备连接到不同的電(diàn)路时，差分(fēn)信号可(kě)以承受较大的接地偏移。使用(yòng)差值而不是单个電(diàn)平的总和来量化信号可(kě)以抵抗接地偏移和共模噪声。

那么精密模拟呢(ne)？

这并不容易概括，因為(wèi)它特定于每个布局。如果您使用(yòng)低频数字和模拟，则可(kě)以使用(yòng)单独的接地。这将确保返回路径不会干扰。大多(duō)数系统将使用(yòng)单个PCB接地平面而不是星形接地。因為(wèi)星形接地和滥用(yòng)不同接地區(qū)域会鼓励不良的布線(xiàn)实践，我建议新(xīn)设计师只使用(yòng)一个接地平面。它还使设计人员能(néng)够思考如何在電(diàn)路板上传播返回路径。

低频模拟测量（例如使用(yòng)时间平均光學(xué)测量进行的测量）可(kě)能(néng)需要您使用(yòng)专用(yòng)模拟接地通道或差分(fēn)模拟通道。这将允许防止噪声干扰。这就是我们处理(lǐ)航空航天传感器测量的方式。

ESD可(kě)能(néng)是任何连接器或I/O的严重问题。标准方法是通过机箱连接到 GND（或保护接地）。ESD保护電(diàn)路将使用(yòng)一对或更多(duō)齐纳二极管来保护電(diàn)路。这将使设计能(néng)够承受高压ESD事件，这可(kě)以快速反转基于二极管的ESD電(diàn)路的偏置。它不允许机箱用(yòng)于常规信号的返回路径。ESD保护在医疗设备或商(shāng)业空间等高可(kě)靠性系统中至关重要。

韬放PCB设计服務(wù)

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