電(diàn)气系统中的不连续接地

2020-05-08

在PCB设计和大型電(diàn)源系统设计中，接地经常在電(diàn)路设计中被忽略。对于具有(yǒu)单个電(diàn)源层的4层PCB，接地非常简单，您将需要更多(duō)地考虑布局策略，以抑制噪声耦合并降低EMI敏感性。在具有(yǒu)多(duō)个接地点的更复杂的系统中，您的接地策略可(kě)能(néng)不是那么简单，从而在電(diàn)力電(diàn)子设备中产生一些令人讨厌的噪声问题。

電(diàn)力電(diàn)子系统可(kě)能(néng)有(yǒu)意使用(yòng)不连续接地，但是在系统中实现多(duō)个接地点时要小(xiǎo)心。由于接地回路简单，接地信号不连续，可(kě)能(néng)会掩盖许多(duō)系统中的低電(diàn)平信号。检查系统行為(wèi)时，需要进行一些重要的计算和模拟。特别是，您需要检查接地点之间的泄漏和噪声耦合，包括接地回路的電(diàn)位。 

不连续接地与连续接地

术语“不连续接地”可(kě)能(néng)意味着几件不同的事情：

多(duō)个不直接相互连接的接地点的系统

一个由多(duō)个接地层组成的系统，每个接地层都连接到不同的電(diàn)源返回点

没有(yǒu)在板级或電(diàn)源级别上连接的具有(yǒu)多(duō)种类型接地的系统

将此与典型的接地平面进行对比：只要接地平面是均匀的，并且没有(yǒu)物(wù)理(lǐ)上分(fēn)成多(duō)个部分(fēn)，则可(kě)以认為(wèi)PCB中的接地是连续的。这是在4层板上定义现代PCB接地的标准方法：通常会有(yǒu)两个平面层（電(diàn)源和接地）和2个信号层（顶部和底部）。这有(yǒu)助于防止在其他(tā)系统（例如多(duō)板系统和電(diàn)力電(diàn)子设备）中可(kě)能(néng)发生的接地问题。

多(duō)板系统

无论是在低频率还是高频率下运行，多(duō)板系统的一个主要挑战是保持一致的接地并定义返回路径。通过将電(diàn)路连接到不同的接地点（例如，网络1到電(diàn)源接地，网络2到地面或底盘）可(kě)能(néng)会产生不连续的接地，这可(kě)能(néng)会产生接地环路或允许其他(tā)传导EMI源在两个接地点之间移动不同的板块。这也可(kě)能(néng)导致您错误地创建回路電(diàn)感非常大的接地回路，从而容易受到外部辐射EMI的影响。

電(diàn)力電(diàn)子和低電(diàn)平系统

有(yǒu)时会将高压/大電(diàn)流電(diàn)力電(diàn)子设备放置在铜极重的 2层PCB上，以防止温度过高。要检查不同接地点之间的耦合，您需要考虑如何将每个点与DC和AC電(diàn)流隔离。对于直流電(diàn)源電(diàn)子设备，直流接地之间的隔离非常简单。如果将物(wù)品安排在PCB上，则FR4上两个接地点之间的DC薄层電(diàn)阻约為(wèi)108 Ohms / sq。换句话说，直流薄层電(diàn)阻足够大，以至于直接在接地点之间（即，跨越基板）之间的任何直流泄漏電(diàn)流都太低而无法检测到。

带有(yǒu)不连续接地的板上的开关電(diàn)源不是这种情况。在没有(yǒu)接地层的情况下，接地点之间存在一些杂散電(diàn)容。接地点之间还存在一些杂散電(diàn)容，如果没有(yǒu)接地层，则该杂散電(diàn)容将开始主导接地点之间的阻抗。

您可(kě)以使用(yòng)标准公式粗略计算两点之间的電(diàn)容，其中包括接地点的尺寸和基板的介電(diàn)常数（通常為(wèi)FR4）。该杂散電(diàn)容会在两点之间引起一些噪声耦合，就像高速/高频板上的電(diàn)容串扰一样。您可(kě)以使用(yòng)一些基本的電(diàn)路仿真来量化此噪声水平以及接地点之间初始電(diàn)位差的任何稳定。

在功率谱的另一端，需要在低频下收集低電(diàn)平模拟信号的设备通常不在高层计数板上构建。如果存在不连续的接地，除非使用(yòng)某些滤波和/或锁定放大技术，否则接地环路中循环的噪声和電(diàn)源噪声通常会掩盖所需的信号。在这些系统中，您还需要检查噪声如何在不同的接地点之间耦合以及大的接地环路是否会掩盖所需的信号。

这是您可(kě)以使用(yòng)基于SPICE的模拟器通过一些简单的分(fēn)析步骤来检查電(diàn)源系统中不连续接地的方法。

不连续接地的SPICE仿真

在原理(lǐ)图中定义两个接地点时，可(kě)以使用(yòng)瞬态模拟和扫频来模拟两个接地点之间的電(diàn)容性泄漏電(diàn)流。您可(kě)以使用(yòng)两个接地之间的并联RC電(diàn)路对两个接地点之间的耦合进行建模（请参见下面的示意图）。该電(diàn)路中的電(diàn)阻只是直流電(diàn)阻（非常大的值），而交流電(diàn)容器的電(diàn)容很(hěn)小(xiǎo)。一起，这可(kě)以创建一个微秒(miǎo)级的RC时间常数。

上方绿色框中的電(diàn)路显示了一种简单的方法，可(kě)以在预布局仿真中检查两个最接近的接地点之间的耦合。通过瞬态仿真，您可(kě)以检查一个网络上的地平面波动传播到另一网络所需的时间。这也使您可(kě)以检查嘈杂的接地点如何将噪声感应回安静的地面（即接地回路），以及两个接地点之间的電(diàn)位差如何随时间变化。

如果是接地回路，您可(kě)以尝试通过简单地在其中一个接地网上放置正電(diàn)压源和一些噪声来直接模拟電(diàn)势差。这将定性地模拟两个接地点之间恒定電(diàn)势差（通常為(wèi)mV量级）的影响。明智地放置探头将為(wèi)您提供所需的测量，以查看噪声如何传播回上游组件。在这种类型的仿真中，您可(kě)能(néng)可(kě)以直接看到连续接地层或星形接地对電(diàn)路的好处。