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確保低噪聲和通過(guò)EMC的PCB接地介紹
確保低噪聲和通過(guò)EMC的PCB接地介紹
復(fù)雜系統(tǒng)需要大量關(guān)注，PCB接地是設(shè)計(jì)人員應(yīng)解決的基本系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題之一。如果PCB設(shè)計(jì)正確，則可以使用幾乎總是有效的簡(jiǎn)單策略來(lái)制作簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)。需要多個(gè)板或接地連接的復(fù)雜系統(tǒng)將需要更復(fù)雜的接地策略。該區(qū)域可能會(huì)造成混淆并影響系統(tǒng)的抗噪能力。
通過(guò)EMC會(huì)受到PCB中接地策略和接地物理布局的影響。接地策略之后是布線策略，以解決PCB設(shè)計(jì)中的大多數(shù)EMC問(wèn)題。本文將全面概述復(fù)雜PCB中的接地。它包括具有混合信號(hào)布局、路由、機(jī)箱/接地連接和電源系統(tǒng)的系統(tǒng)。
如何開(kāi)始使用PCB接地
接地和周圍系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)在PCB中扮演著多重角色，包括抗噪性、參考抗擾性、信號(hào)測(cè)量參考和EMC。設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮PCB中的三種接地區(qū)域：
接地： 該接地用于公用設(shè)施布線。如果可用，它可以為任何系統(tǒng)提供最高級(jí)別的安全性。這是通過(guò)一個(gè)實(shí)用櫥柜直接連接到地球。
機(jī)箱接地： 如果系統(tǒng)中存在導(dǎo)電框架，則指的是框架。當(dāng)存在接地連接時(shí)，框架接地通常連接到大地。
信號(hào)接地 雖然大多數(shù)指南不會(huì)告訴您這一點(diǎn)，但它可以是PCB上的接地層和任何能夠?qū)⒎祷仉娏鱾骰叵到y(tǒng)電源的大導(dǎo)體。如果直接使用機(jī)箱，則不應(yīng)考慮信號(hào)地。
當(dāng)電氣系統(tǒng)中有多個(gè)設(shè)備時(shí)，確定這三個(gè)區(qū)域的連接方式可能具有挑戰(zhàn)性。這些連接在PCB設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行了描述（在電路板原理圖和整個(gè)系統(tǒng)的電氣圖中）。
原理圖中用于接地的標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)
在PCB上接地
PCB接地的目的取決于其特定需求。隔離電源與小型電池供電設(shè)備具有不同的準(zhǔn)則。與具有接地連接的系統(tǒng)相比，隔離的電源部分和接地連接將具有更多的PCB接地要求。您可以決定不需要接地，并且可以使用浮動(dòng)接地來(lái)為您的設(shè)備供電。
為了提供屏蔽、返回電流的額外路徑或特定組件的接地連接，還可以在電路板上找到接地結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)通常稱為覆銅，除了方便的接地連接外，還提供其他好處。
我們必須考慮如何向PCB供電、是否存在多個(gè)設(shè)備以及它們是否共享接地。雖然我們將在這里介紹最重要的主題，但有些主題更復(fù)雜，需要單獨(dú)的文章。
帶接地連接的交流電源
這是將電源帶入具有電網(wǎng)電源的電路板的標(biāo)準(zhǔn)方法。它將以中等高電流運(yùn)行。下圖顯示了如何將單相交流電引入系統(tǒng)。然后，我們使用變壓器將其降低到電路板所需的水平。現(xiàn)在，我們的板上有一個(gè)隔離電源，以及所有其他基本組件（高速數(shù)字和精密模擬）。這是因?yàn)?span>PCB疊層將初級(jí)接地 (PGND)與次級(jí)接地(SGND)分開(kāi)。
通過(guò)將PGND與SGND分開(kāi)來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出和輸入之間的電流隔離。這在具有足夠電流以引起安全問(wèn)題的系統(tǒng)中很常見(jiàn)。兩側(cè)接一個(gè)比TX繞組電容大很多的Y型電容。這允許來(lái)自SGND側(cè)的高頻噪聲流入PGND側(cè)并通過(guò)安裝孔連接器返回大地。這為I/O上的ESD事件創(chuàng)建了一條路徑，尤其是當(dāng)它暴露給用戶時(shí)。假設(shè)您有一個(gè)I/O傳遞到具有此配置的連接器。在這種情況下，它應(yīng)該連接到SGND，以確保連接器上的任何ESD事件都通過(guò)PGND安裝孔轉(zhuǎn)移到大地，而不是進(jìn)入相鄰的組件。
無(wú)接地交流電源
當(dāng)安全不是問(wèn)題時(shí)，這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)。一個(gè)簡(jiǎn)單的交流/直流電源適配器可以插入墻上。該適配器可以在適配器的SGND和PGND側(cè)之間提供隔離，但不會(huì)有接地連接。這適用于筆記本電腦等大電流設(shè)備。但是，您仍將在輸入電源和輸出電源之間進(jìn)行隔離。您需要另一種方法來(lái)獲得安全接地。您可以擁有自己的安全接地，或者設(shè)備將使用您的接地平面來(lái)確保安全。
通過(guò) 2 線直流連接的接地連接
這在使用直流電源為設(shè)備供電時(shí)使用。接地連接通常不連接到電路板，而是連接到機(jī)箱。如果您有一個(gè)帶有接地/機(jī)箱連接的直流電源，則可以使用這種類型的電源布置。機(jī)箱可防止ESD并消除任何可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)周圍EMI協(xié)調(diào)的相當(dāng)大的浮動(dòng)金屬鉆頭。最好不要將系統(tǒng)接地直接連接到機(jī)箱。這可能會(huì)形成接地回路并導(dǎo)致過(guò)大的電流流動(dòng)，從而構(gòu)成安全風(fēng)險(xiǎn)。
直接 2 線直流連接，無(wú)接地
如果 2 線直流連接不接地，則它具有可用于連接任何其他接地的浮動(dòng)接地。如果存在金屬機(jī)箱，最好將其靠近直流輸入或端子接地。來(lái)自設(shè)備的任何返回電流都不會(huì)流過(guò)機(jī)箱。這是因?yàn)榻饘俚妆P(pán)不打算用于信號(hào)返回。如果在設(shè)計(jì)中使用高頻射頻源，這只是一個(gè)問(wèn)題。如果發(fā)生這種情況，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)箱周圍產(chǎn)生電容耦合噪聲。在這種情況下，接地連接更好，因?yàn)樗鼘⑻峁┑妥杩孤窂絹?lái)轉(zhuǎn)移噪聲。
多地接地
這在兩臺(tái)設(shè)備之間布線時(shí)最常見(jiàn)。電纜末端的屏蔽層可以接地。這是您需要小心的地方，因?yàn)榻拥剡B接可能具有高達(dá)10 V的直流電勢(shì)差。接地偏移會(huì)導(dǎo)致接地交叉（例如，沿屏蔽線進(jìn)行屏蔽）并導(dǎo)致直流電流過(guò)大，可能會(huì)燒毀電纜。基于電容器的連接可用于屏蔽的任一端，以允許高頻交流噪聲通過(guò)，但會(huì)產(chǎn)生高阻抗直流連接。如果是這種情況，你不應(yīng)該在地球上架橋。
這是一個(gè)令人著迷的事實(shí)，因?yàn)樗畛跏遣罘謱?duì)用于通過(guò)長(zhǎng)鏈路傳輸數(shù)據(jù)的原因。當(dāng)設(shè)備連接到不同的電路時(shí)，差分信號(hào)可以承受較大的接地偏移。使用差值而不是單個(gè)電平的總和來(lái)量化信號(hào)可以抵抗接地偏移和共模噪聲。
那么精密模擬呢？
這并不容易概括，因?yàn)樗囟ㄓ诿總€(gè)布局。如果您使用低頻數(shù)字和模擬，則可以使用單獨(dú)的接地。這將確保返回路徑不會(huì)干擾。大多數(shù)系統(tǒng)將使用單個(gè)PCB接地平面而不是星形接地。因?yàn)樾切谓拥睾蜑E用不同接地區(qū)域會(huì)鼓勵(lì)不良的布線實(shí)踐，我建議新設(shè)計(jì)師只使用一個(gè)接地平面。它還使設(shè)計(jì)人員能夠思考如何在電路板上傳播返回路徑。
低頻模擬測(cè)量（例如使用時(shí)間平均光學(xué)測(cè)量進(jìn)行的測(cè)量）可能需要您使用專用模擬接地通道或差分模擬通道。這將允許防止噪聲干擾。這就是我們處理航空航天傳感器測(cè)量的方式。
ESD可能是任何連接器或I/O的嚴(yán)重問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)方法是通過(guò)機(jī)箱連接到 GND（或保護(hù)接地）。ESD保護(hù)電路將使用一對(duì)或更多齊納二極管來(lái)保護(hù)電路。這將使設(shè)計(jì)能夠承受高壓ESD事件，這可以快速反轉(zhuǎn)基于二極管的ESD電路的偏置。它不允許機(jī)箱用于常規(guī)信號(hào)的返回路徑。ESD保護(hù)在醫(yī)療設(shè)備或商業(yè)空間等高可靠性系統(tǒng)中至關(guān)重要。
韜放PCB設(shè)計(jì)服務(wù)
當(dāng)您準(zhǔn)備好開(kāi)始下一個(gè)高可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，您應(yīng)該與了解PCB接地以及它如何影響系統(tǒng)中的 EMC、噪聲和配電的pcb設(shè)計(jì)公司合作。今天聯(lián)系韜放進(jìn)行咨詢。