怎樣理解直流電源電路“接地”概念
2017-5-29 12:27:59??????點(diǎn)擊：
參考文獻(xiàn)
信號完整性公眾號 蔣修國
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在大多數(shù)直流電源電子系統(tǒng)中，降噪是一個(gè)重要設(shè)計(jì)問題。與功耗限制、環(huán)境溫度變化、尺寸限制以及速度和精度要求一樣，必須處理好無所不在的噪聲因素，才能使最終設(shè)計(jì)獲得成功。
這里，我們不考慮用于降低“外部噪聲”（與直流電源信號一起到達(dá)系統(tǒng)）的技術(shù)，因?yàn)槠浯嬖谝话悴皇茉O(shè)計(jì)工程師直接控制。相比之下，防止“內(nèi)部噪聲”（直流電源電路或系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生或耦合的噪聲）擾亂直流電源信號則是設(shè)計(jì)工程師的直接責(zé)任。今天我們就說說“接地”，而且是針對高頻工作的“接地"
“接地”(Grounding)一般指將直流電源電路、設(shè)備或系統(tǒng)連接到一個(gè)作為參考電位點(diǎn)或參考電位面的良好導(dǎo)體上，為直流電源電路或系統(tǒng)與“地”之間建立一個(gè)低阻抗的通道。
地線是作為直流電源電路或系統(tǒng)電位基準(zhǔn)點(diǎn)的等電位體，是系統(tǒng)中各個(gè)直流電源電路的公共導(dǎo)體，任何直流電源電路的電流都會(huì)經(jīng)過地線形成回路。然而，任何導(dǎo)體都存在著一定的阻抗，當(dāng)?shù)鼐€中有電流通過時(shí)，根據(jù)歐姆定律，地線上就會(huì)有電壓存在，那么地線就不是一個(gè)等電位體。所以在實(shí)際設(shè)計(jì)直流電源電路或系統(tǒng)時(shí)，關(guān)于地線上各點(diǎn)的電位一定相等的假設(shè)就不是成立的，實(shí)際的情況是底線上各點(diǎn)存在電位差，有的相位差還可能很大。地線的公共阻抗會(huì)使各接地點(diǎn)間形成一定的電壓，從而就會(huì)產(chǎn)生接地干擾。
如上面所說，地線作為導(dǎo)體，存在一定的阻抗，顧名思義，阻抗也就是由電阻和感抗兩部分組成，即：
導(dǎo)體的阻抗是頻率的函數(shù)，隨著頻率的升高，阻抗增加很快。對于高速數(shù)字直流電源電路而言，直流電源電路的時(shí)鐘頻率是很高的，脈沖直流電源信號包涵豐富的高頻成分，因此會(huì)在地線上產(chǎn)生較大的電壓，則地線阻抗對數(shù)字直流電源電路的干擾十分可觀。
在直流電源電子產(chǎn)品的PCB設(shè)計(jì)中，抑制或防止地線干擾是需要考慮的最主要問題之一。所謂干擾，必然是發(fā)生在不同的單元直流電源電路、部件或系統(tǒng)之間，而地線干擾是指通過公用地線的方式產(chǎn)生的直流電源信號干擾。注意這里所提到的直流電源信號，通常是指交流直流電源信號或者跳變直流電源信號。地線干擾的形式很多，有人把它歸結(jié)成兩類：地線環(huán)路干擾、公共阻抗干擾，其實(shí)應(yīng)該還要加上地線環(huán)路的電磁耦合干擾，因此是三類。下圖可以很好的說明三類地線干擾的成因。
一、地環(huán)路干擾。橫向，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此會(huì)產(chǎn)生差模電壓，對直流電源電路造成影響。具體的說就是“其他直流電源電路單元B”的地線電流，在J、N、L、M形成的“地線環(huán)路”中，對放大器A1和A2造成了影響。由于這種干擾是由電纜與地線構(gòu)成的環(huán)路電流產(chǎn)生的，因此成為地環(huán)路干擾。
二、地環(huán)路電磁耦合干擾。在實(shí)際直流電源電路的PCB上，J、N、L、M形成的“地線環(huán)路”將包圍一定的面積，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，如果這個(gè)環(huán)路所包圍的面積中有變化的磁場存在，就會(huì)在環(huán)路中產(chǎn)生感生電流，形成干擾?？臻g磁場的變化無處不在，于是包圍的面積越大干擾就越嚴(yán)重。
三、公共阻抗干擾。認(rèn)真考察上圖所示的直流電源電路結(jié)構(gòu)，我們將發(fā)現(xiàn)，J、N、L、M中，有一條連接是多余的，隨便去除其一，仍然可以滿足各個(gè)接地點(diǎn)的連通關(guān)系，同時(shí)又可以消除地線環(huán)路。那么，將哪一條連線去除比較合理呢？這時(shí)就要考慮另一類的干擾問題——公共阻抗干擾。
①去除J：這是最差的方案。J去除后地線環(huán)路似乎消失了，可是另一個(gè)更可怕的環(huán)路又形成了（I、N、L、M），其中I是直流電源信號線，因此干擾比原來有線J時(shí)還要嚴(yán)重。
②去除M：環(huán)路消失，但是我們發(fā)現(xiàn)，此時(shí)放大器A2的地線電流需要流過J、N到達(dá)接地零點(diǎn)，注意N段是A1和A2共同的接地線，因此A2接地電流在N上形成的電壓降就加到了A1上，形成干擾。這種因共用一段地線而形成的干擾稱為“公共阻抗干擾”。
③去除L：不僅不能解決A2與A1之間的公共阻抗干擾問題，還引起了“B單元直流電源電路”與A1、A2之間的公共阻抗干擾問題。
④去除N：看來這是最后的方法。其實(shí)這樣做將使M成為A1、A2的“公用阻抗”，同樣形成干擾。還是存在問題！但是，我們注意到，此法中的干擾是A1對A2的干擾，A2是后級，工作直流電源信號強(qiáng)度遠(yuǎn)大于A1，因此A1對A2的干擾，很難造成不良后果。
最合理的走線方案是：去除N，然后將M的下端直接連到“接地直流電源信號零點(diǎn)”上。
以上是關(guān)于接地干擾產(chǎn)生的原因，下面再介紹的幾種常見的接地方式，結(jié)合前面對接地干擾產(chǎn)生原因的了解，有助于我們在實(shí)際設(shè)計(jì)PCB板直流電源電路時(shí)，正確的選擇干擾最小的接地方式，設(shè)計(jì)出合理的直流電源電路或系統(tǒng)。
直流電源信號接地方式可以大體上分為：單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、混合接地和懸浮接地。
一、單點(diǎn)接地。單點(diǎn)接地就是把真?zhèn)€直流電源電路系統(tǒng)中的某一點(diǎn)作為接地的基準(zhǔn)點(diǎn)，所有直流電源電路及設(shè)備的地線都必須接到這一點(diǎn)上，并以該點(diǎn)作為直流電源電路、設(shè)備的零電位參考點(diǎn)。單點(diǎn)接地又分為串聯(lián)單點(diǎn)接地和并聯(lián)單點(diǎn)接地。如下圖所示：
圖２.串聯(lián)單點(diǎn)接地
對于串聯(lián)式單點(diǎn)接地方式,如果該直流電源電路的功率很大,會(huì)產(chǎn)生很大的直流電源電路回流,在有限阻抗上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓降,造成直流電源電路和基準(zhǔn)地之間的電壓參考值的差異可能使系統(tǒng)不能如預(yù)期的那樣工作。如存在多種不同功率等級的直流電源電路,不能采用串聯(lián)式單點(diǎn)接地方式,因?yàn)榇蠊β手绷麟娫措娐樊a(chǎn)生大的回地電流,將影響低功率器件和直流電源電路。如果說一定要采取這種接地方法,那么最敏感的直流電源電路必須直接設(shè)置在直流電源輸入位置處,并且盡量遠(yuǎn)離低功率器件和直流電源電路。串聯(lián)單點(diǎn)接地方式和結(jié)構(gòu)都比較簡單，如果各個(gè)直流電源電路的接地引線比較短，其阻抗也會(huì)相對小。如果各個(gè)直流電源電路的接地電平差別不大，可以采用這種接地方式。
并聯(lián)單點(diǎn)接地方式中，每個(gè)直流電源電路單元獨(dú)用地線連接到同意地點(diǎn)，其優(yōu)點(diǎn)是各直流電源電路的地點(diǎn)為只與本直流電源電路的地電流及地線阻抗有關(guān)，不受其他直流電源電路的影響。低頻時(shí)可有效的避免各直流電源電路單元之間的低阻抗干擾，但是也存在很多缺點(diǎn)。主要表現(xiàn)在：首先，各個(gè)直流電源電路分別采用獨(dú)立地線接地，需要多跟地線，勢必增加地線長度，從而增加地阻抗，結(jié)構(gòu)復(fù)雜使用麻煩；其次，這種接地方式會(huì)造成各地線互相間的耦合，并且隨著頻率增加，地線阻抗、地線電感、電線電容都會(huì)增大，這種接地方式不適用高頻直流電源電路。
二、多點(diǎn)接地。多點(diǎn)接地是指某一個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)需要接地的直流電源電路、設(shè)備都直接接到距離它最近的接地平面上，一邊接地長度最短，接地阻抗減到最小。
當(dāng)直流電源電子系統(tǒng)的工作頻率高于1MHz時(shí),以致工作波長與系統(tǒng)接地引線的長度可比擬時(shí),地線就象一根終端短路的傳輸線,地線的電流、電壓呈駐波分布,地線變成了輻射天線,而不能起到地線的作用。為了減少接地阻抗,避免輻射,地線的長度應(yīng)小于1/20波長,因而單點(diǎn)接地方法是不合理的,通常采用多點(diǎn)接地技術(shù)。多點(diǎn)接地直流電源電路結(jié)構(gòu)簡單,接地線上可能出現(xiàn)的高頻駐波現(xiàn)象顯著減少,但多點(diǎn)接地可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部形成許多接地環(huán)路,容易對設(shè)備內(nèi)部的敏感店里產(chǎn)生地環(huán)路干擾。
一般來說，頻率在1MHz以下時(shí)可采用單點(diǎn)接地方式，頻率高于10MHz時(shí)可采用多點(diǎn)接地方式，而頻率在1——10MHz時(shí)，通常采用混合接地方式。
三、混合接地?；旌徒拥厥菃吸c(diǎn)接地和多點(diǎn)接地的復(fù)合。在PCB 中存在高低頻混合頻率時(shí),常使用這種接地方式。
圖5.混合接地-容性耦合 圖6.混合接地-感性耦合
圖5和圖6提供了兩種混和接地方法。對于電容耦合型直流電源電路，在低頻時(shí)呈現(xiàn)單點(diǎn)接地結(jié)構(gòu)，而在高頻時(shí)呈現(xiàn)多點(diǎn)接地狀態(tài)。這是因?yàn)殡娙輰⒏哳l電流分流到了地。這種方法成功的關(guān)鍵在于清楚使用的頻率和接地電流預(yù)期流向。在接地拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中使用電容和電感，使我們能用一種優(yōu)化設(shè)計(jì)的方式控制射頻電流。通過確定射頻電流要通過的路徑，可以控制PCB 的布線。對射頻電流回路缺乏認(rèn)識(shí)可能導(dǎo)致輻射或敏感度方面的問題。
四、懸浮接地。
懸浮地是指設(shè)備的地線系統(tǒng)與殼體構(gòu)件的接大地系統(tǒng)在電氣上相互絕緣，以防止殼體構(gòu)件中的電磁干擾傳導(dǎo)到設(shè)備中去。但是，由于設(shè)備不與公共地相連，故懸浮接地容易在兩者之間造成靜電積累，當(dāng)電荷積累到一定程度后，在設(shè)備與公共地之間的電位差可能引起劇烈的靜電放電，產(chǎn)生干擾放電電流。懸浮接地不適用于通信系統(tǒng)中。
了解了以上的內(nèi)容，那么在實(shí)際的BCB板的印刷中，要以上面的理論依據(jù)為基礎(chǔ)對地線進(jìn)行合理布局。
在對地線布局時(shí)，通常要注意以下幾點(diǎn)：
一、數(shù)字地與模擬地要分開；
二、數(shù)字直流電源電路地線不要構(gòu)成閉合環(huán)路；
三、多層PCB中,盡量將地線層和直流電源層放置在相鄰的層中；
四、地線、直流電源線和直流電源信號線寬度設(shè)計(jì)要合理。
以上這些注意點(diǎn)，要在實(shí)際操作中慢慢研究體會(huì)。
在進(jìn)行高速直流電源電路設(shè)計(jì)時(shí)，合理的接地設(shè)計(jì)是最有效的電磁兼容設(shè)計(jì)技術(shù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，90%的電磁兼容問題是由于布線和接地不當(dāng)造成的。好的布線和接地既能夠提高抗擾度，又能減小干擾發(fā)射，同時(shí)也有可能再成本較低的情況下解決許多電磁干擾問題，所以在進(jìn)行高速直流電源電路的PCB板設(shè)計(jì)時(shí)，合理的設(shè)計(jì)接地至關(guān)重要。
一般提倡直流電源和直流電源信號電流最好通過“接地層”返回，而且該層還可為轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)電壓源和其它子直流電源電路提供參考節(jié)點(diǎn)。但是，即便廣泛使用接地層也不能保證交流直流電源電路具有高質(zhì)量接地參考。
圖 1所示為簡單直流電源電路采用兩層印刷直流電源電路板制造，頂層上有一個(gè)交直流電流源，其一端連到過孔 1，另一端通過一條 U 形銅走線連到過孔 2。兩個(gè)過孔均穿過直流電源電路板并連到接地層。理想情況下，阻抗為 0，電流源上的電壓為 0 V。
圖 1. 電流源的原理圖和布局，PC板上布設(shè)U形走線，通過接地層返回。
這個(gè)簡單的原理圖遠(yuǎn)不能反映真實(shí)的情況，但了解電流如何在接地層中從過孔 1 流到過孔 2，將有助于我們看清實(shí)際問題所在，并找到消除高頻布局接地噪聲的方法。
電感與電流環(huán)路的面積成比例，二者之間的關(guān)系可以用圖 2 所示的右手法則和磁場來說明。環(huán)路之內(nèi)，沿著環(huán)路所有部分流動(dòng)的電流所產(chǎn)生的磁場相互增強(qiáng)。環(huán)路之外，不同部分所產(chǎn)生的磁場相互削弱。因此，磁場原則上被限制在環(huán)路以內(nèi)。環(huán)路越大則電感越大，這意味著：對于給定的電流水平，它儲(chǔ)存的磁能更多，阻抗更高，因而將在給定頻率產(chǎn)生更大電壓。
圖2. 磁力線和感性環(huán)路
在圖中所示的簡單例子中，面積最小的環(huán)路顯然是由 U 形頂部走線與其正下方的接地層部分所形成的環(huán)路。圖 3（左）則顯示了大多數(shù)交流電流在接地層中選取的路徑，它所圍成的面積最小，位于 U 形頂部導(dǎo)線正下方。實(shí)際應(yīng)用中，接地層電阻會(huì)導(dǎo)致低中頻電流流向直接返回路徑與頂部導(dǎo)線正下方之間的某處（右圖）。不過，即使頻率低至 1-2 MHz，返回路徑也是接近頂部走線的下方。
圖 3. 接地層中不含（左圖）和含（右圖）電阻的交流電流路徑
如何避免布局問題？一旦了解電流在接地層中的返回路徑，就可以找出并糾正常見布局問題。例如在圖4 中，路徑 A 被認(rèn)定是關(guān)鍵路徑，應(yīng)當(dāng)保持最短，遠(yuǎn)離數(shù)字線路，并且不得有過孔。路徑 B 不那么重要，但需要穿過路徑 A。通常是切開路徑 A 下面的接地層，然后經(jīng)過兩個(gè)過孔并在路徑 A 下方布設(shè)路徑 B。
圖4. 路徑交叉時(shí)的典型 PCB 布局問題
但結(jié)果令人遺憾，兩個(gè)直流電源信號的接地回路中均引入了電感，因?yàn)橹袛嗟慕拥貙邮箖蓷l環(huán)路的面積均變得更大。路徑 A 傳導(dǎo)高頻直流電源信號，因此接地層的開口上將出現(xiàn)感應(yīng)壓降。對于典型的 ECL或 TTL 直流電源信號，此壓降可能大于數(shù)百毫伏，足以嚴(yán)重影響 12 位、10 MHz 轉(zhuǎn)換器或 8 位、20-MHz 轉(zhuǎn)換器的性能。簡單的補(bǔ)救方法是在接地層的切口上添加一根導(dǎo)線，使環(huán)路面積保持較小。
直流電源干擾是另一個(gè)值得關(guān)注的問題。直流電源線的特性阻抗必須盡可能低。為使此比值較小，需要使接地層始終位于直流電源線下方，以便降低電感并提高電容。有選擇地將旁路電容放在關(guān)鍵位置上，可以進(jìn)一步提高電容。如果只顧及到電容，例如將 0.1 μF 電容放在直流電源引腳上以降低其阻抗，則電感為 30 nH 的直流電源線在每次瞬變之后將具有大約 3MHz 的阻尼振蕩。
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