PCB設(shè)計(jì)：地線的干擾與抑制

在PCB設(shè)計(jì)中，尤其是在高頻電路中，經(jīng)常會(huì)遇到由于地線干擾而引起的一些不規(guī)律、不正常的現(xiàn)象。本文對(duì)地線產(chǎn)生干擾的原因進(jìn)行分析，詳細(xì)介紹了地線產(chǎn)生干擾的三種類型，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)提出了解決措施。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)在現(xiàn)場(chǎng)成功運(yùn)行。

在單片機(jī)系統(tǒng)中，PCB(印制電路板)是用來(lái)支撐電路元件，并提供電路元件和器件之間電氣連接的重要組件，PCB導(dǎo)線多為銅線，銅自身的物理特性也導(dǎo)致其在導(dǎo)電過(guò)程中必然存在一定的阻抗，導(dǎo)線中的電感成分會(huì)影響電壓信號(hào)的傳輸，電阻成分則會(huì)影響電流信號(hào)的傳輸，在高頻線路中電感的影響尤為嚴(yán)重，因此，在PCB設(shè)計(jì)中必須注意和消除地線阻抗所帶來(lái)的影響。

1 、產(chǎn)生干擾的原因

電阻與阻抗兩個(gè)不同的概念。電阻指的是在直流狀態(tài)下導(dǎo)線對(duì)電流呈現(xiàn)的阻抗，而阻抗指的是交流狀態(tài)下導(dǎo)線對(duì)電流的阻抗，這個(gè)阻抗主要是由導(dǎo)線的電感引起的。由于地線總是存在阻抗，因此用萬(wàn)用表測(cè)量地線時(shí)，地線的電阻一般是mmΩ級(jí)。

以PCB上一段長(zhǎng)10 cm、寬1．5 mm，厚度為50μm的導(dǎo)線為例，通過(guò)計(jì)算可得到其阻抗的大小。R=ρL／s(Ω)，式中L為導(dǎo)線長(zhǎng)度(m)，s為導(dǎo)線截面積(mm2)，ρ為電阻率ρ=0.02，因此該導(dǎo)線電阻值約為0．026 Ω。

當(dāng)一段導(dǎo)線與其他導(dǎo)線遠(yuǎn)離并且其長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于寬度時(shí)，導(dǎo)線的自感量為0．8 μH／m，那么10 cm長(zhǎng)的導(dǎo)線的電感量是0．08μH。再由下面的公式求出導(dǎo)線感抗：XL=2πfL，下式中，f為導(dǎo)線通過(guò)信號(hào)的頻率(Hz)，L為單位長(zhǎng)度導(dǎo)線的自感量(H)。所以分別計(jì)算出該導(dǎo)線在低頻和高頻下的感抗值：

 

在實(shí)際電路中，造成電磁干擾的信號(hào)往往是脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)包含豐富的高頻成分，因此會(huì)在地線上產(chǎn)生較大的電壓。通過(guò)以上的公式計(jì)算可以看出，在低頻信號(hào)傳輸中導(dǎo)線電阻大于導(dǎo)線感抗，對(duì)于數(shù)字電路，電路的工作頻率很高，在高頻信號(hào)中導(dǎo)線感抗要遠(yuǎn)大于導(dǎo)線電阻。因此，地線阻抗對(duì)數(shù)字電路的影響是十分可觀的。這就是電流流過(guò)小電阻時(shí)產(chǎn)生大壓降，導(dǎo)致電路工作異常的原因。

2 地線干擾機(jī)理

2．1 地環(huán)路干擾

地環(huán)路干擾是一種較常見(jiàn)的干擾現(xiàn)象，常常發(fā)生在通過(guò)較長(zhǎng)電纜連接并且相距較遠(yuǎn)的設(shè)備之間。地線造成電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗，當(dāng)電流流過(guò)地線時(shí)，會(huì)在地線上產(chǎn)生電壓，這就是地線噪聲。在這個(gè)電壓的驅(qū)動(dòng)下，會(huì)產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。如圖1所示是兩個(gè)接地的電路。

 

由于兩個(gè)設(shè)備的地電位不同，形成地電壓，在這個(gè)電壓的驅(qū)動(dòng)下，“設(shè)備1一互聯(lián)電纜一設(shè)備2一地”形成的環(huán)路之間有電流流動(dòng)。由于電路的不平衡性，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此會(huì)產(chǎn)生差模電壓，對(duì)電路造成干擾。

由于地環(huán)路干擾是因地環(huán)路電流而導(dǎo)致的，因此有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把一個(gè)設(shè)備的地線斷開(kāi)后，干擾現(xiàn)象消失，這是因?yàn)榈鼐€斷開(kāi)時(shí)切斷了地環(huán)路。這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在低頻干擾的場(chǎng)合，當(dāng)干擾頻率較高時(shí)，斷開(kāi)地線與否關(guān)系不大。

2．2 公共阻抗干擾

在數(shù)字電路中，由于信號(hào)的頻率較高，地線往往呈現(xiàn)較大的阻抗。這時(shí)，當(dāng)幾個(gè)電路共用一段地線時(shí)，由于地線的阻抗，一個(gè)電路的地電位會(huì)受另一個(gè)電路工作電流的調(diào)制，這樣一個(gè)電路中的信號(hào)會(huì)耦合進(jìn)另一個(gè)電路，這種耦合稱為公共阻抗耦合。

解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線部分的阻抗，或采用單點(diǎn)接地，徹底消除公共阻抗圖2的例子說(shuō)明了一種干擾現(xiàn)象。圖2是一個(gè)有四個(gè)門電路組成的簡(jiǎn)單電路。假設(shè)門1的輸出電平由高變?yōu)榈停@時(shí)電路中的寄生電容(有時(shí)門2的輸入端有濾波電容)會(huì)通過(guò)門1向地線放電，由于地線的阻抗，放電電流會(huì)在地線上產(chǎn)生尖峰電壓，如果這時(shí)門3的輸出是低電平，則這個(gè)尖峰電壓就會(huì)傳到門3的輸出端，門4的輸入端，如果這個(gè)尖峰電壓的幅度超過(guò)門4的噪聲門限，就會(huì)造成門4的誤動(dòng)作。

2．3 地環(huán)路電磁耦合干擾

圖1所示的“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(chǎng)存在，就會(huì)在環(huán)路中產(chǎn)生感生電流，形成干擾。空間磁場(chǎng)的變化無(wú)處不在，于是包圍的面積越大干擾就越嚴(yán)重。

3 解決地線干擾的方法

3．1 解決地環(huán)路干擾

解決地環(huán)路干擾的基本思路有3個(gè)：一個(gè)是減小地線的阻抗，從而減小干擾電壓，但是這對(duì)二種原因?qū)е碌牡丨h(huán)路干擾沒(méi)有效果。二個(gè)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)箱上，通過(guò)另一個(gè)機(jī)箱接地，這就是單點(diǎn)接地的概念。三個(gè)是增加地環(huán)路的阻抗，從而減小地環(huán)路電流。當(dāng)阻抗無(wú)限大時(shí)，實(shí)際是將地環(huán)路切斷，即消除了地環(huán)路。因此提出以下幾種解決地環(huán)路干擾的方案。

1)將一側(cè)的設(shè)備浮地

如果將一側(cè)電路浮地，就切斷了地環(huán)路，因此可以消除地環(huán)路電流。但有兩個(gè)問(wèn)題需要注意，一個(gè)是出于安全的考慮，不允許電路浮地。這時(shí)可以考慮將設(shè)備通過(guò)一個(gè)電感接地。這樣對(duì)于50 Hz的交流電流設(shè)備接地阻抗很小，而對(duì)于頻率較高的干擾信號(hào)，設(shè)備接地阻抗較大，減小了地環(huán)路電流。但這樣做只能減小高頻干擾的地環(huán)路干擾。另一個(gè)問(wèn)題是，盡管設(shè)備浮地，但設(shè)備與地之間還是有寄生電容，這個(gè)電容在頻率較高時(shí)會(huì)提供較低的阻抗，因此并不能有效地減小高頻地環(huán)路電流。

2)使用變壓器

解決地環(huán)路干擾的基本方法是切斷地環(huán)路。用隔離變壓器就起到這個(gè)作用，兩個(gè)設(shè)備之間的信號(hào)傳輸通過(guò)磁場(chǎng)耦合進(jìn)行，而避免了電氣直接連接。這時(shí)地線上的干擾電壓出現(xiàn)在變壓器的初次級(jí)之間，而不是在電路的輸入端。提高變壓器高頻隔離效果的一個(gè)辦法是在變壓器的初次級(jí)之間設(shè)置屏蔽層。但一定要注意隔離變壓器屏蔽層的接地端必須在接受電路一端。否則，不僅不能改善高頻隔離效果，還可能使高頻耦合更加嚴(yán)重。因此，變壓器要安裝在信號(hào)接收設(shè)備的一側(cè)。

變壓器隔離的方法有一些缺點(diǎn)，不能傳輸直流，體積大，成本高。由于變壓器的初次級(jí)之間有寄生電容，因此高頻時(shí)的隔離效果不是很好。

3)使用光隔離元件

用光傳輸信號(hào)是解決地環(huán)路問(wèn)題的理想方法。如圖3所示，光耦器件的寄生電容為2 pF左右，因此能夠在很高的頻率起到隔離作用。如果使用光纖，則沒(méi)有寄生電容的問(wèn)題，能夠獲得十分完善的隔離效果。但是，用光纖會(huì)帶來(lái)其它問(wèn)題，如：需要更大的功率、需要更多的外圍器件，光連接的線形和動(dòng)態(tài)范圍都達(dá)不到模擬信號(hào)的要求、光纜的安裝和維護(hù)比較復(fù)雜等，使用時(shí)應(yīng)注意。

4)使用共模扼流圈

地線電壓實(shí)際是一種共模電壓，在這個(gè)電壓的驅(qū)動(dòng)下，電纜中流過(guò)的電流是共模電流。在連接電纜上使用共模扼流圈相當(dāng)于增加了地環(huán)路的阻抗，這樣在一定的地線電壓作用下，地環(huán)路電流會(huì)減小。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。共模扼流圈的匝數(shù)越多，則寄生電容越大，高頻隔離的效果越差。

5)平衡電路對(duì)地環(huán)路干擾的抑制

平衡電路的定義是兩個(gè)導(dǎo)體及其所連接的電路相對(duì)于地線或其他參考物體具有相同的阻抗。

高頻時(shí)平衡是很困難的，實(shí)際的電路會(huì)有很多寄生因素，如寄生電容、電感等。這些參數(shù)在頻率較高時(shí)對(duì)電路阻抗發(fā)揮著較大作用。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，因此很難保證兩個(gè)導(dǎo)體的阻抗完全相同。因此，在高頻時(shí)，電路平衡性往往較差，這意味著：平衡電路對(duì)頻率較高的地環(huán)路電流干擾抑制效果較差。

3．2 消除公共阻抗耦合

消除公共阻抗耦合的途徑有兩個(gè)，一個(gè)是減小公共地線部分的阻抗，這樣公共地線上的電壓也隨之減小，從而控制公共阻抗耦合。另一個(gè)方法是通過(guò)適當(dāng)?shù)慕拥胤绞奖苊馊菀紫嗷ジ蓴_的電路共用地線，一般要避免強(qiáng)電電路與弱電電路共用地線，數(shù)字電路與模擬電路共用地線等。并聯(lián)接地的缺點(diǎn)是接地的導(dǎo)線過(guò)多。因此在實(shí)際中，沒(méi)有必要所有電路都并聯(lián)單點(diǎn)接地，對(duì)于相互干擾較少的電路，可以采用串聯(lián)單點(diǎn)接地。例如，可以將電路按照強(qiáng)信號(hào)，弱信號(hào)，模擬信號(hào)，數(shù)字信號(hào)等分類，然后在同類電路內(nèi)部用串聯(lián)單點(diǎn)接地，如圖4所示，不同類型的電路采用并聯(lián)單點(diǎn)接地，如圖5所示。當(dāng)信號(hào)頻率低于1 MHz時(shí)可采用單點(diǎn)接地的方法，使其不形成回路。信號(hào)頻率高于10 MHz時(shí)好采用多點(diǎn)接地，盡量降低地線阻抗。電源線與地線應(yīng)盡量靠近走線以減少所包圍的環(huán)路面積，從而減少外界磁場(chǎng)對(duì)環(huán)路切割產(chǎn)生的電場(chǎng)干擾，同時(shí)也減少環(huán)路對(duì)外電磁輻射。

如前所述，減小地線阻抗的核心問(wèn)題是減小地線的電感?？梢允褂帽馄綄?dǎo)體做地線，或用多條相距較遠(yuǎn)的并聯(lián)導(dǎo)體作接地線。對(duì)于PCB，在雙層板上布地線網(wǎng)格能夠有效地減小地線阻抗，在多層板中可以專門用一層做地線來(lái)減小阻抗。

4 、結(jié)論

抗干擾設(shè)計(jì)是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)的好壞往往決定整個(gè)系統(tǒng)的成敗。關(guān)于接地，許多關(guān)于電磁兼容的專著中都有詳細(xì)的論述，但是，好的接地方式應(yīng)該是通過(guò)試驗(yàn)來(lái)選定的，地線干擾也要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)查找和排除。本文介紹了地線引起干擾的原因和解決方法，說(shuō)明了地線設(shè)計(jì)中的一般方法和原則，只有在理論的指導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)過(guò)程和經(jīng)驗(yàn)積累才能更好地掌握接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和干擾排除手段，從而更好的提高電路工作的可靠性。

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