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確保低噪聲和通過EMC的PCB接地介紹
確保低噪聲和通過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)級問題之一。如果PCB設(shè)計(jì)正確，則可以使用幾乎總是有效的簡單策略來制作簡單的設(shè)計(jì)。需要多個板或接地連接的復(fù)雜系統(tǒng)將需要更復(fù)雜的接地策略。該區(qū)域可能會造成混淆并影響系統(tǒng)的抗噪能力。
通過EMC會受到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布局、路由、機(jī)箱/接地連接和電源系統(tǒng)的系統(tǒng)。
如何開始使用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、信號測量參考和EMC。設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)時應(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)提供最高級別的安全性。這是通過一個實(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，框架接地通常連接到大地。
信號接地 雖然大多數(shù)指南不會告訴您這一點(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)考慮信號地。
當(dāng)電氣系統(tǒng)中有多個設(shè)備時，確定這三個區(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系統(tǒng)的電氣圖中）。
原理圖中用于接地的標(biāo)準(zhǔn)符號
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，并且可以使用浮動接地來為您的設(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疊層將初級接地 (PGND)與次級接地(SGND)分開。
通過將PGND與SGND分開來實(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題的系統(tǒng)中很常見。兩側(cè)接一個比TX繞組電容大很多的Y型電容。這允許來自SGND側(cè)的高頻噪聲流入PGND側(cè)并通過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。假設(shè)您有一個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PGND安裝孔轉(zhuǎn)移到大地，而不是進(jìn)入相鄰的組件。
無接地交流電源
當(dāng)安全不是問題時，這是一個標(biāo)準(zhǔn)選項(xiàng)。一個簡單的交流/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確保安全。
通過 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。這可能會形成接地回路并導(dǎo)致過大的電流流動，從而構(gòu)成安全風(fēng)險(xiǎn)。
直接 2 線直流連接，無接地
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。來自設(shè)備的任何返回電流都不會流過機(jī)箱。這是因?yàn)榻饘俚妆P不打算用于信號返回。如果在設(shè)計(jì)中使用高頻射頻源，這只是一個問題。如果發(fā)生這種情況，可能會導(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┑妥杩孤窂絹磙D(zhuǎn)移噪聲。
多地接地
這在兩臺設(shè)備之間布線時最常見。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的直流電勢差。接地偏移會導(dǎo)致接地交叉（例如，沿屏蔽線進(jìn)行屏蔽）并導(dǎo)致直流電流過大，可能會燒毀電纜。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，但會產(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。
這是一個令人著迷的事實(shí)，因?yàn)樗畛跏遣罘謱τ糜谕ㄟ^長鏈路傳輸數(shù)據(jù)的原因。當(dāng)設(shè)備連接到不同的電路時，差分信號可以承受較大的接地偏移。使用差值而不是單個電平的總和來量化信號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€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干擾。大多數(shù)系統(tǒng)將使用單個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)域會鼓勵不良的布線實(shí)踐，我建議新設(shè)計(jì)師只使用一個接地平面。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。
低頻模擬測量（例如使用時間平均光學(xué)測量進(jìn)行的測量）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量的方式。
ESD可能是任何連接器或I/O的嚴(yán)重問題。標(biāo)準(zhǔn)方法是通過機(jī)箱連接到 GND（或保護(hù)接地）。ESD保護(hù)電路將使用一對或更多齊納二極管來保護(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)備好開始下一個高可靠性設(shè)計(jì)時，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。