接地技術(shù)介紹 （二）

一、接地的拓撲結(jié)構(gòu)

接地基本形式有：浮地、單點接地、多點接地、混合接地。

1.1、浮地

采用浮地的目的是將設(shè)備或電路與公共地，或者可能引起環(huán)流的公共導體隔離開來。浮地還可以使不同電位的電路配合（通過光耦、變壓器）變得容易。

浮地的優(yōu)缺點：

浮地的優(yōu)點是電路與外部的地系統(tǒng)有良好的電氣隔離，不容易受到外部地系統(tǒng)上干擾的影響。

浮地的缺點是設(shè)備不與公共地直接連接，容易產(chǎn)生靜電積累，當電荷積累到一定程度，設(shè)備與公共地之間的電位差會引起強烈的靜電放電，成為破壞性很強的干擾源。作為折衷可在采用浮地的設(shè)備與公共地之間接一個阻值很大的電阻，以便泄放掉所積累的電荷。

1.2、單點接地

單點接地是在一個電路和設(shè)備中，只有一個物理點被定義為參考接地點，其他凡是需要接地的點都被連接到這一點上。單點接地分串聯(lián)單點接地、并聯(lián)單點接地。從噪聲觀點看，串聯(lián)單點接地是最差的接地方式，因任何導線都有電阻，流經(jīng)導線的電流都會在導線上產(chǎn)生壓降，造成相互間干擾。    

單點接地的優(yōu)缺點：

單點串聯(lián)接地簡單，但存在共阻抗耦合。單點并聯(lián)接地不存在共阻抗耦合，但接地線過多，單點接地需考慮高頻下接地導線的特性（傳輸線效應(yīng)）。

1.3、多點接地

多點接地是指設(shè)備（或系統(tǒng)）中凡是需要接地的點都是直接接到離它最近的接地平面上（就近接地），以便使接地線的長度為最短，這里所說的接地平面可以是設(shè)備的底板、專用接地母線、甚至是設(shè)備的框架。

多點接地的優(yōu)缺點：

多點接地的優(yōu)點是它在高頻（≥10MHz)場合下應(yīng)用有上佳表現(xiàn)。多點接地的缺點是接地形式看似簡單，但對系統(tǒng)中的眾多接地線的維護提出了更高的要求。因為任何接地點上的腐蝕、松動都會使接地系統(tǒng)出現(xiàn)高阻抗使接地效果變差，多點接地還易產(chǎn)生地環(huán)路干擾。

1.4、混合接地

單點接地的優(yōu)點和多點接地的缺點，促使人們想到混合接地：即個別要求高頻接地的點選擇多點接地（就近接地），其余各點都采用單點接地。所謂混合接地：要求設(shè)計人員對系統(tǒng)各部分工作情況做分析，只將需要就近接地的點直接（或需要高頻接地的點通過旁路電容）與接地平面相連，而其余各點都采用單點接地的辦法。

減小接地阻抗的方法主要有：增加地線走線寬度（W），減小地線走線長度（L）,采用網(wǎng)格接地方式，采用完整地平面方式。

二、地干擾問題分析

2.1、地環(huán)路干擾問題

地環(huán)路干擾是一種常見的干擾現(xiàn)象，常常發(fā)生在通過較長線纜連接的相距較遠的設(shè)備之間，其產(chǎn)生的內(nèi)在原因是地環(huán)路電流的存在。由于地環(huán)路干擾是由地環(huán)路電流導致的，因此在實踐中有時會發(fā)現(xiàn)，當將一個設(shè)備的安全地線斷開時，干擾現(xiàn)象會消失，這是因為斷開了地線，就切斷了地環(huán)路。這種現(xiàn)象通常發(fā)生頻率較低的場合，當干擾頻率較高時，通常會出現(xiàn)共地阻抗干擾。

      地環(huán)路干擾與接地點的位置及接地點的個數(shù)有直接的關(guān)系，是導致低頻 EMI 輻射干擾的重要因素之一。為了抑制地環(huán)路干擾，在接地設(shè)計時，必須進行恰當?shù)慕拥攸c的選擇，包括選擇接地點的位置和個數(shù)。

2.1.1、地環(huán)路干擾形成原因分析

      地環(huán)路干擾形成的原因 1：兩個設(shè)備的地電位不同形成地電壓，在這個地電壓的驅(qū)動下，設(shè)備1—互聯(lián)電纜—設(shè)備 2—地形成的環(huán)路之間有電流流動。由于電路的不平衡性，每根導線上的電流不同，因此會產(chǎn)生差模電壓，對電路造成干擾。地線上的電壓是由于其它功率較大的設(shè)備也用這段地線，在地線中引起較強電流，地線又有較大阻抗產(chǎn)生的。

地環(huán)路干擾形成的原因2：由于互聯(lián)設(shè)備處在較強的電磁場中，電磁場在設(shè)備1—互聯(lián)電纜—設(shè)備2—地形成的環(huán)路中感應(yīng)出環(huán)路電流，與原因1的過程一樣導致干擾。

2.1.2、地環(huán)路干擾的解決思路

解決地環(huán)路干擾的基本思路有兩個：一個是減小地線的阻抗，從而減小干擾電壓。另一個是增加地環(huán)路的阻抗，從而減小地環(huán)路電流。當阻抗無限大時，實際是將地環(huán)路切斷，即消除了地環(huán)路。具體方法有：變壓器隔離、光耦隔離、共模扼流圈、平衡電路。

變壓器隔離：

光耦隔離：    

共模電感：

平衡電路：

2.2、公共地阻抗干擾    

公共阻抗干擾當兩個電路共用一段地線時，由于地線的阻抗，一個電路的地電位會受另一個電路工作電流的調(diào)制。這樣一個電路中的信號會耦合進另一個電路，這種耦合稱為公共阻抗耦合。

公共地阻抗干擾的解決思路

       消除公共阻抗耦合的途徑有兩個，一個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。另一個方法是通過適當?shù)慕拥胤绞奖苊馊菀紫嗷ジ蓴_的電路共用地線，一般要避免強電電路和弱電電路共用地線，數(shù)字電路和模擬電路共用地線。

2.3、地彈問題

2.3.1、什么是地彈

地彈就是地噪聲。低頻時地噪聲主要是因為構(gòu)成地線的導體有〝電阻〞，電路系統(tǒng)的電流都要流經(jīng)地線而產(chǎn)生的電位差波動。高頻時地噪聲主要是因為構(gòu)成地線的導體有〝電感〞，電路系統(tǒng)的快速變化電流經(jīng)過這個 〝電感時〞，〝電感〞兩端激發(fā)出更強的電壓波動，形象的稱為〝?shù)貜棬暋?/p>

2.3.2、地彈的危害

ü地彈會使其它信號耦合噪聲，造成有用信號被干擾。    

ü地彈會導致嚴重的輻射問題。

ü地彈會造成參考地電位的急劇變化，信號會因參考電位不穩(wěn)定導致傳輸錯誤。

ü低供電芯片會因地彈無法正常工作。

2.3.3、如何解決地彈

      解決〝?shù)貜棬暚F(xiàn)象的最直接最有效的方法是，采用多層板設(shè)計，多層板可以提供完整的參考地平面，則相對而言地平面寄生電感較小，電流流過參考地平面時，地電壓波動就較小，系統(tǒng)工作就會更穩(wěn)定。

三、參考平面&PCB 疊層設(shè)計

3.1、參考平面的作用

3.1.1、什么是參考平面

參考平面為高頻電流提供一個返回源頭的低阻抗路徑（通量對消或通量最小化）；為

不同電路之間提供基準參考電位點。電源平面、地平面均能用作參考平面，電源平面作為

參考平面時有較高的阻抗，而地平面作為基準參考電平，阻抗相對較低，其回流效果遠遠

優(yōu)于電源平面，因而在選擇參考平面時，應(yīng)優(yōu)選地平面。

3.1.2、參考平面設(shè)計的原理

磁通對消原理：根據(jù)麥克斯韋方程，磁通總是在傳輸線中傳播的，如果射頻回流路徑平行靠近其相應(yīng)的信號路徑，則回流路徑上的磁通（順時針場）與信號路徑上的磁通（逆時針場）是方向相反的，那么順時針場和逆時針場相互疊加，則得到了通量對消的效果。    

為消除PCB中的射頻能量，在PCB設(shè)計中必須采用磁通量對消或磁通量最小化技術(shù)。PCB層疊EMC規(guī)劃與設(shè)計的思路就是合理規(guī)劃信號回流路徑，使得磁通對消。

3.1.3、參考平面與回流路徑

當使用電源平面、地平面做為參考平面時，微帶線因為信號布線與參考平面之間緊密耦合的緣故，回返電流會在參考平面上布線的直接正下方（或正上）流動。對稱帶狀線回返電流平均使用上下兩個平面。非對稱帶狀線常見于多層板，大部分的回流電流流經(jīng)靠其最近的參考平面。

3.1.4、三種常見 PCB 設(shè)計參考平面換層形式

v信號換層，參考層不變：    

此種情況下回返電流將在同一參考平面層流動，不需要加任何處理措施。

v信號換層，參考層由一個地平面換到另一個地平面：

此種情況下回返電流在兩個地平面上流動，則必須在布線換層的過孔附近設(shè)置一個地過孔連接兩個地層。

v信號換層，參考層由地平面換到電源平面：    

此種情況下回返電流分別在電源平面和地平面流動， 則必須在布線換層的過孔附近設(shè)置去耦合電容將地層與電源層連接起來。

3.2、PCB 疊層設(shè)計

3.2.1、PCB 疊層設(shè)計的基本規(guī)則

PCB疊層設(shè)計不是層的簡單堆疊，信號回流面積最小化是關(guān)鍵，它與信號層、地層、電源層的安排有關(guān)，一般應(yīng)按以下原則進行疊層設(shè)計。

ü信號回流面積最小化（尤其是高速信號）

ü?jié)M足信號的特性阻抗（尤其是高速信號）

ü?jié)M足參考平面完整性原則。

ü電源平面層緊鄰地平面層

3.2.2、推薦 PCB 疊層設(shè)計

推薦的四層板疊層設(shè)計：    

上述疊層設(shè)計，信號布線均有完整的參考平面，同時電源層與地層相鄰，電源層也具備完整參考地平面，需要特別注意的是電源層不同電源分隔時信號參考的完整性。

推薦的六層板疊層設(shè)計：

上述疊層設(shè)計，信號布線均有完整的參考平面，同時電源層與地層相鄰，電源層也具備完整參考地平面，需要特別注意的是電源層不同電源分隔時信號參考的完整性。