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PCB设计中地线干扰抑制方法详解

   2014-01-15 安规与电磁兼容网7240

但是这种方式只适用于低频,不能用于高频。因为根据传输线理论,当地线的长度接近信号波长的1/4时,它就相当于一根终端短路的传输线,不仅起不到接地作用,还会有很强的天线效应,向外辐射干扰信号。

总的来说,单点接地适用于较低的频率范围,或者地线长度不超过信号波长的 1/20。

2. 多点接地

多点接地,是指系统中各个接地点都接到距它最近的地平面上,以使接地线最短。这种方式由于地线较短,适用于高频电路。高频信号电路在接地阻抗上起主导作用的是电感,为了降低地线阻抗,在高频端都使用多点接地方式。

但多点接地方式可会形成各种地环路干扰,如下图所示:


图 11 多点接地

如上图可知,每电路对地电位为: 
其中, 为地线等效电阻; 为地线等效电感, 是电路的地电流。

由上述公式可知,为了降低电路的地电位,每个电路的地线应尽可能短而粗,以便降低地线阻抗。

但在高频时,由于趋肤效应,高频电流只流经导体表面,此时要降低地线阻抗,通常采取地线排镀银的方式。

多点接地的优点是电路结构比单点接地简单,可应用于频率大于或等于10MHZ的高频电路,施工时接地连接比单点接地易实现,而且高频下驻波效应可减至最小。

然而,多点接地将会使相距较远的参考地未隔离、两个互连通信设备之间出现多个地线回路,通过地线回路将可能对低电平电路产生干扰,形成地环路干扰,对电气电子设备的正常运行造成不良影响。

目前多点接地方法主要用于如下场合:

(1)高速印制线路板的接地设计:一般在印制线路板中定义一个完整的参考地平面,为了保持地平面的低阻抗特性,尽可能的不对地平面分割或减小过孔的数量。
       (2)相距较远的电气电子设备之间互连信号线通过光电、磁电、继电器等隔离方法,切断其地环路干扰耦合途径或增大其地环路的阻抗等。
       (3)尽可能地减小电气电子设备之间的地电位差,譬如通过多股铜线或扁平铜板将设备各个接地点相连。
否则,应用多点接地方法不但不能消除地线干扰,还可能导致电气电子设备的运行不稳定或抗干扰性能差。

3. 浮地
 对于电子产品而言,浮地是指设备的地线在电气上与参考地及其他导体相绝缘。浮地的目的是将电路与公共接地系统,或可能引起环流的公共导线隔离开,此外,浮地还可以使不同电位之间的电路配合变得容易
实现电路或设备浮地的方法主要有变压器隔离和光电隔离两种。

浮地的最大优点是抗干扰性能好,而缺点是由于不与公共地相连,容易在两者之间造成静电积累,当电荷积累到一定程度后,可能会引起剧烈的静电放电,而成为破坏性很强的干扰源。

一个折中的方案是在浮地与公共地之间跨接一个阻值很大的泄放电阻,用以释放所积累的电荷。

4. 混合接地

混合接地是在单点接地的基础上再通过一些电感或电容多点接地,使用电感或电容,使接地系统在低频和高频时呈现不同的特性,这在宽带敏感电路中是很有必要的。混合接地既包含了单点接地的特性,也包含了多点接地的特性。

电容对低频和直流有较高的阻抗,因此能够避免两个模块之间的地环路形式。当将直流地和射频地分开时,将每个子系统的直流地通过 10~100nF的电容器接到射频地上,这两种地应在一点有低阻抗连接起来,连接点应选在最高翻转速度di/dt信号存在的点。

工频频率介于1~30MHZ的电路采用混合接地方式,当接地线的长度小于工作信号波长的1/20时,采用单点接地方式,否则采用多点接地式,混合接地如下图所示:

 
 图12 混合接地

三、小结

        在抑制共阻抗耦合的地线干扰中,无论是单点接地,还是多点接地,都存在一定的优缺点,需要根据具体情况决定。一般按下列准则选取:
     (1)对于低频(<1MHz),且地线长度较短的情况(<λ/20),选用单点接地方式。
     (2)对于低频(>1MHz),且地线长度较长的情况(>λ/20),选用多点接地方式。
     (3)对于频率介于 1MHz~10MHz 之间,且地线长度与λ/20 相当的情况,选用单点和多点混合地方式。
     (4)对于频率>10MHz 的情况,采用多点接地方式。

 
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