眾所周知,良好的EMC設(shè)計(jì)離不開優(yōu)秀的接地,本文詳細(xì)介紹三種常用接地方法。
一、地的分割與匯接
接地是抑制電磁干擾、提高電子設(shè)備EMC性能的重要手段之一。正確的接地既能提高產(chǎn)品抑制電磁干擾的能力,又能減少產(chǎn)品對外的EMI發(fā)射。
二、接地的含義
電子設(shè)備的“地”通常有兩種含義:一種是“大地”(安全地),另一種是“系統(tǒng)基準(zhǔn)地”(信號地)。接地就是指在系統(tǒng)與某個電位基準(zhǔn)面之間建立低阻的導(dǎo)電通路。“接大地”就是以地球的電位為基準(zhǔn),并以大地作為零電位,把電子設(shè)備的金屬外殼、電路基準(zhǔn)點(diǎn)與大地相連接。把接地平面與大地連接,往往是出于以下考慮:
提高設(shè)備電路系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性;
靜電泄放;
為工作人員提供安全保障。
三、接地的目的
安全考慮,即保護(hù)接地;
為信號電壓提供一個穩(wěn)定的零電位參考點(diǎn)(信號地或系統(tǒng)地);
屏蔽接地。
四、常見三種接地方法
1. 單點(diǎn)接地
單點(diǎn)接地,顧名思義,就是把電路中所有回路都接到一個單一的,相同的參考電位點(diǎn)上。
單點(diǎn)接地可以分為“串聯(lián)接地”和“并聯(lián)接地”兩種方式。串聯(lián)單點(diǎn)接地的方式簡單,但是存在共同地線的原因,導(dǎo)致存在公共地線阻抗,如果此時串聯(lián)在一起的是功率相差很大的電路,那么互相干擾就非常嚴(yán)重。并聯(lián)單點(diǎn)接地的方式可以避免公共地線耦合的因素,但是每部分電路都需要引地線到接地點(diǎn)上,需要的地線就過多,不實(shí)用。
所以,在實(shí)際應(yīng)用時,可以采用串聯(lián)和并聯(lián)混合的單點(diǎn)接地方式。在畫PCB板時,把互相不易干擾的電路放一層,把互相容易發(fā)生干擾的電路放不同層,再把不同層的地并聯(lián)接地。如下圖所示。
單點(diǎn)接地在高頻電路里面,因?yàn)榈鼐€長,地線的阻抗是永遠(yuǎn)避免不了的因素,所以并不適用,那怎么辦呢?下面再介紹“多點(diǎn)接地”。
2. 多點(diǎn)接地
當(dāng)電路工作頻率較高時,想象一下高頻信號在沿著地線傳播時,所到之處影響周邊電路會有多么嚴(yán)重,因此所有電路就要就近接到地上,地線要求最短,多點(diǎn)接地就產(chǎn)生了。多點(diǎn)接地,其目的是為了降低地線的阻抗,在高頻(f 一定的條件下)電路中,要降低阻抗,主要從兩個方面去考慮,一是減小地線電阻,二是減小地線感抗。
a.減小地線導(dǎo)體電阻,從電阻與橫截面的關(guān)系公式中我們知道,要增加地線導(dǎo)通的橫截面積。但是在高頻環(huán)境中,存在一種高頻電流的趨膚效應(yīng)(也叫集膚效應(yīng)),高頻電流會在導(dǎo)體表面通過,所以單純增大地線導(dǎo)體的橫截面積往往作用不大??梢钥紤]在導(dǎo)體表面鍍銀,因?yàn)殂y的導(dǎo)電性較其他導(dǎo)電物質(zhì)優(yōu)秀,故而會降低導(dǎo)體電阻。
b.減小地線的感抗,最好的方法就是增大地線的面積。在實(shí)際應(yīng)用時,地線短,地面積大,抗干擾的效果就會更好。
寫到這里時,可能有人會問,如何才算是高頻電路? “通常1MHZ以下算低頻電路,可以采用單點(diǎn)接地,10MHZ以上算高頻電路,可以采用多點(diǎn)接地的方式”,1MHZ和10MHZ時,如果最長地線不超過波長的1/20,可以單點(diǎn)接地,否則多點(diǎn)接地。如圖所示:
3. 混合接地
如圖所示,通過圖來分析。
上圖中的第一種結(jié)構(gòu),假定工作在低頻電路中,根據(jù)容抗Zc = 1/2πfc可知,容抗在低頻環(huán)境下很大,而高頻環(huán)境下很小。那么地線在低頻時是斷開的,在受到高頻干擾時接近導(dǎo)通。如此接法可以有效避開地線環(huán)路的干擾影響。
上圖中的第二種結(jié)構(gòu),假定工作在高頻電路中,根據(jù)感抗Zl = 2πfl可知,感抗在低頻環(huán)境下很小,而高頻環(huán)境下很大。那么地線在低頻時是類似導(dǎo)通的,在受到高頻干擾時是斷開。如此接法可以有效避開地環(huán)路電流的影響。
綜述,在實(shí)際應(yīng)用中,電路根據(jù)工作環(huán)境采用合適的接地方式可以有效避開干擾信號,達(dá)到電路的最優(yōu)效果,混合接地會是個好選擇!
五、總結(jié)
對于接地的一般選取原則如下:
低頻電路(<1mhz),建議采用單點(diǎn)接地;
高頻電路(>10MHZ),建議采用多點(diǎn)接地;
高低頻混合電路,混合接地。