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PCB設(shè)計(jì)中地線干擾與抑制

文章出處:http://m.bentengpersadamultindo-jember.com網(wǎng)責(zé)任編輯:恒成和電路板作者:恒成和線路板人氣:-發(fā)表時(shí)間:2014-03-24 10:20:00

[恒成和電路板]

     1.地線的定義

  什么是地線?大家在教科書(shū)上學(xué)的地線定義是:地線是作為電路電位基準(zhǔn)點(diǎn)的等電位體。這個(gè)定義是不符合實(shí)際情況的。實(shí)際地線上的電位并不是恒定的。如果用儀表測(cè)量一下地線上各點(diǎn)之間的電位,會(huì)發(fā)現(xiàn)地線上各點(diǎn)的電位可能相差很大。正是這些電位差才造成了電路工作的異常。電路是一個(gè)等電位體的定義僅是人們對(duì)地線電位的期望。 HENRY 給地線了一個(gè)更加符合實(shí)際的定義,他將地線定義為:信號(hào)流回源的低阻抗路徑。這個(gè)定義中突出了地線中電流的流動(dòng)。按照這個(gè)定義,很容易理解地線中電位差的產(chǎn)生原因。因?yàn)榈鼐€的阻抗總不會(huì)是零,當(dāng)一個(gè)電流通過(guò)有限阻抗時(shí),就會(huì)產(chǎn)生電壓降。因此,我們應(yīng)該將地線上的電位想象成象大海中的波浪一樣,此起彼伏。

  2.地線的阻抗

  談到地線的阻抗引起的地線上各點(diǎn)之間的電位差能夠造成電路的誤動(dòng)作,許多人覺(jué)得不可思議:我們用歐姆表測(cè)量地線的電阻時(shí),地線的電阻往往在毫歐姆級(jí),電流流過(guò)這么小的電阻時(shí)怎么會(huì)產(chǎn)生這么大的電壓降,導(dǎo)致電路工作的異常。

  3.地線干擾機(jī)理

  3.1公共阻抗干擾當(dāng)兩個(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。

  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),如果存在不同的電路共用一段地線,就可能出現(xiàn)公共阻抗耦合的問(wèn)題

  4.地線干擾對(duì)策 4.1地環(huán)路對(duì)策 從地環(huán)路干擾的機(jī)理可知,只要減小地環(huán)路中的電流就能減小地環(huán)路干擾。如果能徹底消除地環(huán)路中的電流,則可以徹底解決地環(huán)路干擾的問(wèn)題。因此我們提出以下幾種解決地環(huán)路干擾的方案。

  A. 將一端的設(shè)備浮地如果將一端電路浮地,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,往往不允許電路浮地。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50Hz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。

  B. 使用變壓器實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的連接利用磁路將兩個(gè)設(shè)備連接起來(lái),可以切斷地環(huán)路電流。 但要注意,變壓器初次級(jí)之間的寄生電容仍然能夠?yàn)轭l率較高的地環(huán)路電流提供通路,因此變壓器隔離的方法對(duì)高頻地環(huán)路電流的抑制效果較差。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)。經(jīng)過(guò)良好屏蔽的變壓器可以在1MHz以下的頻率提供有效的隔離。

   C. 使用光隔離器另一個(gè)切斷地環(huán)路的方法是用光實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。這可以說(shuō)是解決地環(huán)路干擾問(wèn)題的最理想方法。用光連接有兩種方法,一種是光耦器件,另一種是用光纖連接。光耦的寄生電容一般為2pf,能夠在很高的頻率提供良好的隔離。光纖幾乎沒(méi)有寄生電容,但安裝、維護(hù)、成本等方面都不如光耦器件。

  D. 使用共模扼流圈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。

  4.2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)電電路和弱電電路共用地線,數(shù)字電路和模擬電路共用地線。如前所述,減小地線阻抗的核心問(wèn)題是減小地線的電感。這包括使用扁平導(dǎo)體做地線,用多條相距較遠(yuǎn)的并聯(lián)導(dǎo)體作接地線。對(duì)于印刷線路板,在雙層板上布地線網(wǎng)格能夠有效地減小地線阻抗,在多層板中專門用一層做地線雖然具有很小的阻抗,但這會(huì)增加線路板的成本。通過(guò)適當(dāng)接地方式避免公共阻抗的接地方法是并聯(lián)單點(diǎn)接地。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,不同類型的電路采用并聯(lián)單點(diǎn)接地。

  5.小結(jié)PCB中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。當(dāng)兩個(gè)電路共用一段地線時(shí),會(huì)形成公共阻抗耦合。解決地環(huán)路干擾的方法有切斷地環(huán)路,增加地環(huán)路的阻抗,使用平衡電路等。解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線部分的阻抗,或采用并聯(lián)單點(diǎn)接地,徹底消除公共阻抗。

 

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