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  • pcb设计单点接地示意图
    2020-12-31 12:06:15

    印制电路板,又称印刷电路板,以绝缘板为基材,切成一定尺寸,其上至少附有一个导电图形,并布有孔(如元件孔、紧固孔、金属化孔等),用来代替以往装置电子元器件的底盘,并实现电子元器件之间的相互连接。

    pcb板单点接地就是一点一点接地,接地是电路系统设计中的一个很重要问题。目前,大多数数字电路都是以地为参考电压(ECL电路以电源为参考电压),只有所有的地都保持相同的电位,数字信号才能被正确的传送和接收;此外,良好的接地对电磁场有很好的屏蔽作用,能释放设备机壳上积累的大量的电荷,从而避免产生静电放电效应。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等,合理的应用接地技术,就能大大提高系统的抗干扰能力,减少EMI。 接地的方式可以分为三种:单点接地,多点接地和混合接地。

    单点接地指所有电路的地线接到公共地线的同一点,以减少地回路之间的相互干扰。其中,串联单点接地指所有的器件的地都连接到地总线上,然后通过总线连接到地汇接点。由于大家共用一根总线,会出现较严重的共模耦合噪声,同时由于对地分布电容的影响,会产生并联谐振现象,大大增加地线的阻抗,这种接法一般只用于低于1M的电路系统里。并联单点接地指所有的器件的地直接接到地汇接点,不共用地总线(如图1-8-8中b图)。可以减少耦合噪声,但是由于各自的地线较长,地回路阻抗不同,会加剧地噪声的影响,同样也会受到并联谐振的影响,一般使用的频率范围是1M到10MHZ之间。实际的情况中可以灵活采用这两种单点接地方式,比如,可以将电路按照信号特性分组,相互不会产生干扰的电路放在一组,一组内的电路采用串联单点接地,不同组的电路采用并联单点接地。这样,既解决了公共阻抗耦合的问题,又避免了地线过多的问题。总的来说,单点接地适用于较低的频率范围内,或者线长小于1/20波长的情况。

    接地技术中还有一个很重要的部分就是数字电路与模拟电路的共地处理,即电路板上既有高速逻辑电路,又有线性电路,如何降低数字信号和模拟信号间的相互干扰呢?一般说来,数字电路的频率高,而模拟电路的对噪声的敏感度强,正因为如此,高频的数字信号线要尽可能远离敏感的模拟电路器件,同样,彼此的信号回路也要相互隔离,这就牵涉到模拟和数字地的划分问题。一般的做法是,模拟地和数字地分离,只在某一点连接,这一点通常是在PCB板总的地线接口处,或者在数模转换器的下方,必要时可以使用磁性元件(如磁珠)连接

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    单点接地要解决的问题就是针对“公共地阻抗耦合”和“低频地环路”。

    多点接地是针对“高频所容易通过长地走线产生的共模干扰”。

    低频电路中,信号的工作频率小于 1MHz,它的布线和器件间的电感影响较小,而接地电路形成的环流对干扰影响较大,因而应采用一点接地。

    当信号工作频率大于 10MHz 时,地线阻抗变得很大,此时应尽量降低地线阻抗,应采用就近多点接地。

    当工作频率在 1~10MHz 时,如果采用一点接地,其地线长度不应超过波长的 1/20,否则应采用多点接地法。

    数字地与模拟地之间单点接地,数字地之内多点接。

    地线干扰与地线设计

    地线设计是电磁兼容设计中大家都很注意,却又不知道应该怎样去做的一个问题。了解了地线造成干扰问题的机理之后,在设计和实施地线时就有了一个明确的思路。本期从介绍地线造成干扰的原理入手,使读者了解设计地线的关键和原则。

    什么是地线:

    地线有安全地和信号地两种。前者是为了保证人身安全、设备安全而设置的地线,后者是为了保证电路正确工作所设置的地线。造成电路干扰现象的主要是信号地,因此这里仅讨论信号地的问题。

    信号地的一般定义是:电路的电位参考点。更恰当地说,这个定义是我们设计电路时的一个假设。从这个定义是无法分析和理解一些地线干扰问题的。

    地线是信号电流流回信号源的地阻抗路径。既然地线是电流的一个路径,那么根据欧姆定律,地线上是有电压的;既然地线上有电压,说明地线不是一个等电位体。这样,我们在设计电路时,关于地线电位一定的假设就不再成立,因此电路会出现各种错误。这就是地线干扰的实质。

    地线的阻抗有多大:

    一个难以理解的问题是,我们在设计地线时,都使地线的电阻很小,那么地线上的电位差怎么会大到导致电路出错的程度。

    理解这个问题,要理解地线阻抗的组成。

    地线的阻抗 Z 由电阻部分和感抗部分两部分组成,即:Z = RAC + jωL。

    电阻成分:导体的电阻分为直流电阻 RDC 和交流电阻 RAC。对于交流电流,由于趋肤效应,电流集中在导体的表面,导

    致实际电流截面减小,电阻增加,直流电阻和交流电阻的关系如下:

    RAC= 0.076rf1/2RDC

    式中:r=导线的半径,单位 cm,f=流过导线的电流频率,单位 Hz, RDC= 导线的直流电阻,单位 Ω。

    电感成分:任何导体都有内电感(这区别于通常讲的外电感,外电感是导体所包围的面积的函数),内电感与导体所包围的面积无关。对于圆截面导体如下:

    L=0.2S[ln(4.5/d) -1] (μH)

    式中 S=导体长度(m),d=导体直径(m)

    说明了直流电阻与交流阻抗的巨大差异。频率很低时的阻抗可以认为是导体的电阻,从表中可以看出,随着频率升高,阻抗增加很快,当频率达到 100MHz 以上时,直径 6.5mm 长度仅为 10cm 的导线也有数十欧姆的阻抗。

    地环路干扰及对策:

    地环路干扰是一种较常见的干扰现象,常常发生在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间。其产生的内在原因是设备之间的地线电位差。地线电压导致了地环路电流,由于电路的非平衡性,地环路电流导致对电路造成影响的差模干扰电压。

    由于地环路干扰是由地环路电流导致的,因此在实践中,有时会发现,当将一个设备的地线断开时,干扰现象消失,这是因为地线断开时,切断了地环路。这种现象往往发生在干扰频率较低的场合,当干扰频率高时,短开地线与否关系不大。

    地环路干扰形成的原因 :

    1. 两个设备的地电位不同,形成地电压,在这个电压的驱动下,“设备 1-互联电缆-设备 2- 地”形成的环路之间有电流流动。由于电路的不平衡性,每根导线上的电流不同,因此会产生差模电压,对电路造成干扰。地线上的电压是由于其他功率较大的设备也用这段地线,在地线中引起较强电流,而地线又有较大阻抗产生的。

    2. 由于互联设备处在较强的电磁场中,电磁场在“设备 1 - 互联电缆 - 设备 2 - 地”形成的环路中感应出环路电流,与原因 1 的过程一样导致干扰。

    3. 解决地环路干扰的方法:解决地环路干扰的基本思路有三个:一个是减小地线的阻抗,从而减小干扰电压,但是这对第二种原因导致的地环路没有效果。另一个是增加地环路的阻抗,从而减小地环路电流。当阻抗无限大时,实际是将地环路切断,即消除了地环路。例如将一端的设备浮地、或将线路板与机箱断开等是直接的方法。但出于静电防护或安全的考虑,这种直接的方法在实践中往往是不允许的。更实用的方法是使用隔离变压器、光耦合器件、共模扼流圈、平衡电路等方法。第三个方法是改变接地结构,将一个机箱的地线连接到另一个机箱上,通过另一个机箱接地,这就是单点接地的概念。

    公共阻抗耦合及对策

    当两个电路的地电流流过一个公共阻抗时,就发生了公共阻抗耦合。一个电路的地电位会受到另一个电路工作状态的影响,即一个电路的地电位受另一个电路的地电流的调制,另一个电路的信号就耦合进了前一个电路。

    放大器级间公共地线耦合问题:图 2(a) 中的放大器,由于前置放大电路与功率放大电路共用一段地线,功率放大电路的地线电流很大,因此在地线上产生了较大的地线电压 V。这个电压正好在前置放大电路的输入回路中,如果满足一定的相位关系,就形成了正反馈,造成放大器自激。

    解决办法:可以有两个解决办法,一个是将电源的位置改变一下,使它*近功率放大电路,这样,就不会有较大的地线电压落在前置放大电路的输入回路中了。另一个办法是功率放大电路单独通过一根地线连接到电源,这实际是改成了并联单点接地结构。

    接地策略:

    单点接地:所有电路的地线接到公共地线的同一点,进一步可分为串联单点接地和并联单点接地。最大好处是没有地环路,相对简单。但地线往往过长,导致地线阻抗过大。

    多点接地:所有电路的地线就近接地,地线很短,适合高频接地。问题是存在地环路。

    混合接地:在地线系统内使用电感、电容连接,利用电感、电容器件在不同频率下有不同阻抗的特性,使地线系统在不同的频率具有不同的接地结构。

    串联单点接地容易产生公共阻抗耦合的问题,解决的方法是采用并联单点接地。但是并联单点接地往往由于地线过多,而没有可实现性。因此,灵活的方案是,将电路按照信号特性分组,相互不会产生干扰的电路放在一组,一组内的电路采用串联单点接地,不同组的电路采用并联单点接地。

    文章来源:网络

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  • 因此,小编特邀约了奔强电路的技术大牛从单点接地、多点接地、混合接地、模拟电路接地、数字电路接地等诸多方面向您介绍了PCB印刷电路板接地中的设计思路、设计方法与技巧。可谓诚意满满,干货多多。由于篇幅所限,...

    2c7e80f528d4da84443b417f96d7d0d8.png

    印刷电路板对信号接地设计的设计至关重要。如接地设计不当,则PCB电路板在使用的过程中就会产生接地噪声及电磁辐射,从而对产品的整体电气性能产生重大影响。

    因此,小编特邀约了奔强电路的技术大牛从单点接地、多点接地、混合接地、模拟电路接地、数字电路接地等诸多方面向您介绍了PCB印刷电路板接地中的设计思路、设计方法与技巧。可谓诚意满满,干货多多。

    由于篇幅所限,今天我们就先聊聊线路板中的单点接地的设计方法。

    单点接地连接是指在PCB产品的设计过程中,接地线路与单独一个参考点相连。这种严格的接地设置的目的是为了防止来自两个不同的子系统中( 有不同的参考电平)的电流与射频电流经过同样的返回路径,从而导致共阻抗耦合。

    当元件、电路、互连等都工作在1MHz 或更低的频率范围内时,采用单点接地技术是最好的,这意味着分布传输阻抗的影响是最小的。当处于较高频率时,返回路径的电感会变得不可忽视。当频率更高时,电源层和互连走线的阻抗更显著,如果线路长度是信号1/4波长的奇数倍(该波长依据周期信号上升沿速率确定),这些阻抗就可以变得非常大。在电流返回路径中存在有限阻抗,就会产生电压降,随之就产生了不希望有的射频电流。这在PCB高频电路板中表现尤为突出。

    由于RF时阻抗影响显著,这些走线和接地导体就像环形天线一样工作,辐射能量的大小取决于环路的大小。一个卷曲的环路,不管其形状如何,依然是一个天线。就是由于这个原因,当频率高于1MHz时通常不再采用单点接地技术。在下图一中,展示了单点接地技术的两种方式:串联接地和并联接地。串联接地是一个串级链结构,这种结构允许各个子系统的接地参考之间共阻抗耦合。当频率高于1MHz时这是不合理的。这个图只画出了接地线路中的电感,而分布电容在这3个接地电路中也是存在的。当电感和电容同时存在时,就会产生谐振。对于这种结构,可能有3种不同的谐振。

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    对于串联接地来说,通过最后返回路径L 1的总电流是I 1+I2+I3 I1(V A)和I 3(V c)的电压也不是零,而是由下面的式子来定义的 VA=(I 1+I2+I3)ωL 1

    Vc=(I 1+I2+I3)ωL 1+(I 2+I3)ω L2+(I 3)ωL 3

    对于这种广泛采用的结构来说,很大的电流在有限阻抗上会产生一个电压降。电路和基准结构之间的电压参考值可能足够使系统不能如预期的那样工作。

    在PCB线路板设计阶段,设计者必须注意到采用单点接地的串联接地技术中所隐藏的问题。如果存在多种不同功率等级的电路,那么就不能采用这种接地技术,因为大功率电路产生大的回地电流,将影响低功率器件和电路。如果说一定要采取这种接地方法,那么最敏感的电路必须直接设置在电源输入位置处,并且尽量远离低功率器件和电路。

    更好的单点接地方法是并联接地。然而使用这种方式有一个缺点,那就是因为每个电流返回路径可能有不同的阻抗而导致接地噪声电压的加剧。如果多个印刷电路板组合使用,或在一个最终产品中使用多个子组合体,那么某一条回路或许会很长,特别是如果这些线用互连的方式使用。这些地线也许还会存在一个很大的阻抗,这就会损坏低阻接地连接的期望效果。

    当多个印刷电路板采用这种并行方式连接到一起时,原以为严格接地会解决问题,但事实证明产品不能通过辐射检验。像串联连接一样,在每个电路到地中也存在分布电容,设计者在使用这种布局时,应使每条回地路径上的电感值大致相同,虽然实际情况很难做到。这样,每个电路与地之间的谐振就应该是大致相同的,从而对电路运行的影响不会出现多谐振。使用单点接地技术的另一个问题是辐射耦合。这种现象可能会在导线之间,导线与印刷电路板之间或者导线与外壳之间产生。除了射频辐射耦合外,也可能发生串扰,这取决于电流返回路径之间物理间距的大小。这种耦合可能以电容也可能以电感的形式发生。串扰存在的程度取决于返回信号的频率范围,高频元件比低频元件的辐射更严重。

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    奔强电路5G高频PCB线路板

    单点接地技术常见于音频电路、模拟设备、工频及直流电源系统,还有塑料封装的产品。虽然单点接地技术通常在低频采用,但有时它也应用于PCB高频电路板或系统中,当设计者们清楚不同的接地结构中存在的所有有关电感的问题时,这种应用是可行的。

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  • 4种PCB设计中的接地方式解析

    千次阅读 2020-12-31 12:06:06
    GND,指的是电线接地端的简写。代表地线或0线。电路上和电路板上的GND(Ground)代表地线或0线。...设备的信号接地,可能是以设备中的一点或一块金属来作为信号的接地参考,它为设备中的所有信...

    GND,指的是电线接地端的简写。代表地线或0线。

    电路图上和电路板上的GND(Ground)代表地线或0线。GND就是公共端的意思,也可以说是地,但这个地并不是真正意义上的地。是出于应用而假设的一个地,对于电源来说,它就是一个电源的负极。它与大地是不同的。有时候需要将它与大地连接,有时候也不需要,视具体情况而定。

    设备的信号接地,可能是以设备中的一点或一块金属来作为信号的接地参考点,它为设备中的所有信号提供了一个公共参考电位。

    有单点接地,多点接地,浮地和混合接地。

    单点接地:指整个电路系统中只有一个物理点被定义为接地参考点,其他各个需要接地的点都直接接到这一点上。在低频电路中,布线和元件之间不会产生太大影响。通常频率小于1MHz的电路,采用一点接地。

    多点接地:电子设备中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上(即设备的金属底板)。在高频电路中,寄生电容和电感的影响较大。通常频率大于10MHz的电路,常采用多点接地。

    PCB设计中的四种接地模式分析

    浮地,即该电路的地与大地无导体连接。虚地:没有接地,却和地等电位的点。

    其优点是该电路不受大地电性能的影响。浮地可使功率地(强电地)和信号地(弱电地)之间的隔离电阻很大,所以能阻止共地阻抗电路性耦合产生的电磁干扰。

    其缺点是该电路易受寄生电容的影响,而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰。

    “地”是电子技术中一个很重要的概念。由于“地”的分类与作用有多种, 容易混淆,故总结一下“地”的概念。

    “接地”有设备内部的信号接地和设备接大地,两者概念不同,目的也不同。“地”的经典定义是“作为电路或系统基准的等电位点或平面”。

    一: 信号“地”又称参考“地”,就是零电位的参考点,也是构成电路信号回路的公共端 。

    (1) 直流地:直流电路“地”,零电位参考点。

    (2) 交流地:交流电的零线。应与地线区别开。

    (3) 功率地:大电流网络器件、功放器件的零电位参考点。

    (4) 模拟地:放大器、采样保持器、A/D转换器和比较器的零电位参考点。

    (5) 数字地:也叫逻辑地,是数字电路的零电位参考点。

    (6) “热地”:开关电源无需使用工频变压器,其开关电路的“地”和市电电网有关,即所谓的“热地”,它是带电的。

    (7) “冷地”:由于开关电源的高频变压器将输入、输出端隔离;又由于其反馈电路常用光电耦合器,既能传送反馈信号,又将双方的“地”隔离;所以输出端的地称之为“冷地”,它不带电。

    信号接地

    设备的信号接地,可能是以设备中的一点或一块金属来作为信号的接地参考点,它为设备中的所有信号提供了一个公共参考电位。

    有单点接地,多点接地,浮地和混合接地。

    (这里主要介绍浮地)单点接地是指整个电路系统中只有一个物理点被定义为接地参考点,其他各个需要接地的点都直接接到这一点上。在低频电路中,布线和元件之间不会产生太大影响。通常频率小于1MHz的电路,采用一点接地。多点接地是指电子设备中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上(即设备的金属底板)。在高频电路中,寄生电容和电感的影响较大。

    通常频率大于10MHz的电路,常采用多点接地。浮地,即该电路的地与大地无导体连接。『 虚地:没有接地,却和地等电位的点。』其优点是该电路不受大地电性能的影响。浮地可使功率地(强电地)和信号地(弱电地)之间的隔离电阻很大,所以能阻止共地阻抗电路性耦合产生的电磁干扰。其缺点是该电路易受寄生电容的影响,而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰。一个折衷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。注意控制释放电阻的阻抗,太低的电阻会影响设备泄漏电流的合格性。

    1:浮地技术的应用

    a. 交流电源地与直流电源地分开

    一般交流电源的零线是接地的。但由于存在接地电阻和其上流过的电流,导致电源的零线电位并非为大地的零电位。另外,交流电源的零线上往往存在很多干扰,如果交流电源地与直流电源地不分开,将对直流电源和后续的直流电路正常工作产生影响。因此,采用把交流电源地与直流电源地分开的浮地技术,可以隔离来自交流电源地线的干扰。

    b. 放大器的浮地技术

    对于放大器而言,特别是微小输入信号和高增益的放大器,在输入端的任何微小的干扰信号都可能导致工作异常。因此,采用放大器的浮地技术,可以阻断干扰信号的进入,提高放大器的电磁兼容能力。

    c. 浮地技术的注意事项

    1)尽量提高浮地系统的对地绝缘电阻,从而有利于降低进入浮地系统之中的共模干扰电流。

    2)注意浮地系统对地存在的寄生电容,高频干扰信号通过寄生电容仍然可能耦合到浮地系统之中。

    3)浮地技术必须与屏蔽、隔离等电磁兼容性技术相互结合应用,才能收到更好的预期效果。

    4)采用浮地技术时,应当注意静电和电压反击对设备和人身的危害。

    2:混合接地

    混合接地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必要的。电容对低频和直流有较高的阻抗,因此能够避免两模块之间的地环路形成。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。

    二: 设备接大地

    在工程实践中,除认真考虑设备内部的信号接地外,通常还将设备的信号地,机壳与大地连在一起,以大地作为设备的接地参考点。设备接大地的目的是

    1)保护地,保护接地就是将设备正常运行时不带电的金属外壳(或构架)和接地装置之间作良好的电气连接。 为了保护人员安全而设置的一种接线方式。保护“地”线一端接用电器外壳,另一端与大地作可靠连接。

    2)防静电接地,泄放机箱上所积累的电荷,避免电荷积累使机箱电位升高,造成电路工作的不稳定。

    3)屏蔽地,避免设备在外界电磁环境的作用下使设备对大地的电位发生变化,造成设备工作的不稳定。

    此外还有防雷接地和音响中的音频专用地等等。

    来源:ECCN

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  • PCB板层布局与EMC

    千次阅读 2021-02-05 10:12:25
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空空如也

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pcb设计单点接地示意图