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電路板

PCB地線的干擾與抑制分析

文章出處:http://m.qyrtzss.cn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)表時間:2017-09-11 18:23:00

PCB

PCB設(shè)計中,尤其是在高頻電路中,經(jīng)常會遇到由于地線干擾而引起的一些不規(guī)律、不正常的現(xiàn)象。本文對地線產(chǎn)生干擾的原因進(jìn)行分析,詳細(xì)介紹了地線產(chǎn)生干擾的三種類型,并根據(jù)實際應(yīng)用中的經(jīng)驗提出了解決措施。這些抗干擾方法在實際應(yīng)用中取得了良好的效果,使一些系統(tǒng)在現(xiàn)場成功運行。 

 

    在單片機(jī)系統(tǒng)中,PCB(印制電路板)是用來支撐電路元件,并提供電路元件和器件之間電氣連接的重要組件,PCB導(dǎo)線多為銅線,銅自身的物理特性也導(dǎo)致其在導(dǎo)電過程中必然存在一定的阻抗,導(dǎo)線中的電感成分會影響電壓信號的傳輸,電阻成分則會影響電流信號的傳輸,在高頻線路中電感的影響尤為嚴(yán)重,因此,在PCB設(shè)計中必須注意和消除地線阻抗所帶來的影響。 

 

    1 產(chǎn)生干擾的原因 

 

    電阻與阻抗兩個不同的概念。電阻指的是在直流狀態(tài)下導(dǎo)線對電流呈現(xiàn)的阻抗,而阻抗指的是交流狀態(tài)下導(dǎo)線對電流的阻抗,這個阻抗主要是由導(dǎo)線的電感引起的。由于地線總是存在阻抗,因此用萬用表測量地線時,地線的電阻一般是mmΩ級。 

 

    以PCB上一段長10 cm、寬1.5 mm,厚度為50μm的導(dǎo)線為例,通過計算可得到其阻抗的大小。R=ρL/s(Ω),式中L為導(dǎo)線長度(m),s為導(dǎo)線截面積(mm2),ρ為電阻率ρ=0.02,因此該導(dǎo)線電阻值約為0.026 Ω。 

 

    當(dāng)一段導(dǎo)線與其他導(dǎo)線遠(yuǎn)離并且其長度遠(yuǎn)大于寬度時,導(dǎo)線的自感量為0.8 μH/m,那么10 cm長的導(dǎo)線的電感量是0.08μH。再由下面的公式求出導(dǎo)線感抗:XL=2πfL,下式中,f為導(dǎo)線通過信號的頻率(Hz),L為單位長度導(dǎo)線的自感量(H)。所以分別計算出該導(dǎo)線在低頻和高頻下的感抗值: 

 

 

 

在實際電路中,造成電磁干擾的信號往往是脈沖信號,脈沖信號包含豐富的高頻成分,因此會在地線上產(chǎn)生較大的電壓。通過以上的公式計算可以看出,在低頻信號傳輸中導(dǎo)線電阻大于導(dǎo)線感抗,對于數(shù)字電路,電路的工作頻率很高,在高頻信號中導(dǎo)線感抗要遠(yuǎn)大于導(dǎo)線電阻。因此,地線阻抗對數(shù)字電路的影響是十分可觀的。這就是電流流過小電阻時產(chǎn)生大壓降,導(dǎo)致電路工作異常的原因。 

 

    2 地線干擾機(jī)理 

 

    2.1 地環(huán)路干擾 

 

    地環(huán)路干擾是一種較常見的干擾現(xiàn)象,常常發(fā)生在通過較長電纜連接并且相距較遠(yuǎn)的設(shè)備之間。地線造成電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗,當(dāng)電流流過地線時,會在地線上產(chǎn)生電壓,這就是地線噪聲。在這個電壓的驅(qū)動下,會產(chǎn)生地線環(huán)路電流,形成地環(huán)路干擾。如圖1所示是兩個接地的電路。 

 

 

 

由于兩個設(shè)備的地電位不同,形成地電壓,在這個電壓的驅(qū)動下,“設(shè)備1一互聯(lián)電纜一設(shè)備2一地”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(dǎo)線上的電流不同,因此會產(chǎn)生差模電壓,對電路造成干擾。 

 

    由于地環(huán)路干擾是因地環(huán)路電流而導(dǎo)致的,因此有時會發(fā)現(xiàn),當(dāng)把一個設(shè)備的地線斷開后,干擾現(xiàn)象消失,這是因為地線斷開時切斷了地環(huán)路。這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在低頻干擾的場合,當(dāng)干擾頻率較高時,斷開地線與否關(guān)系不大。 

 

    2.2 公共阻抗干擾 

 

    在數(shù)字電路中,由于信號的頻率較高,地線往往呈現(xiàn)較大的阻抗。這時,當(dāng)幾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(jìn)另一個電路,這種耦合稱為公共阻抗耦合。 

 

 

 

解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線部分的阻抗,或采用單點接地,徹底消除公共阻抗圖2的例子說明了一種干擾現(xiàn)象。圖2是一個有四個門電路組成的簡單電路。假設(shè)門1的輸出電平由高變?yōu)榈?,這時電路中的寄生電容(有時門2的輸入端有濾波電容)會通過門1向地線放電,由于地線的阻抗,放電電流會在地線上產(chǎn)生尖峰電壓,如果這時門3的輸出是低電平,則這個尖峰電壓就會傳到門3的輸出端,門4的輸入端,如果這個尖峰電壓的幅度超過門4的噪聲門限,就會造成門4的誤動作。 

 

    2.3 地環(huán)路電磁耦合干擾 

 

    圖1所示的“地線環(huán)路”將包圍一定的面積,根據(jù)電磁感應(yīng)定律,如果這個環(huán)路所包圍的面積中有變化的磁場存在,就會在環(huán)路中產(chǎn)生感生電流,形成干擾。空間磁場的變化無處不在,于是包圍的面積越大干擾就越嚴(yán)重。 

 

    3 解決地線干擾的方法 

 

    3.1 解決地環(huán)路干擾 

 

    解決地環(huán)路干擾的基本思路有3個:一個是減小地線的阻抗,從而減小干擾電壓,但是這對第二種原因?qū)е碌牡丨h(huán)路干擾沒有效果。第二個方法是改變接地結(jié)構(gòu),將一個機(jī)箱的地線連接到另一個機(jī)箱上,通過另一個機(jī)箱接地,這就是單點接地的概念。第三個是增加地環(huán)路的阻抗,從而減小地環(huán)路電流。當(dāng)阻抗無限大時,實際是將地環(huán)路切斷,即消除了地環(huán)路。因此提出以下幾種解決地環(huán)路干擾的方案。 

 

    1)將一側(cè)的設(shè)備浮地 

 

    如果將一側(cè)電路浮地,就切斷了地環(huán)路,因此可以消除地環(huán)路電流。但有兩個問題需要注意,一個是出于安全的考慮,不允許電路浮地。這時可以考慮將設(shè)備通過一個電感接地。這樣對于50 Hz的交流電流設(shè)備接地阻抗很小,而對于頻率較高的干擾信號,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。另一個問題是,盡管設(shè)備浮地,但設(shè)備與地之間還是有寄生電容,這個電容在頻率較高時會提供較低的阻抗,因此并不能有效地減小高頻地環(huán)路電流。 

 

    2)使用變壓器 

 

    解決地環(huán)路干擾的最基本方法是切斷地環(huán)路。用隔離變壓器就起到這個作用,兩個設(shè)備之間的信號傳輸通過磁場耦合進(jìn)行,而避免了電氣直接連接。這時地線上的干擾電壓出現(xiàn)在變壓器的初次級之間,而不是在電路的輸入端。提高變壓器高頻隔離效果的一個辦法是在變壓器的初次級之間設(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接收設(shè)備的一側(cè)。 

 

    變壓器隔離的方法有一些缺點,不能傳輸直流,體積大,成本高。由于變壓器的初次級之間有寄生電容,因此高頻時的隔離效果不是很好。 

 

    3)使用光隔離元件 

 

    用光傳輸信號是解決地環(huán)路問題的理想方法。如圖3所示,光耦器件的寄生電容為2 pF左右,因此能夠在很高的頻率起到隔離作用。如果使用光纖,則沒有寄生電容的問題,能夠獲得十分完善的隔離效果。但是,用光纖會帶來其它問題,如:需要更大的功率、需要更多的外圍器件,光連接的線形和動態(tài)范圍都達(dá)不到模擬信號的要求、光纜的安裝和維護(hù)比較復(fù)雜等,使用時應(yīng)注意。 

 

 

 

4)使用共模扼流圈 

 

    地線電壓實際是一種共模電壓,在這個電壓的驅(qū)動下,電纜中流過的電流是共模電流。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)路電流會減小。但要注意控制共模扼流圈的寄生電容,否則對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。 

 

    5)平衡電路對地環(huán)路干擾的抑制 

 

    平衡電路的定義是兩個導(dǎo)體及其所連接的電路相對于地線或其他參考物體具有相同的阻抗。 

 

    高頻時平衡是很困難的,實際的電路會有很多寄生因素,如寄生電容、電感等。這些參數(shù)在頻率較高時對電路阻抗發(fā)揮著較大作用。由于這些寄生參數(shù)的不確定性,電路的阻抗也是不確定的,因此很難保證兩個導(dǎo)體的阻抗完全相同。因此,在高頻時,電路平衡性往往較差,這意味著:平衡電路對頻率較高的地環(huán)路電流干擾抑制效果較差。 

 

    3.2 消除公共阻抗耦合 

 

    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(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)電電路與弱電電路共用地線,數(shù)字電路與模擬電路共用地線等。并聯(lián)接地的缺點是接地的導(dǎo)線過多。因此在實際中,沒有必要所有電路都并聯(lián)單點接地,對于相互干擾較少的電路,可以采用串聯(lián)單點接地。例如,可以將電路按照強(qiáng)信號,弱信號,模擬信號,數(shù)字信號等分類,然后在同類電路內(nèi)部用串聯(lián)單點接地,如圖4所示,不同類型的電路采用并聯(lián)單點接地,如圖5所示。當(dāng)信號頻率低于1 MHz時可采用單點接地的方法,使其不形成回路。信號頻率高于10 MHz時最好采用多點接地,盡量降低地線阻抗。電源線與地線應(yīng)盡量靠近走線以減少所包圍的環(huán)路面積,從而減少外界磁場對環(huán)路切割產(chǎn)生的電場干擾,同時也減少環(huán)路對外電磁輻射。 

 

 

 

如前所述,減小地線阻抗的核心問題是減小地線的電感??梢允褂帽馄綄?dǎo)體做地線,或用多條相距較遠(yuǎn)的并聯(lián)導(dǎo)體作接地線。對于PCB,在雙層板上布地線網(wǎng)格能夠有效地減小地線阻抗,在多層板中可以專門用一層做地線來減小阻抗。 

 

    4 結(jié)論 

 

    抗干擾設(shè)計是單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié),其設(shè)計的好壞往往決定整個系統(tǒng)的成敗。關(guān)于接地,許多關(guān)于電磁兼容的專著中都有詳細(xì)的論述,但是,最好的接地方式應(yīng)該是通過試驗來選定的,地線干擾也要通過試驗來查找和排除。本文介紹了地線引起干擾的原因和解決方法,說明了地線設(shè)計中的一般方法和原則,只有在理論的指導(dǎo)下,經(jīng)過大量的試驗過程和經(jīng)驗積累才能更好地掌握接地系統(tǒng)的設(shè)計方法和干擾排除手段,從而更好的提高電路工作的可靠性。

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