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PCB布線中的地線干擾分析與抑制方法
2014/09/17
Lee
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1．地線的定義
什么是地線？大家在教科書上學的地線定義是：地線是作為電路電位基準點的等電位體。這個定義是不符合實際情況的。實際地線上的電位并不是恒定的。如果用儀表測量一下地線上各點之間的電位，會發(fā)現(xiàn)地線上各點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。電路是一個等電位體的定義僅是人們對地線電位的期望。HENRY 給地線了一個更加符合實際的定義，他將地線定義為：信號流回源的低阻抗路徑。這個定義中突出了地線中電流的流動。按照這個定義，很容易理解地線中電位差的產(chǎn)生原因。因為地線的阻抗總不會是零，當一個電流通過有限阻抗時，就會產(chǎn)生電壓降。因此，我們應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之間的電位差能夠造成電路的誤動作，許多人覺得不可思議：我們用歐姆表測量地線的電阻時，地線的電阻往往在毫歐姆級，電流流過這么小的電阻時怎么會產(chǎn)生這么大的電壓降，導致電路工作的異常。要搞清這個問題，首先要區(qū)分開導線的電阻與阻抗兩個不同的概念。電阻指的是在直流狀態(tài)下導線對電流呈現(xiàn)的阻抗，而阻抗指的是交流狀態(tài)下導線對電流的阻抗，這個阻抗主要是由導線的電感引起的。任何導線都有電感，當頻率較高時，導線的阻抗遠大于直流電阻，表1 給出的數(shù)據(jù)說明了這個問題。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。對于數(shù)字電路而言，電路的工作頻率是很高的，因此地線阻抗對數(shù)字電路的影響是十分可觀的。
表1 導線的阻抗（Ω）：
頻率
Hz D = 0.65
10cm 1m D = 0.27
10cm 1m D = 0.065
10cm 1m D = 0.04
10cm 1m 10 51.4m 517m 327m 3.28m 5.29m 52.9m 13.3m 133m 1k 429m 7.14m 632m 8.91m 5.34m 53.9m 14m 144m 100k 42.6m 712m 54m 828m 71.6m 1.0 90.3m 1.07 1M 426m 7.12 540m 8.28 714m 10 783m 10.6 5M 2.13 35.5 2.7 41.3 3.57 50 3.86 53 10M 4.26 71.2 5.4 82.8 7.14 100 7.7 106 50M 21.3 356 27 414 35.7 500 38.5 530 100M 42.6 54 71.4 77 150M 63.9 81 107 115
如果將10Hz時的阻抗近似認為是直流電阻，可以看出當頻率達到10MHz 時，對于1米長導線，它的阻抗是直流電阻的1000 倍至10萬倍。因此對于射頻電流，當電流流過地線時，電壓降是很大的。從表上還可以看出，增加導線的直徑對于減小直流電阻是十分有效的，但對于減小交流阻抗的作用很有限。但在電磁兼容中，人們最關(guān)心的交流阻抗。為了減小交流阻抗，一個有效的辦法是多根導線并聯(lián)。當兩根導線并聯(lián)時，其總電感L為：
L = ( L1 + M ) / 2
式中，L1 是單根導線的電感，M是兩根導線之間的互感。從式中可以看出，當兩根導線相距較遠時，它們之間的互感很小，總電感相當于單根導線電感的一半。因此我們可以通過多條接地線來減小接地阻抗。但要注意的是，多根導線之間的距離不能過近。
3．地線干擾機理
3.1地環(huán)路干擾
圖1是兩個接地的電路。由于地線阻抗的存在，當電流流過地線時，就會在地線上產(chǎn)生電壓。當電流較大時，這個電壓可以很大。例如附近有大功率用電器啟動時，會在地線在中流過很強的電流。這個電流會在兩個設備的連接電纜上產(chǎn)生電流。由于電路的不平衡性，每根導線上的電流不同，因此會產(chǎn)生差模電壓，對電路造成影響。由于這種干擾是由電纜與地線構(gòu)成的環(huán)路電流產(chǎn)生的，因此成為地環(huán)路干擾。地環(huán)路中的電流還可以由外界電磁場感應出來。
3.2公共阻抗干擾
當兩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另一個電路，這種耦合稱為公共阻抗耦合。
在數(shù)字電路中，由于信號的頻率較高，地線往往呈現(xiàn)較大的阻抗。這時，如果存在不同的電路共用一段地線，就可能出現(xiàn)公共阻抗耦合的問題。圖3 的例子說明了一種干擾現(xiàn)象。圖3 是一個有四個門電路組成的簡單電路。假設門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。
4．地線干擾對策
4.1地環(huán)路對策從地環(huán)路干擾的機理可知，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。但有兩個問題需要注意，一個是出于安全的考慮，往往不允許電路浮地。這時可以考慮將設備通過一個電感接地。這樣對于50Hz的交流電流設備接地阻抗很小，而對于頻率較高的干擾信號，設備接地阻抗較大，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，盡管設備浮地，但設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。
B. 使用變壓器實現(xiàn)設備之間的連接利用磁路將兩個設備連接起來，可以切斷地環(huán)路電流。但要注意，變壓器初次級之間的寄生電容仍然能夠為頻率較高的地環(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辦法是在變壓器的初次級之間設置屏蔽層。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重。因此，變壓器要安裝在信號接收設備的一側(cè)。經(jīng)過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切斷地環(huán)路的方法是用光實現(xiàn)信號的傳輸。這可以說是解決地環(huán)路干擾問題的最理想方法。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。光纖幾乎沒有寄生電容，但安裝、維護、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。
4.2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?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題是減小地線的電感。這包括使用扁平導體做地線，用多條相距較遠的并聯(lián)導體作接地線。對于印刷線路板，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，但這會增加線路板的成本。通過適當接地方式避免公共阻抗的接地方法是并聯(lián)單點接地，如圖4 所示。并聯(lián)接地的缺點是接地的導線過多。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，不同類型的電路采用并聯(lián)單點接地。
5．小結(jié)
地線造成電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗，當電流流過地線時，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。當兩個電路共用一段地線時，會形成公共阻抗耦合。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)單點接地，徹底消除公共阻抗。
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