确保低噪声和通过EMC的PCB接地介绍

2022-07-08

确保低噪声和通过EMC的PCB接地介绍

复杂系统需要大量关注，PCB接地是设计人员应解决的基本系统级问题之一。如果PCB设计正确，则可以使用几乎总是有效的简单策略来制作简单的设计。需要多个板或接地连接的复杂系统将需要更复杂的接地策略。该区域可能会造成混淆并影响系统的抗噪能力。

通过EMC会受到PCB中接地策略和接地物理布局的影响。接地策略之后是布线策略，以解决PCB设计中的大多数EMC问题。本文将全面概述复杂PCB中的接地。它包括具有混合信号布局、路由、机箱/接地连接和电源系统的系统。

如何开始使用PCB接地

接地和周围系统的物理结构在PCB中扮演着多重角色，包括抗噪性、参考抗扰性、信号测量参考和EMC。设计复杂系统时应考虑PCB中的三种接地区域：

接地： 该接地用于公用设施布线。如果可用，它可以为任何系统提供最高级别的安全性。这是通过一个实用橱柜直接连接到地球。

机箱接地： 如果系统中存在导电框架，则指的是框架。当存在接地连接时，框架接地通常连接到大地。

信号接地 虽然大多数指南不会告诉您这一点，但它可以是PCB上的接地层和任何能够将返回电流传回系统电源的大导体。如果直接使用机箱，则不应考虑信号地。

当电气系统中有多个设备时，确定这三个区域的连接方式可能具有挑战性。这些连接在PCB设计软件中进行了描述（在电路板原理图和整个系统的电气图中）。

原理图中用于接地的标准符号

在PCB上接地

PCB接地的目的取决于其特定需求。隔离电源与小型电池供电设备具有不同的准则。与具有接地连接的系统相比，隔离的电源部分和接地连接将具有更多的PCB接地要求。您可以决定不需要接地，并且可以使用浮动接地来为您的设备供电。

为了提供屏蔽、返回电流的额外路径或特定组件的接地连接，还可以在电路板上找到接地结构。这些结构通常称为覆铜，除了方便的接地连接外，还提供其他好处。

我们必须考虑如何向PCB供电、是否存在多个设备以及它们是否共享接地。虽然我们将在这里介绍最重要的主题，但有些主题更复杂，需要单独的文章。

带接地连接的交流电源

这是将电源带入具有电网电源的电路板的标准方法。它将以中等高电流运行。下图显示了如何将单相交流电引入系统。然后，我们使用变压器将其降低到电路板所需的水平。现在，我们的板上有一个隔离电源，以及所有其他基本组件（高速数字和精密模拟）。这是因为PCB叠层将初级接地 (PGND)与次级接地(SGND)分开。

通过将PGND与SGND分开来实现输出和输入之间的电流隔离。这在具有足够电流以引起安全问题的系统中很常见。两侧接一个比TX绕组电容大很多的Y型电容。这允许来自SGND侧的高频噪声流入PGND侧并通过安装孔连接器返回大地。这为I/O上的ESD事件创建了一条路径，尤其是当它暴露给用户时。假设您有一个I/O传递到具有此配置的连接器。在这种情况下，它应该连接到SGND，以确保连接器上的任何ESD事件都通过PGND安装孔转移到大地，而不是进入相邻的组件。

无接地交流电源

当安全不是问题时，这是一个标准选项。一个简单的交流/直流电源适配器可以插入墙上。该适配器可以在适配器的SGND和PGND侧之间提供隔离，但不会有接地连接。这适用于笔记本电脑等大电流设备。但是，您仍将在输入电源和输出电源之间进行隔离。您需要另一种方法来获得安全接地。您可以拥有自己的安全接地，或者设备将使用您的接地平面来确保安全。

通过 2 线直流连接的接地连接

这在使用直流电源为设备供电时使用。接地连接通常不连接到电路板，而是连接到机箱。如果您有一个带有接地/机箱连接的直流电源，则可以使用这种类型的电源布置。机箱可防止ESD并消除任何可能导致设计周围EMI协调的相当大的浮动金属钻头。最好不要将系统接地直接连接到机箱。这可能会形成接地回路并导致过大的电流流动，从而构成安全风险。

直接 2 线直流连接，无接地

如果 2 线直流连接不接地，则它具有可用于连接任何其他接地的浮动接地。如果存在金属机箱，最好将其靠近直流输入或端子接地。来自设备的任何返回电流都不会流过机箱。这是因为金属底盘不打算用于信号返回。如果在设计中使用高频射频源，这只是一个问题。如果发生这种情况，可能会导致机箱周围产生电容耦合噪声。在这种情况下，接地连接更好，因为它将提供低阻抗路径来转移噪声。

多地接地

这在两台设备之间布线时最常见。电缆末端的屏蔽层可以接地。这是您需要小心的地方，因为接地连接可能具有高达10 V的直流电势差。接地偏移会导致接地交叉（例如，沿屏蔽线进行屏蔽）并导致直流电流过大，可能会烧毁电缆。基于电容器的连接可用于屏蔽的任一端，以允许高频交流噪声通过，但会产生高阻抗直流连接。如果是这种情况，你不应该在地球上架桥。

这是一个令人着迷的事实，因为它最初是差分对用于通过长链路传输数据的原因。当设备连接到不同的电路时，差分信号可以承受较大的接地偏移。使用差值而不是单个电平的总和来量化信号可以抵抗接地偏移和共模噪声。

那么精密模拟呢？

这并不容易概括，因为它特定于每个布局。如果您使用低频数字和模拟，则可以使用单独的接地。这将确保返回路径不会干扰。大多数系统将使用单个PCB接地平面而不是星形接地。因为星形接地和滥用不同接地区域会鼓励不良的布线实践，我建议新设计师只使用一个接地平面。它还使设计人员能够思考如何在电路板上传播返回路径。

低频模拟测量（例如使用时间平均光学测量进行的测量）可能需要您使用专用模拟接地通道或差分模拟通道。这将允许防止噪声干扰。这就是我们处理航空航天传感器测量的方式。

ESD可能是任何连接器或I/O的严重问题。标准方法是通过机箱连接到 GND（或保护接地）。ESD保护电路将使用一对或更多齐纳二极管来保护电路。这将使设计能够承受高压ESD事件，这可以快速反转基于二极管的ESD电路的偏置。它不允许机箱用于常规信号的返回路径。ESD保护在医疗设备或商业空间等高可靠性系统中至关重要。

韬放PCB设计服务

当您准备好开始下一个高可靠性设计时，您应该与了解PCB接地以及它如何影响系统中的 EMC、噪声和配电的pcb设计公司合作。今天联系韬放进行咨询。