PCB地线干扰与抑制

2021-01-14

在PCB设计中，尤其是在高频电路中，经常会遇到由于接地干扰而引起的一些不正常现象。本文分析了接地引起的干扰的原因，介绍了三种接地引起的干扰，并根据实际应用经验提出解决方案。这些抗干扰方法在实际应用中取得了良好的效果，使某些系统能够在现场成功运行。

在单芯片系统中，PCB（印刷电路板）是重要的电子组件，用于支撑电路组件并在电路组件和设备之间提供电连接。PCB线主要是铜线，铜本身的物理特性也会使它们导电。在此过程中必须有一定的阻抗。导线中的电感成分会影响电压信号的传输。电阻分量将影响电流信号的传输。高频电路中电感的影响特别严重。因此，必须在PCB设计中加以注意。消除接地阻抗的影响。

1干扰原因

电阻和阻抗有两种不同的概念。电阻是指在直流状态下电线对电流的阻抗，而阻抗是在交流状态下电线对电流的阻抗。该阻抗主要由导线的电感引起。由于接地线始终具有阻抗，因此在用万用表测量接地线时，接地线的电阻通常为mmΩ。

以在PCB上的长度为10cm，宽度为1.5mm，厚度为50μm的电线为例，可以通过计算获得阻抗。R =ρL/ s（Ω），其中L是导线长度（m），s是导线截面积（mm2），而ρ是电阻率ρ= 0.02，因此导线电阻约为0.026Ω。 

当一根导线的长度远离其他导线并且其长度远大于宽度时，导线的自感值为0.8μH/ m，导线的10 cm电感为0.08μH。然后，通过以下公式获得导线的电感：XL =2πfL。在下面的公式中，f是导线通过信号的频率（Hz），L是每单位长度导线的自感（H）。因此，分别在低频和高频下计算导线的电感电抗值： 

在实际电路中，引起电磁干扰的信号通常是脉冲信号，并且该脉冲信号包含丰富的高频成分，因此在地面上会产生很大的电压。从上面的公式计算可以看出，在低频信号传输中，导线电阻高于导线电感。对于数字电路，电路的工作频率非常高，并且导线电感比高频信号中的导线电阻大得多。因此，接地阻抗对数字电路的影响很大。这就是为什么当电流流过小电阻器时会出现大的压降，从而导致电路异常工作的原因。 

2地面干扰机制

2.1接地回路干扰

接地环路干扰是一种相对常见的干扰类型，通常发生在通过长电缆连接且相距较远的设备之间。接地线引起的电磁干扰的主要原因是接地线的阻抗。当电流流过接地线时，在接地线上会产生电压。这是地线的噪音。在此电压的驱动下，会产生接地环路电流，从而引起接地环路干扰。如图1所示，有两个接地电路。

图1

由于两个装置的接地电位不同，因此形成了接地电压，并且在该电压的驱动下，电流在由“装置1使电缆和装置2互连”形成的回路之间流动。由于电路的不平衡，每条导线上的电流都不同，因此会产生差模电压，并且会干扰电路。

由于接地环路干扰是由接地环路电流引起的，因此有时会发现，当断开一台设备的接地时，由于在断开接地线时切断了接地环路，干扰现象消失了。这种现象通常发生在低频干扰的情况下。当干扰频率较高时，是否断开接地线之间的关系很小。 

2.2共阻抗干扰

在数字电路中，由于信号的高频，接地线倾向于表现出较大的阻抗。此时，当多个电路共享一条地线时，由于该地线的阻抗，一个电路的地电位被另一电路的工作电流调制，从而一个电路中的信号耦合到另一个电路中。这称为公共阻抗耦合。

公共阻抗耦合的解决方案是减小公共接地线部分的阻抗，或使用单点接地来完全消除公共阻抗。图2的示例说明了干扰现象。图2是具有四个门的简单电路。假设门1的输出电平从高电平变为低电平。此时，电路中的寄生电容（有时在栅极2的输入处的滤波电容器）将通过栅极1放电到地面，并且放电电流将归因于地面的阻抗。在地面上会产生尖峰电压。如果此时门3的输出为低，则尖峰电压将传输到门3的输出（即门4的输入），如果尖峰的幅度超过门4的噪声。

图2

2.3接地回路电磁耦合干扰

图1所示的“接地回路”将包围一定的区域。根据电磁感应定律，如果在此回路所包围的区域中存在变化的磁场，则会在回路中产生感应电流以形成干扰。。空间磁场的变化无处不在，因此封闭的面积越大，干扰就越严重。

解决地面干扰的3种方法 

3.1解决接地环路干扰

解决接地环路干扰的基本思想有三种：一种是降低接地线的阻抗，从而降低干扰电压，但这对第二种原因引起的接地环路干扰没有影响。第二种方法是更改接地结构，将一个机箱的接地线连接到另一个机箱，然后将另一个机箱接地。这就是单点接地的概念。第三是增加接地回路的阻抗，从而减小接地回路电流。当阻抗无限大时，实际上会切断接地回路，也就是说，消除了接地回路。因此，提出了以下解决接地环路干扰的解决方案。 

1）将设备漂浮在一侧

如果电路的一侧悬空，则接地环路将被切断，因此可以消除接地环路电流。但是要注意两个问题，一个是出于安全原因，不允许电路浮动。此时，请考虑通过电感将设备接地。因此，50 Hz交流电流设备的接地阻抗较小，而对于较高频率的干扰信号，设备的接地阻抗较大，这会减小接地环路电流。但是，这只能减少高频干扰的接地环路干扰。另一个问题是，尽管设备处于悬空状态，但设备与地面之间仍然存在寄生电容。该电容器在较高频率下具有较低的阻抗，因此不能有效降低高频接地环路电流。

2）使用变压器

解决接地环路干扰的最基本方法是切断接地环路。这是通过隔离变压器完成的，并且两个设备之间的信号传输是通过磁场耦合完成的，避免了直接电连接。此时，接地线上的干扰电压出现在变压器的初级和次级之间，而不是在电路的输入处。改善变压器高频隔离的一种方法是在变压器的初级和次级之间放置一个屏蔽层。但是，必须注意，隔离变压器屏蔽的接地端必须在接收电路端。否则，不仅可以改善高频隔离效果，而且可以使高频耦合更加严重。因此， 

变压器隔离的方法有一些缺点，不能传输直流电，体积大，成本高。由于变压器的初级和次级之间存在寄生电容，因此高频下的隔离不是很好。

3）使用光隔离组件

用光传输信号是解决接地环路问题的理想方法。如图3所示，光耦合器器件的寄生电容约为2 pF，因此可以在很高的频率下将其隔离。如果使用光纤，则没有寄生电容的问题，并且可以获得完美的隔离效果。但是，光纤的使用带来了其他问题，例如：需要更多的功率，需要更多的外围设备，光学连接的线形和动态范围不能满足模拟信号的要求，以及光纤的安装和维护。光缆很复杂。使用时请小心。

图3

4）使用共模扼流圈

接地电压实际上是共模电压。在此电压下，流经电缆的电流为共模电流。在连接电缆上使用共模扼流圈等效于增加接地回路的阻抗，从而使接地回路电流减小一定的接地电压。但要注意控制共模扼流圈的寄生电容，否则对高频干扰的隔离效果非常差。共模扼流圈的匝数越大，寄生电容越大，高频隔离的效果越差。 

5）通过平衡电路抑制接地电路的干扰

平衡电路定义为两条导体，并且它们的连接电路相对于地面或其他参考物体具有相同的阻抗。

在高频下很难平衡。实际电路具有许多寄生因素，例如寄生电容和电感。这些参数在较高频率的电路阻抗中起很大作用。由于这些寄生参数的不确定性，电路的阻抗也不确定，因此很难确保两个导体的阻抗完全相同。因此，在高频下，电路平衡趋于变差，这意味着平衡电路对较高频率的接地回路电流干扰的抑制作用较差。 

3.2消除常见的阻抗耦合

有两种消除公共阻抗耦合的方法。一种是减小公共接地线的阻抗，从而公共接地线上的电压也降低，从而控制公共阻抗耦合。另一种方法是避免电路的公共接地，该接地容易通过适当的接地方法相互干扰。通常，避免强电路和弱电路的接地电路，并且数字电路和模拟电路共享接地线。平行接地的缺点是接地线太多。因此，实际上，没有必要将所有电路在单个点上并联接地。对于相互干扰较小的电路，可以使用串联的单点接地。例如，可以根据强信号，弱信号，模拟信号，数字信号等对电路进行分类，然后在相同类型的电路中将其与单个点串联接地，如图4所示，连接不同类型的电路与单个点平行，如图5所示。当信号频率低于1 MHz时，可以使用单点接地方法，以免形成环路。当信号频率高于10 MHz时，最好使用多点接地以最小化接地阻抗。电源线和地线应尽可能靠近走线，以减小封闭的环路面积，从而减少环路切割引起的外部磁场干扰，并减少环路的外部电磁辐射。 

如前所述，降低接地阻抗的核心问题是降低接地电感。您可以将扁平导体用作接地线，也可以使用相距很远的多个平行导体来制作接地线。对于PCB，双层板上的接地栅格可有效降低接地阻抗。在多层PCB板中，可以将一层用作接地线以降低阻抗。