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如何从PCB的接地开始控制EMC问题

【导读】电子设备的EMC问题主要包括主动发射和抗干扰两方面问题,通常接地设计与所有EMC测试项目都有关系。接地可视为所有的PCB设计的基础,大部分的EMI问题皆可藉由良好的接地来解决。

1 前言

电子设备的EMC问题主要包括主动发射和抗干扰两方面问题,通常接地设计与所有EMC测试项目都有关系。接地可视为所有的PCB设计的基础,大部分的EMI问题皆可藉由良好的接地来解决。

http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037533

2 概述

屏蔽、滤波、接地是EMC设计中常见的三大方法,其中接地作为电路设计最基础的内容,却几乎没人能够说得清楚,如何才能做好接地设计呢?

经常会有人问到“有没有一种通用的接地方法可以参考啊?”答案是肯定的:“没有”。那咋办呢,我们总不能像厨师一样,教徒弟炒菜时,用到的配料都是“少许”“颜色微黄”“微焦”等感觉性词语吧,当然不是。为了更好的掌握接地的技巧方法,下文中将不再讲究任何的文字技巧,而是一针见血的道出接地问题的本质来。

3 什么是“地”呢?

● 电子工程师:地是电路的基准电压——信号地;

● 结构工程师:地是设备的金属外壳——金属机壳;

● 电工:地是大地,即地球——安全地。

电子设备的“地”通常有两种含义:

1.一种是“大地”(安全地),“接大地”就是以地球的电位为基准,并以大地作为零电位,把电子设备的金属外壳、电路基准点与大地相连接。

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2.另一种是“系统基准地”(信号地),接地就是指在系统与某个电位基准面之间建立低阻的导电通路。

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4 按照性能接地分为四类

从性能的角度上,接地分为:安全接地、工作接地(数字地、模拟地、功率器件地)、防浪涌接地(雷击浪涌、上电浪涌)、防静电接地。

5 接地追求的目的

1.地线阻抗要尽量小:

地线阻抗要尽量小的目的是,保证作为参考电位的地线电位尽量符合电位一致的假设。

2.地线环路面积尽量小:

地线环路面积尽量小的目的是,为信号电流提供一条低阻抗的路径,使信号电流的回流处于受控状态,控制信号电流的回路面积减小天线效应。

6 较通用的接地方法

基本思路是,在设计时,把安全保护地、工作数字地、工作模拟地、工作功率地、雷击浪涌地、屏蔽地先确保各自独立的单独连接,最后在系统接地的时候,再根据各地之间要解决的问题,即根据接地的目的,将这几个地按照下列的之间的联接方式处理,连接方式包括:

1.用磁珠连接;

磁珠的等效电路相当于带阻限波器,只对某个频点的噪声有显著抑制作用,使用时需要预先估计噪点频率,以便选用适当型号。对于频率不确定或无法预知的情况,磁珠不合。同时跨接磁珠的地之间一般是有快速小电流波动的状态,因为磁珠会饱和,电流太大了,它消耗不了。

2.用电容连接;

电容隔直通交,造成浮地。

3.用电感连接;

电感具有抑制电路状态变化的特性,通过电感的连接,可以销峰填谷,对于有较大电流波动的地对地,跨接电感可以解决这个问题。

4.用0欧姆电阻连接。

0欧电阻相当于很窄的电流通路,能够有效地限制环路电流,使噪声得到抑制。电阻在所有频带上都有衰减作用(0欧电阻也有阻抗),这点比磁珠强。

7 接地原则:按需接地

接地的目的决定了接地方式。同样的电路,不同的目的,可能都要采取不同的接地方式。这个观点一定记住。比如同样的电路,用在便携设备上,静电累积泄放不掉,接地的目的是地电位均衡;用在不可移动的设备上,一般会有安全接地措施,对静电泄放的接地目的是导通阻抗足够低,尤其是对于尖峰脉冲的高频导通阻抗。

这里有几条经验可参考

1.控制系统宜采用一点接地。

一般情况下,高频电路应就近多点接地,低频电路应一点接地。在低频电路中,布线和元件间的电感并不是什么大问题,然而接地形成的环路的干扰影响很大,因此,常以一点作为接地点;但一点接地不适用于高频,因为高频时,地线上具有电感因而增加了地线阻抗,同时各地线之间又产生电感耦合。一般来说,频率在1MHz以下,可用一点接地;高于10MHz时,采用多点接地;在1~10MHz之间可用一点接地,也可用多点接地。

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2.交流地与信号地不能共用。

由于在一段电源地线的两点间会有数mV甚至几V电压,对低电平信号电路来说,这是一个非常重要的干扰,因此必须加以隔离和防止。

3.浮地与接地的比较。

全机浮空即系统各个部分与大地浮置起来,这种方法简单,但整个系统与大地绝缘电阻不能小于50MΩ。这种方法具有一定的抗干扰能力,但一旦绝缘下降就会带来干扰。还有一种方法,就是将机壳接地,其余部分浮空。这种方法抗干扰能力强,安全可靠,但实现起来比较复杂。

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4.模拟地。

模拟地的接法十分重要。为了提高抗共模干扰能力,对于模拟信号可采用屏蔽浮技术。对于具体模拟量信号的接地处理要严格按照操作手册上的要求设计。

5.屏蔽地。

在控制系统中为了减少信号中电容耦合噪声、准确检测和控制,对信号采用屏蔽措施是十分必要的。根据屏蔽目的不同,屏蔽地的接法也不一样。电场屏蔽解决分布电容问题,一般接大地;电磁场屏蔽主要避免雷达、电台等高频电磁场辐射干扰。利用低阻金属材料高导流而制成,可接大地。磁场屏蔽用以防磁铁、电机、变压器、线圈等磁感应,其屏蔽方法是用高导磁材料使磁路闭合,一般接大地为好。当信号电路是一点接地时,低频电缆的屏蔽层也应一点接地。如果电缆的屏蔽层接地点有一个以上时,将产生噪声电流,形成噪声干扰源。

8 总结

接地首先要明白接地的功能,要实现的目的,最后才到接地方式;所以采取哪种接地方式,要看地是哪类地,这类地的作用目的是什么,这两个问题解决了,接地方式则可水到渠成。

来源: 韬略科技EMC,作者:张小林、詹育云

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