PCB地线的干扰与抑制分析Word文档格式.docx
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通过以上的公式计算可以看出,在低频信号传输中导线电阻大于导线感抗,对于数字电路,电路的工作频率很高,在高频信号中导线感抗要远大于导线电阻。
因此,地线阻抗对数字电路的影响是十分可观的。
这就是电流流过小电阻时产生大压降,导致电路工作异常的原因。
2地线干扰机理
2.1地环路干扰
地环路干扰是一种较常见的干扰现象,常常发生在通过较长电缆连接并且相距较远的设备之间。
地线造成电磁干扰的主要原因是地线存在阻抗,当电流流过地线时,会在地线上产生电压,这就是地线噪声。
在这个电压的驱动下,会产生地线环路电流,形成地环路干扰。
如图1所示是两个接地的电路。
由于两个设备的地电位不同,形成地电压,在这个电压的驱动下,“设备1一互联电缆一设备2一地”形成的环路之间有电流流动。
由于电路的不平衡性,每根导线上的电流不同,因此会产生差模电压,对电路造成干扰。
由于地环路干扰是因地环路电流而导致的,因此有时会发现,当把一个设备的地线断开后,干扰现象消失,这是因为地线断开时切断了地环路。
这种现象经常发生在低频干扰的场合,当干扰频率较高时,断开地线与否关系不大。
2.2公共阻抗干扰
在数字电路中,由于信号的频率较高,地线往往呈现较大的阻抗。
这时,当几个电路共用一段地线时,由于地线的阻抗,一个电路的地电位会受另一个电路工作电流的调制,这样一个电路中的信号会耦合进另一个电路,这种耦合称为公共阻抗耦合。
解决公共阻抗耦合的方法是减小公共地线部分的阻抗,或采用单点接地,彻底消除公共阻抗图2的例子说明了一种干扰现象。
图2是一个有四个门电路组成的简单电路。
假设门1的输出电平由高变为低,这时电路中的寄生电容(有时门2的输入端有滤波电容)会通过门1向地线放电,由于地线的阻抗,放电电流会在地线上产生尖峰电压,如果这时门3的输出是低电平,则这个尖峰电压就会传到门3的输出端,门4的输入端,如果这个尖峰电压的幅度超过门4的噪声门限,就会造成门4的误动作。
2.3地环路电磁耦合干扰
图1所示的“地线环路”将包围一定的面积,根据电磁感应定律,如果这个环路所包围的面积中有变化的磁场存在,就会在环路中产生感生电流,形成干扰。
空间磁场的变化无处不在,于是包围的面积越大干扰就越严重。
3解决地线干扰的方法
3.1解决地环路干扰
解决地环路干扰的基本思路有3个:
一个是减小地线的阻抗,从而减小干扰电压,但是这对第二种原因导致的地环路干扰没有效果。
第二个方法是改变接地结构,将一个机箱的地线连接到另一个机箱上,通过另一个机箱接地,这就是单点接地的概念。
第三个是增加地环路的阻抗,从而减小地环路电流。
当阻抗无限大时,实际是将地环路切断,即消除了地环路。
因此提出以下几种解决地环路干扰的方案。
1)将一侧的设备浮地
如果将一侧电路浮地,就切断了地环路,因此可以消除地环路电流。
但有两个问题需要注意,一个是出于安全的考虑,不允许电路浮地。
这时可以考虑将设备通过一个电感接地。
这样对于50Hz的交流电流设备接地阻抗很小,而对于频率较高的干扰信号,设备接地阻抗较大,减小了地环路电流。
但这样做只能减小高频干扰的地环路干扰。
另一个问题是,尽管设备浮地,但设备与地之间还是有寄生电容,这个电容在频率较高时会提供较低的阻抗,因此并不能有效地减小高频地环路电流。
2)使用变压器
解决地环路干扰的最基本方法是切断地环路。
用隔离变压器就起到这个作用,两个设备之间的信号传输通过磁场耦合进行,而避免了电气直接连接。
这时地线上的干扰电压出现在变压器的初次级之间,而不是在电路的输入端。
提高变压器高频隔离效果的一个办法是在变压器的初次级之间设置屏蔽层。
但一定要注意隔离变压器屏蔽层的接地端必须在接受电路一端。
否则,不仅不能改善高频隔离效果,还可能使高频耦合更加严重。
因此,变压器要安装在信号接收设备的一侧。
变压器隔离的方法有一些缺点,不能传输直流,体积大,成本高。
由于变压器的初次级之间有寄生电容,因此高频时的隔离效果不是很好。
3)使用光隔离元件
用光传输信号是解决地环路问题的理想方法。
如图3所示,光耦器件的寄生电容为2pF左右,因此能够在很高的频率起到隔离作用。
如果使用光纤,则没有寄生电容的问题,能够获得十分完善的隔离效果。
但是,用光纤会带来其它问题,如:
需要更大的功率、需要更多的外围器件,光连接的线形和动态范围都达不到模拟信号的要求、光缆的安装和维护比较复杂等,使用时应注意。
4)使用共模扼流圈
地线电压实际是一种共模电压,在这个电压的驱动下,电缆中流过的电流是共模电流。
在连接电缆上使用共模扼流圈相当于增加了地环路的阻抗,这样在一定的地线电压作用下,地环路电流会减小。
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很差。
共模扼流圈的匝数越多,则寄生电容越大,高频隔离的效果越差。
5)平衡电路对地环路干扰的抑制
平衡电路的定义是两个导体及其所连接的电路相对于地线或其他参考物体具有相同的阻抗。
高频时平衡是很困难的,实际的电路会有很多寄生因素,如寄生电容、电感等。
这些参数在频率较高时对电路阻抗发挥着较大作用。
由于这些寄生参数的不确定性,电路的阻抗也是不确定的,因此很难保证两个导体的阻抗完全相同。
因此,在高频时,电路平衡性往往较差,这意味着:
平衡电路对频率较高的地环路电流干扰抑制效果较差。
3.2消除公共阻抗耦合
消除公共阻抗耦合的途径有两个,一个是减小公共地线部分的阻抗,这样公共地线上的电压也随之减小,从而控制公共阻抗耦合。
另一个方法是通过适当的接地方式避免容易相互干扰的电路共用地线,一般要避免强电电路与弱电电路共用地线,数字电路与模拟电路共用地线等。
并联接地的缺点是接地的导线过多。
因此在实际中,没有必要所有电路都并联单点接地,对于相互干扰较少的电路,可以采用串联单点接地。
例如,可以将电路按照强信号,弱信号,模拟信号,数字信号等分类,然后在同类电路内部用串联单点接地,如图4所示,不同类型的电路采用并联单点接地,如图5所示。
当信号频率低于1MHz时可采用单点接地的方法,使其不形成回路。
信号频率高于10MHz时最好采用多点接地,尽量降低地线阻抗。
电源线与地线应尽量靠近走线以减少所包围的环路面积,从而减少外界磁场对环路切割产生的电场干扰,同时也减少环路对外电磁辐射。
如前所述,减小地线阻抗的核心问题是减小地线的电感。
可以使用扁平导体做地线,或用多条相距较远的并联导体作接地线。
对于PCB,在双层板上布地线网格能够有效地减小地线阻抗,在多层板中可以专门用一层做地线来减小阻抗。
4结论
抗干扰设计是单片机系统设计的重要环节,其设计的好坏往往决定整个系统的成败。
关于接地,许多关于电磁兼容的专著中都有详细的论述,但是,最好的接地方式应该是通过试验来选定的,地线干扰也要通过试验来查找和排除。
本文介绍了地线引起干扰的原因和解决方法,说明了地线设计中的一般方法和原则,只有在理论的指导下,经过大量的试验过程和经验积累才能更好地掌握接地系统的设计方法和干扰排除手段,从而更好的提高电路工作的可靠性。
1.地线的定义
什么是地线?
大家在教科书上学的地线定义是:
地线是作为电路电位基准点的等电位体。
这个定义是不符合实际情况的。
实际地线上的电位并不是恒定的。
如果用仪表测量一下地线上各点之间的电位,会发现地线上各点的电位可能相差很大。
正是这些电位差才造成了电路工作的异常。
电路是一个等电位体的定义仅是人们对地线电位的期望。
HENRY给地线了一个更加符合实际的定义,他将地线定义为:
信号流回源的低阻抗路径。
这个定义中突出了地线中电流的流动。
按照这个定义,很容易理解地线中电位差的产生原因。
因为地线的阻抗总不会是零,当一个电流通过有限阻抗时,就会产生电压降。
因此,我们应该将地线上的电位想象成象大海中的波浪一样,此起彼伏。
2.地线的阻抗
谈到地线的阻抗引起的地线上各点之间的电位差能够造成电路的误动作,许多人觉得不可思议:
我们用欧姆表测量地线的电阻时,地线的电阻往往在毫欧姆级,电流流过这么小的电阻时怎么会产生这么大的电压降,导致电路工作的异常。
要搞清这个问题,首先要区分开导线的电阻与阻抗两个不同的概念。
任何导线都有电感,当频率较高时,导线的阻抗远大于直流电阻,表1给出的数据说明了这个问题。
在实际电路中,造成电磁干扰的信号往往是脉冲信号,脉冲信号包含丰富的高频成分,因此会在地线上产生较大的电压。
对于数字电路而言,电路的工作频率是很高的,因此地线阻抗对数字电路的影响是十分可观的。
如果将10Hz时的阻抗近似认为是直流电阻,可以看出当频率达到10MHz时,对于1米长导线,它的阻抗是直流电阻的1000倍至10万倍。
因此对于射频电流,当电流流过地线时,电压降是很大的。
从表上还可以看出,增加导线的直径对于减小直流电阻是十分有效的,但对于减小交流阻抗的作用很有限。
但在电磁兼容中,人们最关心的交流阻抗。
为了减小交流阻抗,一个有效的办法是多根导线并联。
当两根导线并联时,其总电感L为:
L=(L1M)/2
式中,L1是单根导线的电感,M是两根导线之间的互感。
从式中可以看出,当两根导线相距较远时,它们之间的互感很小,总电感相当于单根导线电感的一半。
因此我们可以通过多条接地线来减小接地阻抗。
但要注意的是,多根导线之间的距离不能过近。
3.地线干扰机理
3.1地环路干扰
由于地线阻抗的存在,当电流流过地线时,就会在地线上产生电压。
当电流较大时,这个电压可以很大。
例如附近有大功率用电器启动时,会在地线在中流过很强的电流。
这个电流会在两个设备的连接电缆上产生电流。
由于电路的不平衡性,每根导线上的电流不同,因此会产生差模电压,对电路造成影响。
由于这种干扰是由电缆与地线构成的环路电流产生的,因此成为地环路干扰。
地环路中的电流还可以由外界电磁场感应出来。
3.2公共阻抗干扰
当两个电路共用一段地线时,由于地线的阻抗,一个电路的地电位会受另一个电路工作电流的调制。
这样一个电路中的信号会耦合进另一个电路,这种耦合称为公共阻抗耦合。
4.地线干扰对策
4.1地环路对策从地环路干扰的机理可知,只要减小地环路中的电流就能减小地环路干扰。
如果能彻底消除地环路中的电流,则可以彻底解决地环路干扰的问题。
因此我们提出以下几种解决地环路干扰的方案。
A.将一端的设备浮地如果将一端电路浮地,就切断了地环路,因此可以消除地环路电流。
但有两个问题需要注意,一个是出于安全的考虑,往往不允许电路浮地。
这样对于50Hz的交流电流设备接地阻抗很小,而对于频率较高的干扰信号,设备接地阻抗较大,减小了地环路电流。
B.使用变压器实现设备之间的连接利用磁路将两个设备连接起来,可以切断地环路电流。
但要注意,变压器初次级之间的寄生电容仍然能够为频率较高的地环路电流提供通路,因此变压器隔离的方法对高频地环路电流的抑制效果较差。
经过良好屏蔽的变压器可以在1MHz以下的频率提供有效的隔离。
C.使用光隔离器另一个切断地环路的方法是用光实现信号的传输。
这可以说是解决地环路干扰问题的最理想方法。
用光连接有两种方法,一种是光耦器件,另一种是用光纤连接。
光耦的寄生电容一般为2pf,能够在很高的频率提供良好的隔离。
光纤几乎没有寄生电容,但安装、维护、成本等方面都不如光耦器件。
D.使用共模扼流圈在连接电缆上使用共模扼流圈相当于增加了地环路的阻抗,这样在一定的地线电压作用下,地环路电流会减小。
4.2消除公共阻抗耦合
另一个方法是通过适当的接地方式避免容易相互干扰的电路共用地线,一般要避免强电电路和弱电电路共用地线,数字电路和模拟电路共用地线。
如前所述,减小地线阻抗的核心问题是减小地线的电感。
这包括使用扁平导体做地线,用多条相距较远的并联导体作接地线。
对于印刷线路板,在双层板上布地线网格能够有效地减小地线阻抗,在多层板中专门用一层做地线虽然具有很小的阻抗,但这会增加线路板的成本。
通过适当接地方式避免公共阻抗的接地方法是并联单点接地,如图4所示。
例如,可以将电路按照强信号,弱信号,模拟信号,数字信号等分类,然后在同类电路内部用串联单点接地,不同类型的电路采用并联单点接地。
5.小结
地线造成电磁干扰的主要原因是地线存在阻抗,当电流流过地线时,会在地线上产生电压,这就是地线噪声。
当两个电路共用一段地线时,会形成公共阻抗耦合。
解决地环路干扰的方法有切断地环路,增加地环路的阻抗,使用平衡电路等。
解决公共阻抗耦合的方法是减小公共地线部分的阻抗,或采用并联单点接地,彻底消除公共阻抗。
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- PCB 地线 干扰 抑制 分析