電路中地線的可靠性設(shè)計(jì)

時(shí)間：2011-04-19 19:34:48

關(guān)鍵字：電路接地電阻電位 HZ

手機(jī)看文章

掃描二維碼
隨時(shí)隨地手機(jī)看文章

[導(dǎo)讀]一、地的分類(lèi)工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)，為防止各種電路在電路正常工作中產(chǎn)生互相干擾，使之能相互兼容地有效工作。根據(jù)電路的性質(zhì)，將電路中“零電位”———“地”分為不同的種類(lèi)，比

一、地的分類(lèi)

工程師在設(shè)計(jì)電路時(shí)，為防止各種電路在電路正常工作中產(chǎn)生互相干擾，使之能相互兼容地有效工作。根據(jù)電路的性質(zhì)，將電路中“零電位”———“地”分為不同的種類(lèi)，比如按交直流分為直流地、交流地，按參考信號(hào)分為數(shù)字地（邏輯地）、模擬地，按功率分為信號(hào)地、功率地、電源地等，按與大地的連接方式分為系統(tǒng)地、機(jī)殼地（屏蔽地）、浮地。不同的接地方式在電路中應(yīng)用、設(shè)計(jì)和考慮也不相同，應(yīng)根據(jù)具體電路分別進(jìn)行設(shè)置。

1、信號(hào)地

信號(hào)地（SG）是各種物理量的傳感器和信號(hào)源零電位以及電路中信號(hào)的公共基準(zhǔn)地線（相對(duì)零電位）。此處信號(hào)一般指模擬信號(hào)或者能量較弱的數(shù)字信號(hào)，易受電源波動(dòng)或者外界因素的干擾，導(dǎo)致信號(hào)的信噪比（SNR）下降。特別是模擬信號(hào)，信號(hào)地的漂移，會(huì)導(dǎo)致信噪比下降；信號(hào)的測(cè)量值產(chǎn)生誤差或者錯(cuò)誤，可能導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)的失敗。因此對(duì)信號(hào)地的要求較高，也需要在系統(tǒng)中特殊處理，避免和大功率的電源地、數(shù)字地以及易產(chǎn)生干擾地線直接連接。尤其是微小信號(hào)的測(cè)量，信號(hào)地通常需要采取隔離技術(shù)。

2、模擬地

模擬地（AG）是系統(tǒng)中模擬電路零電位的公共基準(zhǔn)地線。由于模擬電路既承擔(dān)小信號(hào)的處理，又承擔(dān)大信號(hào)的功率處理；既有低頻的處理，又有高頻處理；模擬量從能量、頻率、時(shí)間等都很大的差別，因此模擬電路既易接受干擾，又可能產(chǎn)生干擾。所以對(duì)模擬地的接地點(diǎn)選擇和接地線的敷設(shè)更要充分考慮。減小地線的導(dǎo)線電阻，將電路中的模擬和數(shù)字部分開(kāi)，在PCB布線的時(shí)候，模擬地和數(shù)字地應(yīng)盡量分開(kāi)，最后通過(guò)電感濾波和隔離，匯接到一起。如圖1所示。

模擬地和數(shù)字地

3、數(shù)字地

數(shù)字地（DG）是系統(tǒng)中數(shù)字電路零電位的公共基準(zhǔn)地線。由于數(shù)字電路工作在脈沖狀態(tài)，特別是脈沖的前后沿較陡或頻率較高時(shí)，會(huì)在電源系統(tǒng)中產(chǎn)生比較大的毛刺，易對(duì)模擬電路產(chǎn)生干擾。所以對(duì)數(shù)字地的接地點(diǎn)選擇和接地線的敷設(shè)也要充分考慮。盡量將電路中的模擬和數(shù)字部分分開(kāi)，在PCB布線的時(shí)候，模擬地和數(shù)字地應(yīng)盡量分開(kāi)，最后通過(guò)電感，匯接到一起。

4、懸浮地

懸浮地（FG）是系統(tǒng)中部分電路的地與整個(gè)系統(tǒng)的地不直接連接，而是通過(guò)變壓器耦合或者直接不連接，處于懸浮狀態(tài)。該部分電路的電平是相對(duì)于自己“地”的電位。常用在小信號(hào)的提取系統(tǒng)或者強(qiáng)電和弱點(diǎn)混合系統(tǒng)中。

其優(yōu)點(diǎn)是該電路不受系統(tǒng)中電氣和干擾的影響；缺點(diǎn)是該電路易受寄生電容的影響，而使該電路的地電位變動(dòng)和增加對(duì)模擬電路的感應(yīng)干擾。由于該電路的地與系統(tǒng)地沒(méi)有連接，易產(chǎn)生靜電積累而導(dǎo)致靜電放電，可能造成靜電擊穿或強(qiáng)烈的干擾c 因此，懸浮地的效果不僅取決于懸浮地絕緣電阻的大小，而且取決于懸浮地寄生電容的大小和信號(hào)的頻率。

在圖2所示的VDD-SGND的電源供電系統(tǒng)中，所有工作點(diǎn)相對(duì)的地都是SGND，但是SGND和DGND之間是電平處于懸浮狀態(tài)，VDD-SGND的電源供電的系統(tǒng)與整個(gè)系統(tǒng)的連接完全通過(guò)變壓器耦合，在這里設(shè)計(jì)的時(shí)候需要注意信號(hào)的連接方式。

懸浮地變壓器耦合

5、電源地

電源地是系統(tǒng)電源零電位的公共基準(zhǔn)地線。由于電源往往同時(shí)供電給系統(tǒng)中的各個(gè)單元，而各個(gè)單元要求的供電性質(zhì)和參數(shù)可能有很大差別，因此既要保證電源穩(wěn)定可靠的工作，又要保證其他單元穩(wěn)定可靠地工作。同時(shí)，電源系統(tǒng)功耗比大，在單層板或者雙層板中地線的線寬必須加粗。若在多層板中，則應(yīng)以一層或者多層作為系統(tǒng)的地平面。

6、功率地

功率地是負(fù)載電路或功率驅(qū)動(dòng)電路的零電位的公共基準(zhǔn)地線。由于負(fù)載電路或功率驅(qū)動(dòng)電路的電流較強(qiáng)、電壓較高，所以功率地線上的干擾較大，因此功率地必須與其他弱電地分別設(shè)置、分別布線，以保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠地工作。

二、接地方式

在低頻電路中，信號(hào)的工作頻率小于1MHz，它的布線和器件間的電感影響較小，而接地電路形成的環(huán)流對(duì)干擾影響較大，因而應(yīng)采用一點(diǎn)接地。當(dāng)信號(hào)工作頻率大于10MHz時(shí)，地線阻抗變得很大，此時(shí)應(yīng)盡量降低地線阻抗，應(yīng)采用就近多點(diǎn)接地。當(dāng)工作頻率在1MHz~10MHz時(shí)，如果采用一點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)波長(zhǎng)的1-20，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地法。工作接地按工作頻率而采用如圖3所示幾種接地方式。

信號(hào)接地方式

（一）單點(diǎn)接地

工作頻率低（<1MHz）的采用單點(diǎn)接地式（即把整個(gè)電路系統(tǒng)中的一個(gè)結(jié)構(gòu)點(diǎn)看作接地參考點(diǎn)，所有對(duì)地連接都接到這一點(diǎn)上，并設(shè)置一個(gè)安全接地螺栓），以防兩點(diǎn)接地產(chǎn)生共地阻抗的電路性耦合。多個(gè)電路的單點(diǎn)接地方式又分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種（如圖4所示）。由于串聯(lián)接地產(chǎn)生共地阻抗的電路性耦合，所以低頻電路最好采用并聯(lián)的單點(diǎn)接地式。

串聯(lián)接地和并聯(lián)接地

為防止工頻和其他雜散電流在信號(hào)地線上產(chǎn)生干擾，信號(hào)地線應(yīng)與功率地線和機(jī)殼地線相絕緣，且只在功率地、機(jī)殼地和接往大地的接地線的安全接地螺栓上相連（浮地式除外）。

（二）多點(diǎn)接地

工作頻率高（>10MHz）的采用多點(diǎn)接地式（如圖4-5所示）。在該電路系統(tǒng)中，用一塊接地平板代替電路中每部分各自的地回路。因?yàn)榻拥匾€的感抗與頻率和長(zhǎng)度成正比，工作頻率高時(shí)將增加共地阻抗，從而將增大共地阻抗產(chǎn)生的電磁干擾，所以要求地線的長(zhǎng)度盡量短。采用多點(diǎn)接地時(shí)，盡量找最接近的低阻值接地面接地。此處電路板最好設(shè)計(jì)為多層電路（4層以上），提供一層作為地平面。

多點(diǎn)接地

（三）混合接地

工作頻率介于1MHz~10MHz, 的電路采用混合接地式。當(dāng)接地線的長(zhǎng)度小于工作信號(hào)波長(zhǎng)的1/20時(shí)，采用單點(diǎn)接地式，否則采用多點(diǎn)接地式。根據(jù)系統(tǒng)的需求和電路的需要進(jìn)行合理的安排。

（四）懸浮接地

懸浮接地是系統(tǒng)的地與大地不直接連接，而是通過(guò)變壓器耦合或者直接不連接，處于懸浮狀態(tài)。懸浮接地應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）盡量提高浮地系統(tǒng)的對(duì)地絕緣電阻，從而有利于降低進(jìn)入浮地系統(tǒng)中的共模干擾電流，保證系統(tǒng)的可靠性。

（2）注意浮地系統(tǒng)對(duì)地存在的較大寄生電容，高頻干擾信號(hào)通過(guò)寄生電容仍然可能耦合到浮地系統(tǒng)之中，在設(shè)計(jì)時(shí)一定要注意。

（3）懸浮接地技術(shù)必須與屏蔽、隔離等電磁兼容性技術(shù)相互結(jié)合應(yīng)用，才能收到更好的預(yù)期效果。

（4）采用浮地技術(shù)時(shí)，系統(tǒng)容易積累靜電，當(dāng)靜電積累到一定應(yīng)程度后，可以對(duì)人和設(shè)備產(chǎn)生很多的損害，所以要注意靜電和電壓反擊對(duì)設(shè)備和人身的危害。

三、接地電阻

（一）對(duì)接地電阻的要求

對(duì)電路系統(tǒng)而言，接地電阻越小越好，因?yàn)楫?dāng)有電流流過(guò)接地電阻時(shí)，其上將產(chǎn)生電壓。該電壓除產(chǎn)生共地阻抗的電磁干擾外，還會(huì)使設(shè)備受到反擊過(guò)電壓的影響，并使人員受到電擊傷害的威脅，同時(shí)還帶來(lái)系統(tǒng)的工作的不穩(wěn)定性和發(fā)熱。為了保護(hù)系統(tǒng)的正常工作，我們?cè)谠O(shè)備接地時(shí)對(duì)接地電阻提出要求，一般要求接地電阻小于4Ω；對(duì)于移動(dòng)設(shè)備，接地電阻可小于10Ω。系統(tǒng)接地的等效電路如圖4-6所示。系統(tǒng)接地不好，還會(huì)帶來(lái)寄生電感和寄生電容，這些可以導(dǎo)致地平面發(fā)生振蕩。

接地電阻的影響

（二）降低接地電阻的方法

接地電阻由接地線電阻、接觸電阻和地電阻三部分組成。為此，降低接地電阻的方法有以下三種：

1、降低接地線電阻

降低接地線電阻的方法有增大導(dǎo)線的寬度，或者采用多層板，給出一層或者多層電源層，降低導(dǎo)線的內(nèi)阻。信號(hào)層可以對(duì)采用覆銅的方式。覆銅的類(lèi)型有：

（1）整板（全部）覆銅；

（2）局部（部分）覆銅；

（3）分區(qū)覆銅（用于地種類(lèi)復(fù)雜，而且地線有不同的分區(qū)，比如模數(shù)混合電路）；

（4）分網(wǎng)絡(luò)覆銅（系統(tǒng)的特許需要，對(duì)某個(gè)或者幾個(gè)特定的網(wǎng)絡(luò)覆銅）。

2、降低接觸電阻

降低接觸電阻，為此要將接地線與接地螺栓、接地極牢靠地連接，同時(shí)要考慮系統(tǒng)接地極和土壤之間的接觸面積與緊密度。增加地極和土壤之間的接觸面積與緊密度，可以減小接觸電阻。

有的設(shè)備為了降低接觸點(diǎn)之間的電阻，在接觸點(diǎn)采用導(dǎo)電性能良好的材料；為了防止金屬被氧化而增加接觸電阻，必要時(shí)可以在接觸點(diǎn)鍍銀或者鍍金來(lái)保持良好的接觸效果，減小接觸電阻。