接地问题分析.docx

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接地问题分析

接地问题分析

“接地”问题分析（PCB设计过程中）

对于我们现在采用的多数IC,供应商一般都提供有详细的PCB设计要求（包括电源、地的分割）,硬件人员应与CAD工程师一道，仔细分析这些要求。

在实际情况可能的情况下，尽量按照供应商的要求去做。

比如TI对于DSP2407和28335的设计要求是用磁珠或0欧姆电阻，把数字地和模拟地单点连接。

如下图：

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SeedDSP公司的DSP28335接地方案，是用磁珠单点接地。

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TI公司的DSP28335电源和接地方案：

是用0欧姆电阻，单点接地。

下面的文章供参考。

5丄4地的分割与汇接

接地是抑制电磁干扰、提高电子设备EMC性能的重要手段之一。

正确的接地，既能提高产品抑制电磁干扰的能力，又能减少产品对外的EMI发射。

5.1.4.1接地的含义

电子设备的“地”通常有两种含义：

一种是“大地”（安全地），另一种是“系统基准地”（宿号地）。

接地就是指在系统与某个电位基准而之间建立低阻的导电通路。

“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。

把接地平面与大地连接，往往是出于以下考虑：

1）提高设备电路系统工作的稳定性；

2）静电泄放；

3）为操作人员提供安全保障。

在交换、接入网等产品中，一般单板的拉手条都通过拉手条的定位孔与保护地连接，以便静电释放.在做ESD实验过程中，由于单板的拉手条没有接PGND（本应金属化处理的定位孔被误设计成非金属化孔，致使该板的拉手条并未接到保护地上）。

故在机壳的后面板进行静电试验（接触放电和空气放电）时，容易引起复位。

更改焊盘设计，拉手条接PGND后，笑位问题解决,ESD测试通过。

5.1.4.2接地的目的

1）安全考虑，即保护接地；

2）为信号电压提供一个稳定的零电位参考点（信号地或系统地）；

3）屏蔽接地。

5.1.4.3基本的接地方式

电子设备中有三种基本的接地方式；单点接地、多点接地、浮地。

1.单点接地

单点接地是整个系统中，共有一个物理点被定义为接地参考点，其他各个需要接地的点都连接到这一点上。

单点接地适用于频率较低的电路中（1MHz以下）。

若系统的工作频率很高，以致工作波长与系统接地引线的长度可比拟时，单点接地方式就有问题了。

当地线的长度接近1/4波长时，它就象一根终端短路的传输线，地线的电流、电压呈驻波分布，地线变成了辐射夭线，反面不能起到

“地”的作用。

为了减少接地阻抗，避免辐射，地线的长度应小于1/20波长。

在电源电路的处理上，一般可以考虑单点接地。

对于我可大量采用的数字电路，由于其含有丰富的离次谐波，一般不建议采用单点接地方式。

2.多点接地

多点接地是指设备中各个接地点都直接接到距它最近的接地平面上以使接地引线的长度最短。

多点接地电路结构简单，接地线上可能出现的同频驻波现象显著减少，适用于工作频率较高的（＞10MHz）场合。

但多点接地可能会导致设备内部形成许多接地环路，从而降低设备对外界电磁场的抵御能力。

在多点接地的情况下，更注意地环路问題，尤其是不同的模块、设备之间组网时。

地线回路导致的电磁干扰：

理想地线应是一个零电位、零阻抗的物理实体.但实际的地线本身既有电阻分量又有电抗分量,当有电流通过该地线时，就要产生电压降。

地线会与其他连线（信号、电源线等）构成回路，当时变电磁场耦合到该回路时，就在地回路中产生感应电动势，并由地回路耦合到负载，构成潜在的EMI威胁。

以下图为例:

图5.1.4-1公共地阻抗耦合

由于分布i电容的作用，在传输线与地之间存在一个电回路B・C・D・E・F・A。

由于地阻抗的存在，当地电流lg流过地平面时，会在Zg产生一电压降Vi,即该电路的B、E两点之间出现电压降Vi。

此电压Vi对两根信号连线是公共的，从而引起电流11、I2在两根线中流动。

由于11、I2流过的路径的阻抗不同，故由此阻抗不平衡在负载两端产生差模电压V0,此即为地回路EMI来源之一。

外界电磁场与地回路交链，在回路中产生感应电压Vi,该电压对于围绕包括两条连接导线的两个回路面积的共模电流11和I2起到潜在的电磁干扰源的作用。

3.浮地

浮地是指设备地线系统在电气上与大地绝缘的一种接地方式。

由于浮地自身的一些弱点，不太适合于我公司的大系统中，其接地方式很少釆用，在此不作详细介绍.

4.以上各种方式组成的混合接地方式

5.1.4.4关于接地方式的一般选取原则；

对于给定的设备或系统，在所关心的最高频率（对应波长为）入上，当传输线的长度L>X,则视为高频电路，反之，则视为低频电路。

根据经验法则，对于低于1MHz的电路，采用单点接地较好；对于高于10MHz,则采用多点接地为佳。

对于介于两者之间的频率而言，只要最长传输线的长度L小于X/20,则可采用单点接地以避免公共阻抗耦合。

对于接地的一般选取原则如下；

1）低频电路（v1MHz）,建议采用单点接地；

2）高频电路（>10MHz）,建议采用多点接地；

3）商低频混合电路，混合接地。

对于系统、背板的接地方式以及单板接地的详细介绍请见下文。

1）系统接地方式

关于系统接地方式的详细介绍请参见《接地规范》。

2）背板接地方式

对于我公司现有的产品，其系统工作频率均在10MHz以上，且多为含有丰富的高次谐波的数字电路，建议除BGND以外，所有地均在背板汇接（多点连接，即，除BGND以外的其他地，如GND、PGND、AGND、DGND等，全部从单板直接与背板就近连接）。

3）单板接地方式

在电路这一级上专门提出对接地的具体要求是不合适的。

对具体单板而言，我们一般根据器件手册，进行必要的分割处理。

对于单板不同类型地之间的礼接，建议通过磁珠完成，或者直接在PCB上单点贯通。

对于未通过磁珠而宜接单点连接的电源，建议在单点汇接处放置一个0.01uF的电容进行滤波处理（一端接该电源，另端接对应的地）。

在电源、地的分割方面要注意切断EMI通过参考平面从初级窜到次级的途径，尤其是在滤波器、共模线圈、磁珠等器件的分割处理上。

之所以作分割处理，就是为了达到隔离元件（光耦或磁隔离元件）初、次级的隔离，控制源端的干扰通过参考平面耦合到次级。

除了达到隔离的作用外，我们还需考虑相邻层布线情况，避免重要信号线跨分割区。

对于我们现在采用的多数IC,供应商一般都提供有详细的PCB设计要求（包括电源、地的分割）,硬件人员应与CAD工程师一道，仔细分析这些要求。

在实际情况可能的情况下，尽量按照供应商的要求去做。

在实际工作中一般倾向于使用统一地，而将PCB分区为模拟部分和数字部分

如果系统中A/D转换器较多，例如10个A/D转换器怎样连接呢？

如果在每一个A/D转换器的下面都将模拟地和数字地连接在一起，则产生多点相连，模拟地和数字地之间的隔离就毫无意义。

而如果不这样连接，就违反了厂商的要求。

最好的办法是

开始时就用统一地。

如图一

模拟地部分

A/D转换器/

踐拟

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•一分割区

数字

、地电流、布蛙

数字地部分

比较测试结果，会发现几乎在所有的情况下，统一地的方案在功能和EMC性能方面比分割地更优越

1.高速信号与低速信号的面电流分布

在低速的情况下，电流沿电阻最低的路径流动。

图S.2.6-2所示的是低速电流从A流向B时，其回流信号从地平面返回源端的情形。

此时，面电流分布较宽。

图5.2.6-2低逮信号的回流沿电阻最低的路径流动

在高速的情况下，信号回流路径上的电感的作用将超过电阻的作用。

高速回流信号将沿阻抗最低的路径流动。

图5.2.6・3给出了一个典型的高速信号的回流路径。

图5.2.6-3高速回流信号沿阻抗最低的路径流动此时，面电流的分布很窄，回流信号成束状集中在信号线的下方。

2.“分地”的概念

当PCB板上存在不相容电路时，需要进行“分地”的处理，即根据不同的电源电压、数字和模拟信号、高速和低速信号、大电流和小电流信号来分别设置地线。

从前面给出的高速信号与低速信号回流的分布可以很容易地理解分地的作用；分地，可以防止不相容电路的回流信号的叠加，防止共地线阻抗耦合。

需要注意两点：

其一，分地的概念与下面将要讨论的“信号跨越电源平面或地平面上的开槽的问题”是不同的,分地只经根据不同种类的信号分别设置地线（或平面）；

其二，分地并不是将各种地完全隔离，没有任何电气连接，分地后的各种地还会在适当的位置连接起来，保证整个地层的电连续性。

3.宿号跨越电源平面或地平面上的开槽的问题

不论高速信号还是低速信号，都不应该跨分割走线。

跨分割走线会带来很多严重的问题，包括:

•增大电流环路面积，加大了环路电感，使输出的波形容易振荡；

•增加向空间的辐射干扰，同时易受空间磁场的影响；

•加大与板上其它电路产生磁场耦合的可能性；

•环路电感上的高频压降构成共模辐射源，并通过外接电缆产生共模辐射。

下图5.2.6・4给出了一个地槽引起高频信号产生串扰的示意图。

图5.2.6-4地平面开槽引起信号间的申扰

对于需要严格的阻抗控制、按带状线模型走线的高速宿号线而言，还会因为上平面或下平面或

代下平面的开槽破坏带状线模型，造成阻抗的不连续，引起严重的信号完整性问题。

526.3对开槽的处理

对开槽的处理应该道循以下原则。

1.需要严格的阻抗控制的高速信号线，其轨线严禁跨分割走线。

跨分割走线会造成阻抗不连续,引起严重的信号完整性问题。

2.当PCB板上存在不相容电路时，应该进行分地的处理。

分地不应该造成离速宿号线的跨分割走线，也尽量不要造成低速信号线的跨分割走线。

3.当跨开槽走线不可避免时，应该进行桥接。

当信号线不能避免跨开槽走线的情形时，应该进行有效的桥接，在沿信号路径的方向将地平面连接起来。

图5・2・6・5给出了桥接的示意图。

——信号电流如果跨分割走线不可避免,

——桥接时的信号回流毘好作_个桥接。

——无桥接时的信号回流

图5・2・6・5当跨分割走线不可避免则应该进行有效的桥接

4.

（b）正确接法

地

接插件（对外）不应放置在地层隔缝上

（a）错误接法

图5.2.6-G接插件不能安装在地层隔缝上图5.2.6-6（a）中如果地层上的A点和B点间存在较大的电位差，就有可能通过外接电缆产生共模辐射。

所以应该改成图5.2.6-S（b）中的安装方法，这样A、B两点就不会存在电位差了。

5.高密度接插件的处理

高密度接插件（如目前广泛使用的2mm连接器）在穿过电源和地平面时，如果隔离环的半径过大，如图7所示，就会形成开槽。

在进行PCB设计时，除非有特别的要求（如个别信号有严格的安全距离的要求），一般应该保证地网络环绕每一个引脚，也可以在进行引脚排布时均匀地安排地网络，保证地平面的连续性，防止开槽的产生。

示意图如图5・2・6・7所示。

地平面

连续性

嘯离区间过大形成开槽

图5・2・6・7高密度接插件的处理

6.跨“静地”分割的处理

对于通过电缆的到子架或机柜外的I/O信号，在进行屏蔽和滤波时，要求具有一块“干净”的、没有被内部噪声污染的地。

没有这块“静地”，对高频宿号的滤波几乎没有作用。

“静地”可以是金属机架或保护地。

“静地”并不连接到单板内部的逻辑地上。

内部电路

图5.2.6・8给出了“静地”的一个简单的示意图。

图5.2.6-S“静地”的一个简单示意图

由图5.2.6-S可以看出，PCB板上设置“静地”后，I/O信号线不可避免地要跨“静地”分割走线。

需要做一定的处理。

对于差分信号线，跨“静地”走线可以有效地抑制共模噪声，不需要做任何处理；

对于普通信号线，必须提供信号的回流路径，在PCB布线时，应该将由接口器件引出的GND

网络当作普通信号线来处理。

图5.2.6・9给出了一个RS-232*口的布线的简单例子。

揍插件呦件蠶屠容构接口芯片

图5.2.6-9一个跨“静地”分割布线的示意图

以下为某产品的一位同事的测试报告的部分内容：

“为了査明为何GND接大地支路板容易货位。

做了一个这样的实验。

由于电路板上有PGND和GND。

且这两个地在本板没有连接。

而电压监控芯片的硬复位的输入端引线就跨过两个地，且引线分布在PCB板第一层，两个地处在PCB版的第二层。

所以，外界有干扰的时候，这两个地之间容易产生压差。

于是，将引线割断，使用飞线连接。

再在GND接地的情况下，重新做ESD,在盒子的后面板接触放电。

则此时的电路板在正负6000V没有复位。

在电路板的设计过程中，初始版本的复位信号跨了PGND、GND之间的分割区，在进行ESD测试时，一旦对机壳（拉手条）进行放电，即出现反复复位。

后在改板过程中，修正了地线分割，避免了复位信号跨分割区问题。

再次做ESD测试时，顺利通过，电压在打6000V时，复位电路依然正常工作。

”