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確保低噪聲和通過EMC的PCB接地介紹
確保低噪聲和通過EMC的PCB接地介紹
復雜系統需要大量關注，PCB接地是設計人員應解決的基本系統級問題之一。如果PCB設計正確，則可以使用幾乎總是有效的簡單策略來制作簡單的設計。需要多個板或接地連接的復雜系統將需要更復雜的接地策略。該區域可能會造成混淆并影響系統的抗噪能力。
通過EMC會受到PCB中接地策略和接地物理布局的影響。接地策略之后是布線策略，以解決PCB設計中的大多數EMC問題。本文將全面概述復雜PCB中的接地。它包括具有混合信號布局、路由、機箱/接地連接和電源系統的系統。
如何開始使用PCB接地
接地和周圍系統的物理結構在PCB中扮演著多重角色，包括抗噪性、參考抗擾性、信號測量參考和EMC。設計復雜系統時應考慮PCB中的三種接地區域：
接地： 該接地用于公用設施布線。如果可用，它可以為任何系統提供最高級別的安全性。這是通過一個實用櫥柜直接連接到地球。
機箱接地： 如果系統中存在導電框架，則指的是框架。當存在接地連接時，框架接地通常連接到大地。
信號接地 雖然大多數指南不會告訴您這一點，但它可以是PCB上的接地層和任何能夠將返回電流傳回系統電源的大導體。如果直接使用機箱，則不應考慮信號地。
當電氣系統中有多個設備時，確定這三個區域的連接方式可能具有挑戰性。這些連接在PCB設計軟件中進行了描述（在電路板原理圖和整個系統的電氣圖中）。
原理圖中用于接地的標準符號
在PCB上接地
PCB接地的目的取決于其特定需求。隔離電源與小型電池供電設備具有不同的準則。與具有接地連接的系統相比，隔離的電源部分和接地連接將具有更多的PCB接地要求。您可以決定不需要接地，并且可以使用浮動接地來為您的設備供電。
為了提供屏蔽、返回電流的額外路徑或特定組件的接地連接，還可以在電路板上找到接地結構。這些結構通常稱為覆銅，除了方便的接地連接外，還提供其他好處。
我們必須考慮如何向PCB供電、是否存在多個設備以及它們是否共享接地。雖然我們將在這里介紹最重要的主題，但有些主題更復雜，需要單獨的文章。
帶接地連接的交流電源
這是將電源帶入具有電網電源的電路板的標準方法。它將以中等高電流運行。下圖顯示了如何將單相交流電引入系統。然后，我們使用變壓器將其降低到電路板所需的水平。現在，我們的板上有一個隔離電源，以及所有其他基本組件（高速數字和精密模擬）。這是因為PCB疊層將初級接地 (PGND)與次級接地(SGND)分開。
通過將PGND與SGND分開來實現輸出和輸入之間的電流隔離。這在具有足夠電流以引起安全問題的系統中很常見。兩側接一個比TX繞組電容大很多的Y型電容。這允許來自SGND側的高頻噪聲流入PGND側并通過安裝孔連接器返回大地。這為I/O上的ESD事件創建了一條路徑，尤其是當它暴露給用戶時。假設您有一個I/O傳遞到具有此配置的連接器。在這種情況下，它應該連接到SGND，以確保連接器上的任何ESD事件都通過PGND安裝孔轉移到大地，而不是進入相鄰的組件。
無接地交流電源
當安全不是問題時，這是一個標準選項。一個簡單的交流/直流電源適配器可以插入墻上。該適配器可以在適配器的SGND和PGND側之間提供隔離，但不會有接地連接。這適用于筆記本電腦等大電流設備。但是，您仍將在輸入電源和輸出電源之間進行隔離。您需要另一種方法來獲得安全接地。您可以擁有自己的安全接地，或者設備將使用您的接地平面來確保安全。
通過 2 線直流連接的接地連接
這在使用直流電源為設備供電時使用。接地連接通常不連接到電路板，而是連接到機箱。如果您有一個帶有接地/機箱連接的直流電源，則可以使用這種類型的電源布置。機箱可防止ESD并消除任何可能導致設計周圍EMI協調的相當大的浮動金屬鉆頭。最好不要將系統接地直接連接到機箱。這可能會形成接地回路并導致過大的電流流動，從而構成安全風險。
直接 2 線直流連接，無接地
如果 2 線直流連接不接地，則它具有可用于連接任何其他接地的浮動接地。如果存在金屬機箱，最好將其靠近直流輸入或端子接地。來自設備的任何返回電流都不會流過機箱。這是因為金屬底盤不打算用于信號返回。如果在設計中使用高頻射頻源，這只是一個問題。如果發生這種情況，可能會導致機箱周圍產生電容耦合噪聲。在這種情況下，接地連接更好，因為它將提供低阻抗路徑來轉移噪聲。
多地接地
這在兩臺設備之間布線時最常見。電纜末端的屏蔽層可以接地。這是您需要小心的地方，因為接地連接可能具有高達10 V的直流電勢差。接地偏移會導致接地交叉（例如，沿屏蔽線進行屏蔽）并導致直流電流過大，可能會燒毀電纜。基于電容器的連接可用于屏蔽的任一端，以允許高頻交流噪聲通過，但會產生高阻抗直流連接。如果是這種情況，你不應該在地球上架橋。
這是一個令人著迷的事實，因為它最初是差分對用于通過長鏈路傳輸數據的原因。當設備連接到不同的電路時，差分信號可以承受較大的接地偏移。使用差值而不是單個電平的總和來量化信號可以抵抗接地偏移和共模噪聲。
那么精密模擬呢？
這并不容易概括，因為它特定于每個布局。如果您使用低頻數字和模擬，則可以使用單獨的接地。這將確保返回路徑不會干擾。大多數系統將使用單個PCB接地平面而不是星形接地。因為星形接地和濫用不同接地區域會鼓勵不良的布線實踐，我建議新設計師只使用一個接地平面。它還使設計人員能夠思考如何在電路板上傳播返回路徑。
低頻模擬測量（例如使用時間平均光學測量進行的測量）可能需要您使用專用模擬接地通道或差分模擬通道。這將允許防止噪聲干擾。這就是我們處理航空航天傳感器測量的方式。
ESD可能是任何連接器或I/O的嚴重問題。標準方法是通過機箱連接到 GND（或保護接地）。ESD保護電路將使用一對或更多齊納二極管來保護電路。這將使設計能夠承受高壓ESD事件，這可以快速反轉基于二極管的ESD電路的偏置。它不允許機箱用于常規信號的返回路徑。ESD保護在醫療設備或商業空間等高可靠性系統中至關重要。
韜放PCB設計服務
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