在電子產品的PCB設計中,抑制或防止地線幹擾是需要考慮的最主要問題之一。而許多初學者不了解地線幹擾的成因,因此對解決地線幹擾問題也就束手無策了。
本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201807/383966.htm所謂幹擾,必然是發生在不同的單元電路、部件或系統之間,而地線幹擾是指通過公用地線的方式產生的信號幹擾。注意這裡所提到的信號,通常是指交流信號或者跳變信號。地線幹擾的形式很多,有人把它歸結成兩類:地線環路幹擾、公共阻抗幹擾,我認為應該還要加上地線環路的電磁偶合幹擾,因此是三類。下圖可以很好的說明三類地線幹擾的成因。
A1、A2是級聯的兩個放大電路。由於PCB設計的客觀原因,各個電路單元在不同的板面位置,它們之間的連線必然有一定的長度,這就形成了導線(銅鉑)電阻。導線的直流電阻雖然很小,大多數情況都可以忽略,但是對於交流信號來說,其感抗成分就不可以忽略不記,尤其是頻率比較高的時候更是如此。地線同樣是導線,因此同樣存在阻抗,因此上圖中的地線J、K、L、M、N,就不可以簡單的看成是等電位連線了,應該把它們各自看成一個電抗元件。有了這個基本概念,就很容易理解三種地線幹擾了。
一、地環路幹擾
如圖所示,由於地線阻抗的存在,當電流流過地線時,就會在地線上產生電壓。當電流較大時,這個電壓可以很大。例如附近有大功率用電器啟動時,會在地線在中流過很強的電流。比如上圖中的「B單元電路」的地線電流,流經地線K、L、(M、J、N),到達接地零點。由於電路的不平衡性,每根導線上的電流不同,因此會產生差模電壓,對電路造成影響。具體的說就是「B單元電路」的地線電流,在J、N、L、M形成的「地線環路」中,對放大器A1和A2造成了影響。由於這種幹擾是由電纜與地線構成的環路電流產生的,因此成為地環路幹擾
二、地環路電磁耦合幹擾
在實際電路的PCB上,J、N、L、M形成的「地線環路」將包圍一定的面積,根據電磁感應定律,如果這個環路所包圍的面積中有變化的磁場存在,就會在環路中產生感生電流,形成幹擾。空間磁場的變化無處不在,於是包圍的面積越大幹擾就越嚴重。
三、公共阻抗幹擾
認真考察上圖所示的電路結構,我們將發現,J、N、L、M中,有一條連接是多餘的,隨便去除其一,仍然可以滿足各個接地點的連通關係,同時又可以消除地線環路。那麼,將哪一條連線去除比較合理呢?這時就要考慮另一類的幹擾問題——公共阻抗幹擾。
①去除J:這是最差的方案。J去除後地線環路似乎消失了,可是另一個更可怕的環路又形成了(I、N、L、M),其中I是信號線,因此幹擾比原來有線J時還要嚴重。
②去除M:環路消失,但是我們發現,此時放大器A2的地線電流需要流過J、N到達接地零點,注意N段是A1和A2共同的接地線,因此A2接地電流在N上形成的電壓降就加到了A1上,形成幹擾。這種因共用一段地線而形成的幹擾稱為「公共阻抗幹擾」。
③去除L:不僅不能解決A2與A1之間的公共阻抗幹擾問題,還引起了「B單元電路」與A1、A2之間的公共阻抗幹擾問題。
④去除N:看來這是最後的方法。其實這樣做將使M成為A1、A2的「公用阻抗」,同樣形成幹擾。還是存在問題!但是,我們注意到,此法中的幹擾是A1對A2的幹擾,A2是後級,工作信號強度遠大於A1,因此A1對A2的幹擾,很難造成不良後果。
最合理的走線方案是:去除N,然後將M的下端直接連到「接地信號零點」上。
四、小結
地線造成電磁幹擾的主要原因是地線存在阻抗,當電流流過地線時,會在地線上產生電壓,這就是地線噪聲。在這個電壓的驅動下,會產生地線環路電流,形成地環路幹擾。當兩個電路共用一段地線時,會形成公共阻抗耦合。解決地環路幹擾的方法有切斷地環路,增加地環路的阻抗,使用平衡電路等。解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線部分的阻抗,或採用並聯單點接地,徹底消除公共阻抗。