硬體工程師必讀-如何設計地

來自專欄電磁兼容(EMC)

硬體工程師必讀-如何設計地

1.地的接法

對於一個信號來說，它需要尋找一條最低阻抗的電流迴流到地的途徑，所以如何處理這個信號迴流就變得非常的關鍵。第一，根據公式可以知道，輻射強度是和迴路面積成正比的，就是說迴流需要走的路徑越長，形成的環越大，它對外輻射的干擾也越大，所以，PCB布板的時候要儘可能減小電源迴路和信號迴路面積。第二，對於一個高速信號來說，提供有好的信號迴流可以保證它的信號質量，這是因為PCB上傳輸線的特性阻抗一般是以地層（或電源層）為參考來計算的，如果高速線附近有連續的地平面，這樣這條線的阻抗就能保持連續，如果有段線附近沒有了地參考，這樣阻抗就會發生變化，不連續的阻抗從而會影響到信號的完整性。所以，布線的時候要把高速線分配到靠近地平面的層，或者高速線旁邊並行走一兩條地線，起到屏蔽和就近提供迴流的功能。第三，為什麼說布線的時候盡量不要跨電源分割，這也是因為信號跨越了不同電源層後，它的迴流途徑就會很長了，容易受到干擾。當然，不是嚴格要求不能跨越電源分割，對於低速的信號是可以的，因為產生的干擾相比信號可以不予關心。對於高速信號就要認真檢查，盡量不要跨越，可以通過調整電源部分的走線。

許多電磁干擾問題是由地線產生的，因為地線電位是整個電路工作的基準電位，如果地線設計不當，地線電位就不穩，就會導致電路故障。地線設計的目的是要保證地線電位盡量穩定，從而消除干擾現象。信號接地方式一般有三種：浮地、單點接地、多點接地。

1.1

目的：使電路或設備與公共地線可能引起環流的公共導線隔離起來，浮地還使不同電位的電路之間配合變得容易。 缺點：容易出現靜電積累引起強烈的靜電放電。 折衷方案：接入泄放電阻。

1.2 單點接地

單點接地:所有電路的地線接到公共地線的同一點，進一步可分為串聯單點接地和並聯單點接地。在大功率和小功率電路混合的系統中，切忌使用，因為大功率電路中的地線電流會影響小功率電路的正常工作。另外，最敏感的電路要放在A點，這點電位是最穩定的。最大的好處就是沒有地環路，相對簡單，但是地線往往過長，導致地線阻抗過大。

工作頻率低（<1MHz）的採用單點接地式

缺點：不適宜用於高頻場合。

根據使用情況還可以用串聯單點、並聯單點混合接地。在這種接地方式中，將電路按照特性分組，相互之間不易發生干擾的電路放在同一組，相互之間容易發生干擾的電路放在不同的組。每個組內採用串聯單點接地，獲得最簡單的地線結構，不同組的接地採用並聯單點接地，避免相互之間干擾。 這個方法的關鍵：絕不要使功率相差很大的電路或雜訊電平 相差很大的電路共用一段地線。

在低頻率、小功率和相同電源層之間，單點接地是最為適宜的，通常應用於模擬電路之中；這裡一般採用星型方式進行連接降低了可能存在的串聯阻抗的影響，

1.3 多點接地

工作頻率高（>30MHz）的採用多點接地式（即在該電路系統中，用一塊接地平板代替電路中每部分各自的地迴路）。因為接地引線的感抗與頻率和長度成正比，工作頻率高時將增加共地阻抗，從而將增大共地阻抗產生的電磁干擾，所以要求地線的長度盡量短。採用多點接地時，盡量找最接近的低阻值接地面接地。高頻率的數字電路就需要並聯接地了，在這裡一般通過地孔的方式可較為簡單的處理

PCB中的大面積敷銅接地,其實就是多點接地,所以單面PCB也可以實現多點接地 ，多層PCB大多為高速電路,地層的增加可以有效提高PCB的電磁兼容性,是提高信號抗干擾的基本手段，同樣由於電源層和底層和不同信號層的相互隔離,減輕了PCB的布通率也增加了信號間的干擾。

1.4.混合接地

如果不選擇使用整個平面的作為公共的地線，比如模塊本身有兩個地線的時候，就需要進行對地平面進行分割，這往往與電源平面有相互作用。地之間的連接方法如下：

　　① 地間電路板普通走線連接：使用這種方法可以保證兩個地線之間可靠的低阻抗導通，但僅限於中低頻信號電路地之間的接法。

　　② 地間大電阻連接：大電阻的特點是一旦電阻兩端出現壓差，就會產生很弱的導通電流，把地線上電荷泄放掉之後，最終實現兩端的壓差為零。

　　③ 地間電容連接：電容的特性是直流截止和交流導通，應用於浮地系統中。

　　④ 地間磁珠連接：磁珠等同於一個隨頻率變化的電阻，它表現的是電阻特性。應用於快速小電流波動的弱信號的地與地之間。

　　⑤ 地間電感連接：電感具有抑制電路狀態變化的特性，可以削峰填谷，通常應用於兩個有較大電流波動的地與地之間。

⑥ 地間小電阻連接：小電阻增加了一個阻尼，阻礙地電流快速變化的過沖；在電流變化時候，使衝擊電流上升沿變緩。

2. 模擬地和數字地

模擬信號和數字信號都要迴流到地，因為數字信號變化速度快，從而在數字地上引起的雜訊就會很大，而模擬信號是需要一個乾淨的地參考工作的。如果模擬地和數字地混在一起，雜訊就會影響到模擬信號。一般來說，模擬地和數字地要分開處理，然後通過細的走線連在一起，或者單點接在一起。總的思想是盡量阻隔數字地上的雜訊竄到模擬地上。

3. 星型接地

"星型"接地的理論基礎是電路中總有一個點是所有電壓的參考點，稱為"星型接地"點。我們可以通過一個形象的比喻更好地加以理解—多條導線從一個共同接地點呈輻射狀擴展，類似一顆星。星型點並不一定在外表上類似一顆星—它可能是接地層上的一個點—但星型接地系統上的一個關鍵特性是：所有電壓都是相對於接地網上的某個特定點測量的，而不是相對於一個不確定的"地"

4.屏蔽層如何接地

屏蔽電纜的屏蔽層、信號包地都要接到單板的介面地上而不是信號地上，這是因為信號地上有各種的雜訊，如果屏蔽層接到了信號地上，雜訊電壓會驅動共模電流沿屏蔽層向外干擾，所以設計不好的電纜線一般都是電磁干擾的最大雜訊輸出源。