PCB布線的地線干擾與抑制

1．地線的定義
什么是地線？大家在教科書上學(xué)的地線定義是：地線是作為電路電位基準(zhǔn)點(diǎn)的等電位體。這個(gè)定義是不符合實(shí)際情況的。實(shí)際地線上的電位并不是恒定的。如果用儀表測(cè)量一下地線上各點(diǎn)之間的電位，會(huì)發(fā)現(xiàn)地線上各點(diǎn)的電位可能相差很大。正是這些電位差才造成了電路工作的異常。電路是一個(gè)等電位體的定義僅是人們對(duì)地線電位的期望。HENRY 給地線了一個(gè)更加符合實(shí)際的定義，他將地線定義為：信號(hào)流回源的低阻抗路徑。這個(gè)定義中突出了地線中電流的流動(dòng)。按照這個(gè)定義，很容易理解地線中電位差的產(chǎn)生原因。因?yàn)榈鼐€的阻抗總不會(huì)是零，當(dāng)一個(gè)電流通過(guò)有限阻抗時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓降。因此，我們應(yīng)該將地線上的電位想象成象大海中的波浪一樣，此起彼伏。

2．地線的阻抗

談到地線的阻抗引起的地線上各點(diǎn)之間的電位差能夠造成電路的誤動(dòng)作，許多人覺(jué)得不可思議：我們用歐姆表測(cè)量地線的電阻時(shí)，地線的電阻往往在毫歐姆級(jí)，電流流過(guò)這么小的電阻時(shí)怎么會(huì)產(chǎn)生這么大的電壓降，導(dǎo)致電路工作的異常。要搞清這個(gè)問(wèn)題，首先要區(qū)分開(kāi)導(dǎo)線的電阻與阻抗兩個(gè)不同的概念。電阻指的是在直流狀態(tài)下導(dǎo)線對(duì)電流呈現(xiàn)的阻抗，而阻抗指的是交流狀態(tài)下導(dǎo)線對(duì)電流的阻抗，這個(gè)阻抗主要是由導(dǎo)線的電感引起的。任何導(dǎo)線都有電感，當(dāng)頻率較高時(shí)，導(dǎo)線的阻抗遠(yuǎn)大于直流電阻，表1 給出的數(shù)據(jù)說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題。在實(shí)際電路中，造成電磁干擾的信號(hào)往往是脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)包含豐富的高頻成分，因此會(huì)在地線上產(chǎn)生較大的電壓。對(duì)于數(shù)字電路而言，電路的工作頻率是很高的，因此地線阻抗對(duì)數(shù)字電路的影響是十分可觀的。
表1 導(dǎo)線的阻抗（Ω）：
頻率
Hz D = 0.65
10cm 1m D = 0.27
10cm 1m D = 0.065
10cm 1m D = 0.04
10cm 1m 10 51.4m 517m 327m 3.28m 5.29m 52.9m 13.3m 133m 1k 429m 7.14m 632m 8.91m 5.34m 53.9m 14m 144m 100k 42.6m 712m 54m 828m 71.6m 1.0 90.3m 1.07 1M 426m 7.12 540m 8.28 714m 10 783m 10.6 5M 2.13 35.5 2.7 41.3 3.57 50 3.86 53 10M 4.26 71.2 5.4 82.8 7.14 100 7.7 106 50M 21.3 356 27 414 35.7 500 38.5 530 100M 42.6 54 71.4 77 150M 63.9 81 107 115
如果將10Hz時(shí)的阻抗近似認(rèn)為是直流電阻，可以看出當(dāng)頻率達(dá)到10MHz 時(shí)，對(duì)于1米長(zhǎng)導(dǎo)線，它的阻抗是直流電阻的1000 倍至10萬(wàn)倍。因此對(duì)于射頻電流，當(dāng)電流流過(guò)地線時(shí)，電壓降是很大的。從表上還可以看出，增加導(dǎo)線的直徑對(duì)于減小直流電阻是十分有效的，但對(duì)于減小交流阻抗的作用很有限。但在電磁兼容中，人們最關(guān)心的交流阻抗。為了減小交流阻抗，一個(gè)有效的辦法是多根導(dǎo)線并聯(lián)。當(dāng)兩根導(dǎo)線并聯(lián)時(shí)，其總電感L為：
L = ( L1 + M ) / 2
式中，L1 是單根導(dǎo)線的電感，M是兩根導(dǎo)線之間的互感。從式中可以看出，當(dāng)兩根導(dǎo)線相距較遠(yuǎn)時(shí)，它們之間的互感很小，總電感相當(dāng)于單根導(dǎo)線電感的一半。因此我們可以通過(guò)多條接地線來(lái)減小接地阻抗。但要注意的是，多根導(dǎo)線之間的距離不能過(guò)近。


3．地線干擾機(jī)理

3.1地環(huán)路干擾

圖1是兩個(gè)接地的電路。由于地線阻抗的存在，當(dāng)電流流過(guò)地線時(shí)，就會(huì)在地線上產(chǎn)生電壓。當(dāng)電流較大時(shí)，這個(gè)電壓可以很大。例如附近有大功率用電器啟動(dòng)時(shí)，會(huì)在地線在中流過(guò)很強(qiáng)的電流。這個(gè)電流會(huì)在兩個(gè)設(shè)備的連接電纜上產(chǎn)生電流。由于電路的不平衡性，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此會(huì)產(chǎn)生差模電壓，對(duì)電路造成影響。由于這種干擾是由電纜與地線構(gòu)成的環(huán)路電流產(chǎn)生的，因此成為地環(huán)路干擾。地環(huán)路中的電流還可以由外界電磁場(chǎng)感應(yīng)出來(lái)。

3.2公共阻抗干擾

當(dāng)兩個(gè)電路共用一段地線時(shí)，由于地線的阻抗，一個(gè)電路的地電位會(huì)受另一個(gè)電路工作電流的調(diào)制。這樣一個(gè)電路中的信號(hào)會(huì)耦合進(jìn)另一個(gè)電路，這種耦合稱為公共阻抗耦合。
在數(shù)字電路中，由于信號(hào)的頻率較高，地線往往呈現(xiàn)較大的阻抗。這時(shí)，如果存在不同的電路共用一段地線，就可能出現(xiàn)公共阻抗耦合的問(wèn)題。圖3 的例子說(shuō)明了一種干擾現(xiàn)象。圖3 是一個(gè)有四個(gè)門電路組成的簡(jiǎn)單電路。假設(shè)門1的輸出電平由高變?yōu)榈?，這時(shí)電路中的寄生電容（有時(shí)門2 的輸入端有濾波電容）會(huì)通過(guò)門1向地線放電，由于地線的阻抗，放電電流會(huì)在地線上產(chǎn)生尖峰電壓，如果這時(shí)門3 的輸出是低電平，則這個(gè)尖峰電壓就會(huì)傳到門3的輸出端，門4的輸入端，如果這個(gè)尖峰電壓的幅度超過(guò)門4 的噪聲門限，就會(huì)造成門4的誤動(dòng)作。

4．地線干擾對(duì)策

4.1地環(huán)路對(duì)策從地環(huán)路干擾的機(jī)理可知，只要減小地環(huán)路中的電流就能減小地環(huán)路干擾。如果能徹底消除地環(huán)路中的電流，則可以徹底解決地環(huán)路干擾的問(wèn)題。因此我們提出以下幾種解決地環(huán)路干擾的方案。
A. 將一端的設(shè)備浮地如果將一端電路浮地，就切斷了地環(huán)路，因此可以消除地環(huán)路電流。但有兩個(gè)問(wèn)題需要注意，一個(gè)是出于安全的考慮，往往不允許電路浮地。這時(shí)可以考慮將設(shè)備通過(guò)一個(gè)電感接地。這樣對(duì)于50Hz的交流電流設(shè)備接地阻抗很小，而對(duì)于頻率較高的干擾信號(hào)，設(shè)備接地阻抗較大，減小了地環(huán)路電流。但這樣做只能減小高頻干擾的地環(huán)路干擾。另一個(gè)問(wèn)題是，盡管設(shè)備浮地，但設(shè)備與地之間還是有寄生電容，這個(gè)電容在頻率較高時(shí)會(huì)提供較低的阻抗，因此并不能有效地減小高頻地環(huán)路電流。
B. 使用變壓器實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的連接利用磁路將兩個(gè)設(shè)備連接起來(lái)，可以切斷地環(huán)路電流。但要注意，變壓器初次級(jí)之間的寄生電容仍然能夠?yàn)轭l率較高的地環(huán)路電流提供通路，因此變壓器隔離的方法對(duì)高頻地環(huán)路電流的抑制效果較差。提高變壓器高頻隔離效果的一個(gè)辦法是在變壓器的初次級(jí)之間設(shè)置屏蔽層。但一定要注意隔離變壓器屏蔽層的接地端必須在接受電路一端。否則，不僅不能改善高頻隔離效果，還可能使高頻耦合更加嚴(yán)重。因此，變壓器要安裝在信號(hào)接收設(shè)備的一側(cè)。經(jīng)過(guò)良好屏蔽的變壓器可以在1MHz以下的頻率提供有效的隔離。
C. 使用光隔離器另一個(gè)切斷地環(huán)路的方法是用光實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。這可以說(shuō)是解決地環(huán)路干擾問(wèn)題的最理想方法。用光連接有兩種方法，一種是光耦器件，另一種是用光纖連接。光耦的寄生電容一般為2pf，能夠在很高的頻率提供良好的隔離。光纖幾乎沒(méi)有寄生電容，但安裝、維護(hù)、成本等方面都不如光耦器件。
D. 使用共模扼流圈在連接電纜上使用共模扼流圈相當(dāng)于增加了地環(huán)路的阻抗，這樣在一定的地線電壓作用下，地環(huán)路電流會(huì)減小。但要注意控制共模扼流圈的寄生電容，否則對(duì)高頻干擾的隔離效果很差。共模扼流圈的匝數(shù)越多，則寄生電容越大，高頻隔離的效果越差。


4.2消除公共阻抗耦合

消除公共阻抗耦合的途徑有兩個(gè)，一個(gè)是減小公共地線部分的阻抗，這樣公共地線上的電壓也隨之減小，從而控制公共阻抗耦合。另一個(gè)方法是通過(guò)適當(dāng)?shù)慕拥胤绞奖苊馊菀紫嗷ジ蓴_的電路共用地線，一般要避免強(qiáng)電電路和弱電電路共用地線，數(shù)字電路和模擬電路共用地線。如前所述，減小地線阻抗的核心問(wèn)題是減小地線的電感。這包括使用扁平導(dǎo)體做地線，用多條相距較遠(yuǎn)的并聯(lián)導(dǎo)體作接地線。對(duì)于印刷線路板，在雙層板上布地線網(wǎng)格能夠有效地減小地線阻抗，在多層板中專門用一層做地線雖然具有很小的阻抗，但這會(huì)增加線路板的成本。通過(guò)適當(dāng)接地方式避免公共阻抗的接地方法是并聯(lián)單點(diǎn)接地，如圖4 所示。并聯(lián)接地的缺點(diǎn)是接地的導(dǎo)線過(guò)多。因此在實(shí)際中，沒(méi)有必要所有電路都并聯(lián)單點(diǎn)接地，對(duì)于相互干擾較少的電路，可以采用串聯(lián)單點(diǎn)接地。例如，可以將電路按照強(qiáng)信號(hào)，弱信號(hào)，模擬信號(hào)，數(shù)字信號(hào)等分類，然后在同類電路內(nèi)部用串聯(lián)單點(diǎn)接地，不同類型的電路采用并聯(lián)單點(diǎn)接地。

5．小結(jié)

地線造成電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗，當(dāng)電流流過(guò)地線時(shí)，會(huì)在地線上產(chǎn)生電壓，這就是地線噪聲。在這個(gè)電壓的驅(qū)動(dòng)下，會(huì)產(chǎn)生地線環(huán)路電流，形成地環(huán)路干擾。當(dāng)兩個(gè)電路共用一段地線時(shí)，會(huì)形成公共阻抗耦合。解決地環(huán)路干擾的方法有切斷地環(huán)路，增加地環(huán)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，或采用并聯(lián)單點(diǎn)接地，徹底消除公共阻抗