電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不連續(xù)接地與連續(xù)接地有何影響

在PCB設(shè)計(jì)和大型電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，接地經(jīng)常在電路設(shè)計(jì)中被忽略。對于具有單個(gè)電源層的4層PCB，接地非常簡單，您將需要更多地考慮布局策略，以抑制噪聲耦合并降低EMI敏感性。在具有多個(gè)接地點(diǎn)的更復(fù)雜的系統(tǒng)中，您的接地策略可能不是那么簡單，從而在電力電子設(shè)備中產(chǎn)生一些令人討厭的噪聲問題。

電力電子系統(tǒng)可能有意使用不連續(xù)接地，但是在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多個(gè)接地點(diǎn)時(shí)要小心。由于接地回路簡單，接地信號不連續(xù)，可能會(huì)掩蓋許多系統(tǒng)中的低電平信號。檢查系統(tǒng)行為時(shí)，需要進(jìn)行一些重要的計(jì)算和模擬。特別是，您需要檢查接地點(diǎn)之間的泄漏和噪聲耦合，包括接地回路的電位。

不連續(xù)接地與連續(xù)接地

術(shù)語“不連續(xù)接地”可能意味著幾件不同的事情：

多個(gè)不直接相互連接的接地點(diǎn)的系統(tǒng)

一個(gè)由多個(gè)接地層組成的系統(tǒng)，每個(gè)接地層都連接到不同的電源返回點(diǎn)

沒有在板級或電源級別上連接的具有多種類型接地的系統(tǒng)

將此與典型的接地平面進(jìn)行對比：只要接地平面是均勻的，并且沒有物理上分成多個(gè)部分，則可以認(rèn)為PCB中的接地是連續(xù)的。這是在4層板上定義現(xiàn)代PCB接地的標(biāo)準(zhǔn)方法：通常會(huì)有兩個(gè)平面層（電源和接地）和2個(gè)信號層（頂部和底部）。這有助于防止在其他系統(tǒng)（例如多板系統(tǒng)和電力電子設(shè)備）中可能發(fā)生的接地問題。

多板系統(tǒng)

無論是在低頻率還是高頻率下運(yùn)行，多板系統(tǒng)的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是保持一致的接地并定義返回路徑。通過將電路連接到不同的接地點(diǎn)（例如，網(wǎng)絡(luò)1到電源接地，網(wǎng)絡(luò)2到地面或底盤）可能會(huì)產(chǎn)生不連續(xù)的接地，這可能會(huì)產(chǎn)生接地環(huán)路或允許其他傳導(dǎo)EMI源在兩個(gè)接地點(diǎn)之間移動(dòng)不同的板塊。這也可能導(dǎo)致您錯(cuò)誤地創(chuàng)建回路電感非常大的接地回路，從而容易受到外部輻射EMI的影響。

電力電子和低電平系統(tǒng)

有時(shí)會(huì)將高壓/大電流電力電子設(shè)備放置在銅極重的 2層PCB上，以防止溫度過高。要檢查不同接地點(diǎn)之間的耦合，您需要考慮如何將每個(gè)點(diǎn)與DC和AC電流隔離。對于直流電源電子設(shè)備，直流接地之間的隔離非常簡單。如果將物品安排在PCB上，則FR4上兩個(gè)接地點(diǎn)之間的DC薄層電阻約為108 Ohms / sq。換句話說，直流薄層電阻足夠大，以至于直接在接地點(diǎn)之間（即，跨越基板）之間的任何直流泄漏電流都太低而無法檢測到。

帶有不連續(xù)接地的板上的開關(guān)電源不是這種情況。在沒有接地層的情況下，接地點(diǎn)之間存在一些雜散電容。接地點(diǎn)之間還存在一些雜散電容，如果沒有接地層，則該雜散電容將開始主導(dǎo)接地點(diǎn)之間的阻抗。

您可以使用標(biāo)準(zhǔn)公式粗略計(jì)算兩點(diǎn)之間的電容，其中包括接地點(diǎn)的尺寸和基板的介電常數(shù)（通常為FR4）。該雜散電容會(huì)在兩點(diǎn)之間引起一些噪聲耦合，就像高速/高頻板上的電容串?dāng)_一樣。您可以使用一些基本的電路仿真來量化此噪聲水平以及接地點(diǎn)之間初始電位差的任何穩(wěn)定。

在功率譜的另一端，需要在低頻下收集低電平模擬信號的設(shè)備通常不在高層計(jì)數(shù)板上構(gòu)建。如果存在不連續(xù)的接地，除非使用某些濾波和/或鎖定放大技術(shù)，否則接地環(huán)路中循環(huán)的噪聲和電源噪聲通常會(huì)掩蓋所需的信號。在這些系統(tǒng)中，您還需要檢查噪聲如何在不同的接地點(diǎn)之間耦合以及大的接地環(huán)路是否會(huì)掩蓋所需的信號。

這是您可以使用基于SPICE的模擬器通過一些簡單的分析步驟來檢查電源系統(tǒng)中不連續(xù)接地的方法。

不連續(xù)接地的SPICE仿真

在原理圖中定義兩個(gè)接地點(diǎn)時(shí)，可以使用瞬態(tài)模擬和掃頻來模擬兩個(gè)接地點(diǎn)之間的電容性泄漏電流。您可以使用兩個(gè)接地之間的并聯(lián)RC電路對兩個(gè)接地點(diǎn)之間的耦合進(jìn)行建模（請參見下面的示意圖）。該電路中的電阻只是直流電阻（非常大的值），而交流電容器的電容很小。一起，這可以創(chuàng)建一個(gè)微秒級的RC時(shí)間常數(shù)。

上方綠色框中的電路顯示了一種簡單的方法，可以在預(yù)布局仿真中檢查兩個(gè)最接近的接地點(diǎn)之間的耦合。通過瞬態(tài)仿真，您可以檢查一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上的地平面波動(dòng)傳播到另一網(wǎng)絡(luò)所需的時(shí)間。這也使您可以檢查嘈雜的接地點(diǎn)如何將噪聲感應(yīng)回安靜的地面（即接地回路），以及兩個(gè)接地點(diǎn)之間的電位差如何隨時(shí)間變化。

如果是接地回路，您可以嘗試通過簡單地在其中一個(gè)接地網(wǎng)上放置正電壓源和一些噪聲來直接模擬電勢差。這將定性地模擬兩個(gè)接地點(diǎn)之間恒定電勢差（通常為mV量級）的影響。明智地放置探頭將為您提供所需的測量，以查看噪聲如何傳播回上游組件。在這種類型的仿真中，您可能可以直接看到連續(xù)接地層或星形接地對電路的好處。
編輯：hfy