金屬外殼與電路板接地問題

電子產(chǎn)品接地問題是一個老生常談的話題，本文單講其中一小部分，主要內(nèi)容是金屬外殼與電路板的接地問題。

我們經(jīng)常會看到一些系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將PCB板的地(GND)與金屬外殼(EGND)之間通常使用一個高壓電容C1（1~100nF/2KV）并聯(lián)一個大電阻R1（1M）連接。那么為什么這么設(shè)計(jì)呢？

原理圖示意

PCB設(shè)計(jì)

一、電容的作用

從EMS（電磁抗擾度）角度說，這個電容是在假設(shè)PE良好連接大地的前提下，降低可能存在的，以大地電平為參考的高頻干擾型號對電路的影響，是為了抑制電路和干擾源之間瞬態(tài)共模壓差的。其實(shí)GND直連PE是最好的，但是，直連可能不可操作或者不安全，例如，220V交流電過整流橋之后產(chǎn)生的GND是不可以連接PE的，所以就弄個低頻過不去，高頻能過去的路徑。從EMI（電磁干擾）角度說，如果有與PE相連的金屬外殼，有這個高頻路徑，也能夠避免高頻信號輻射出來。

電容是通交流阻直流的。假設(shè)機(jī)殼良好連接大地，從電磁抗擾度角度，該電容能夠抑制高頻干擾源和電路之間的動態(tài)共模電壓；從EMI角度，電容形成了高頻路徑，電路板內(nèi)部產(chǎn)生的高頻干擾會經(jīng)電容流入機(jī)殼進(jìn)入大地，避免了高頻干擾形成的天線輻射。另一種情況，假設(shè)機(jī)殼沒有可靠接大地（如沒有地線，接地棒環(huán)境干燥），則外殼電勢可能不穩(wěn)定或有靜電，如果電路板直接接外殼，就會打壞電路板芯片，加入電容，能把低頻高壓、靜電等隔離起來，保護(hù)電路板。這個并聯(lián)電容應(yīng)該用Y電容或高壓薄膜電容，容值在1nF~100nF之間。

二、電阻的作用

這個電阻可以防止ESD（靜電釋放）對電路板的損壞。假如只用電容連接電路板地和機(jī)殼地，則電路板是一個浮地系統(tǒng)。做ESD測試時，或在復(fù)雜電場環(huán)境中使用，打（進(jìn)）入電路板的電荷無處釋放，會逐漸累積；累積到一定程度，超過了電路板和機(jī)殼之間的絕緣最薄弱處所能耐受的電壓，就會發(fā)生放電——在幾納秒內(nèi)，PCB上產(chǎn)生數(shù)十到數(shù)百A的電流，會讓電路因電磁脈沖宕機(jī)，或者損壞放電處附近連接的元器件。并聯(lián)該電阻，就可以慢慢釋放掉這個電荷，消除高壓。根據(jù)IEC61000的ESD測試標(biāo)準(zhǔn)10s/次（10s放完2kV高壓電荷），一般選擇1M~2M的電阻。如果機(jī)殼有高壓靜電，則該大電阻也能有效降低電流，不會損壞電路芯片。

三、需要注意的問題點(diǎn)

1、如果設(shè)備外殼良好接大地，那PCB應(yīng)該也與外殼良好的單點(diǎn)接地，這個時候工頻干擾會通過外殼接地消除，對PCB也不會產(chǎn)生干擾

2、如果設(shè)備使用的場合可能存在安全問題時，那必須將設(shè)備外殼良好接地

3、為了取得更好效果，建議是設(shè)備外殼盡量良好接地，PCB與外殼單點(diǎn)良好接地；當(dāng)然如果外殼沒有良好接地，那還不如把PCB浮地，即不與外殼連接，因?yàn)镻CB與大地如果是隔離的（所謂浮地），工頻干擾回路阻抗極大，反而不會對PCB產(chǎn)生什么干擾

4、多個設(shè)備之間需要互相連接的時候，盡量是每個設(shè)備外殼都與大地在單點(diǎn)良好接地，每個設(shè)備內(nèi)部PCB與各自外殼單點(diǎn)接地

5、機(jī)殼地可能并不是可靠的接地，如配電網(wǎng)中不符合安規(guī)，沒有地線；接地棒周圍土壤太干燥，接地螺栓生銹或松動

6、環(huán)境存在電磁干擾的，工作環(huán)境中有大功率變壓器、大功率電機(jī)、電磁電爐、高壓電網(wǎng)諧波等

8、PCB內(nèi)部是會產(chǎn)生高頻噪聲的，如高頻開關(guān)管、二極管、儲能電感、高頻變壓器等

這些干擾因素都會導(dǎo)致PCB的信號地和機(jī)殼的電勢波動（同時含有高頻低頻成分），或者二者之間存在靜電，所以對它們良好可靠的接地處理是必要的，也是產(chǎn)品安規(guī)要求的。