關于電子設計和 PCB 布局中的接地

2021-06-23

關于電子設計和 PCB 布局中的接地

盡管國際標準試圖將概念和術語分開，但接地技術、接地、進行接地連接和底盤接地的概念在電子產品中都非常復雜。接地在電子設計、電氣工作的各個方面都很重要，當然，在 PCB 設計中也很重要。所有電路都需要一個參考連接，這就是我們所說的接地，但對于不同的系統，確切的參考以不同的方式定義。

如果您不確定接地在不同類型的電子設備中如何工作以及如何使用接地連接，那么沒有適用于每個系統的簡單答案。不同類型的電子產品將有不同的方式來定義它們的電勢參考，并且所有接地并不總是處于相同的電勢，這與您在電子入門課程中可能學到的相反。在本文中，我們將采用系統級方法來定義和集成數字接地、模擬接地、機箱接地以及最終的接地連接。繼續閱讀以了解接地最終如何連接到您的 PCB 并最終連接到您系統中的每個組件。

電路中的接地是什么？它有什么作用？

有幾種定義理由的方法，這取決于你問的是誰。物理學家以一種特定的方式（主要是理論上的）定義它，而電工和電氣工程師可能從字面上指的是你腳下的地面（大地）。在電子學中，我們有時將接地稱為可互換地執行各種功能。以下是電子產品中接地的一些主要功能：

接地提供了一個用于測量電壓的參考點。所有電壓都是根據兩點之間的電場（和勢能）定義的。這些點之一可以定義為“0 V”，碰巧我們稱這個 0 V 參考為“地”。這就是我們說 PCB 中的地平面是“參考平面”的原因之一。

接地可用于為電源返回電流提供路徑，從而完成電路。

從概念上講，地面充當一個大的電荷庫，它也定義了電流的方向。由于我們將接地作為我們的 0 V 參考，高于或低于該值（正或負）的電壓將驅動電流相對于接地位置的不同方向。

接地提供了電場終止的點。這實際上是第一點的變體。如果您曾經在電磁學課程中解決圖像方法問題，您應該記住，接地被定義為專門保持在 0 V 的等勢面。請注意，此定義也適用于保持在特定電壓下的任何導體（例如，PCB 中的電源層）。

完美接地導體上的電壓降為 0 V。換句話說，如果您測量接地參考中任意兩點之間的電壓，則應始終測量為 0 V。這是上面第 2 點的重述。

在 PCB 設計中，我們經常根據第 1 點和第 3 點談論接地，因為它定義了如何向組件供電，以及如何在設計中測量數字/模擬信號。EMI/EMC 人員有時會根據第 4 點談論接地，因為這基本上描述了屏蔽材料的功能。每個人都接受第 5 點為福音，盡管第 5 點在現實中并沒有發生。

既然我們已經涵蓋了這些要點，就需要了解一些關于電子產品中接地和各種類型接地的事情。

所有的理由都是不完美的

盡管所有接地區域都旨在具有上述特性，但導體的真實性質意味著它們在用作接地參考時的功能不同。此外，接地區域的幾何形狀決定了它如何與電場和磁場相互作用，進而影響電流進入接地區域和在接地區域內的移動方式。這就是為什么不同的信號將具有取決于其頻率內容的特定返回路徑的原因。此外，所有地都具有非零電阻，這導致了關于真實地的下一點。

并非所有地都在 0 V

懸空的導體或系統中參考不同電源的導體可能不具有相同的 0 V 電位。換句話說，您可以為兩個不同的設備提供兩個接地參考，它們都連接到同一個參考，但是如果您測量它們之間的電位，您將測量到非零電壓。

在電源系統中，通常在電路中使用電容器接地以利用接地之間的電位差來提供EMI 濾波。

當兩個設備將同一導體作為接地連接時，甚至會發生這種情況。如果您要測量長導體上的電位差（例如，使用萬用表），它可能不為零，這意味著一些電流正在沿著導體驅動。沿著大地或兩個接地連接之間的這種電位差稱為“接地偏移”。在較大的多板系統中，或在工業和網絡設備等領域，接地偏移是使用差分信號（例如，CAN 總線、以太網等）的驅動因素之一。由于差分協議使用兩根導線之間的電壓差，因此它們各自的接地參考無關緊要，并且仍然可以解釋信號。

電子產品中的接地類型

在電子領域，新設計師很容易被 PCB 設計中涉及的各種接地術語混淆：數字、模擬、系統、信號、底盤和接地。再加上代表地面的符號是混合的并且經常被濫用，我這樣做純粹是為了方便而感到內疚。無論如何，有一些標準接地符號用于電氣和電子工程，包括在您的電子原理圖中。

使用 IEC 60417 標準中定義的符號在示意圖中標出不同類型的接地連接。PCB設計中常用的常用符號如下所示：

IEC 60417 中定義的電子接地符號。

信號地符號可用于數字或模擬地，只需確保應用正確的網絡名稱（我有時使用 AGND 表示模擬地，而 DGND 表示數字地）。機箱接地有時會連接回大地，具體取決于系統的構造方式和接收電源的方式。最后，安全接地有時可以通過零線直接接地，或連接到機箱，或者可能通過低電感機箱連接接地。

接地

術語“接地”，或在電子產品中簡稱為“地球”，是指與地球的字面連接。換句話說，地球的電位被用作我們的 0 V 參考。如果您曾經看過一根帶有電線的電線桿，您有時會看到一根電線從電線桿的側面向下延伸到泥土中。這是接地連接不完善，因為沿電纜的土壤中的電阻可能很高。然而，使用大地可提供大量電荷，這是理想接地連接的特征。當負載消耗功率時，此連接不用于承載電流，它僅在耗散寄生電流（例如，噪聲或 ESD 事件）時承載電流。

底盤接地

在電子產品中需要注意的重要一點是，并非所有系統都有底盤接地。通常，該術語是指外殼中的金屬機箱，并與機箱進行連接。在 3 線 AC 系統（火線、中線和地線）或 3 線 DC 系統（DC+、DC 公共線和地線）中，機箱接地通常在電源進入的點連接到接地插入系統。系統的一部分也可以連接到底盤接地以吸收噪聲或出于安全原因（例如，ESD 保護），如下所示的示例。這種安排為 3 線連接上的交流或直流輸入提供了共模噪聲過濾。

此原理圖中的機箱接地直接連接到電路板，并帶有一個連接到外殼的低電感接地觸點。請注意，連接器上的引腳 3 是地線。

這種類型的接地連接提供兩個功能：

由于底盤現在設置為全局 0 V 參考電位，底盤現在充當法拉第籠并提供寬帶屏蔽。

它提供了一種安全功能，可將寄生電流（ESD、短路或噪聲）消散回大地。這就是我們有時將底盤接地稱為“安全接地”的原因之一。

在電池供電系統或具有簡單 2 線直流電源連接的系統中，PCB 接地層可以通過安裝孔連接回機箱。這里的想法是確保沒有浮動導體，因為未接地的導體可以充當輻射器。電路板上未接地的機箱或其他浮動導體可能是輻射 EMI 的來源，可通過接地來輕松消除。

模擬和數字接地

模擬接地和數字接地是與接地和機箱接地不同的兩個問題。通常在 PCB 上，您可以有一個如上所述的機箱接地連接和接地連接以確保安全。同時，您應該在 PCB 上有一個接地層，支持模擬和數字返回路徑；你不應該有物理分離的地網。這些物理分離的接地在堆疊中重疊時會產生強烈的輻射發射，特別是在平行板波導頻率下。相反，通過 PCB 中的單個接地參考執行所有操作

要了解有關模擬和數字接地點的更多信息，請閱讀有關星形接地的這篇文章，因為它解釋了不應使用物理分離的接地層的主要原因。

您應該將信號地接地嗎？

您很少會直接執行此操作。這可能適用于正在測試的高壓直流電池/PSU 或類似系統。通常，您可以將機箱接地連接到大地，然后連接到參考輸入側 PCB 接地層的電路。在非隔離的 3 線交流系統中，或在整流為直流的 3 線交流系統中，如果您將電路中的信號參考地連接到大地，您只是將交流上的負極線短路或直流線。不要這樣做，因為現在底盤可能是一個大的載流導體！現在存在電擊（在高壓/電流系統中）或強烈 EMI（在高頻系統中）的風險。完成此操作后，只要這是返回接地電抗最小的路徑，電流就會返回接地連接，

在 2 線制系統（無接地連接）中，關于如何或是否將信號接地連接回機箱有不同的指南。一些指導方針說多點接地是可以的，其他人說在 I/O 附近使用單點，還有一些人說為了安全起見使用靠近電源連接器的單點。如果 RF 噪聲是整個系統的一個問題，您可以在多個點連接到機箱以消散噪聲，但您的布局中可能存在更大的問題，因為您沒有正確構建疊層，而設備只是接收太多無線電能量。專注于正確構建疊層，您可能不需要在整個板上縫合安裝孔連接，您只需要在幾個點上即可。在這種情況下，您不應連接回地面。

PCB接地技術總結

由于 PCB 是容納電子設備的容器，因此正確接地非常重要。正如我們上面所討論的，您的接地策略與安全性、EMI/EMC 和系統設計相關，因此正確執行非常重要。雖然您的設計中存在多個接地似乎令人困惑，但最好的原理圖編輯器工具和 PCB 布局軟件將幫助您在創建物理布局時跟蹤整個設計中的接地網絡。