關(guān)于PCB設(shè)計(jì)中環(huán)路干擾和公共阻抗耦合的解決方法
來(lái)源：龍人計(jì)算機(jī)研究所 作者：站長(zhǎng) 時(shí)間：2009-09-26 11:01:29
地線(xiàn)就是信號(hào)流回源的低阻抗路徑。地線(xiàn)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，這就是地線(xiàn)中電位差的產(chǎn)生原因。地線(xiàn)造成電磁干擾的主要原因是地線(xiàn)存在阻抗，當(dāng)電流流過(guò)地線(xiàn)時(shí)，會(huì)在地線(xiàn)上產(chǎn)生電壓，這就是地線(xiàn)噪聲。在這個(gè)電壓的驅(qū)動(dòng)下，會(huì)產(chǎn)生地線(xiàn)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(xiàn)時(shí)，會(huì)形成公共阻抗耦合。本文就如何解決這兩個(gè)問(wèn)題提出一些建議，以供大家參考。
1．地線(xiàn)的阻抗
談到地線(xiàn)的阻抗引起的地線(xiàn)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(xiàn)的電阻時(shí)，地線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)對(duì)電流的阻抗，這個(gè)阻抗主要是由導(dǎo)線(xiàn)的電感引起的。任何導(dǎo)線(xiàn)都有電感，當(dāng)頻率較高時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)的阻抗遠(yuǎn)大于直流電阻。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(xiàn)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(xiàn)阻抗對(duì)數(shù)字電路的影響是十分可觀的。
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(xiàn)，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(xiàn)時(shí)，電壓降是很大的。從表上還可以看出，增加導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)并聯(lián)。當(dāng)兩根導(dǎo)線(xiàn)并聯(lián)時(shí)，其總電感L為：
L = ( L1 + M ) / 2
式中，L1 是單根導(dǎo)線(xiàn)的電感，M是兩根導(dǎo)線(xiàn)之間的互感。從式中可以看出，當(dāng)兩根導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)電感的一半。因此我們可以通過(guò)多條接地線(xiàn)來(lái)減小接地阻抗。但要注意的是，多根導(dǎo)線(xiàn)之間的距離不能過(guò)近。
2．地線(xiàn)干擾機(jī)理
2.1地環(huán)路干擾
由于地線(xiàn)阻抗的存在，當(dāng)電流流過(guò)地線(xiàn)時(shí)，就會(huì)在地線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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)。
2.2公共阻抗干擾
當(dāng)兩個(gè)電路共用一段地線(xiàn)時(shí)，由于地線(xiàn)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(chēng)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(xiàn)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(xiàn)，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(mén)電路組成的簡(jiǎn)單電路。假設(shè)門(mén)1的輸出電平由高變?yōu)榈停@時(shí)電路中的寄生電容（有時(shí)門(mén)2 的輸入端有濾波電容）會(huì)通過(guò)門(mén)1向地線(xiàn)放電，由于地線(xiàn)的阻抗，放電電流會(huì)在地線(xiàn)上產(chǎn)生尖峰電壓，如果這時(shí)門(mén)3 的輸出是低電平，則這個(gè)尖峰電壓就會(huì)傳到門(mén)3的輸出端，門(mén)4的輸入端，如果這個(gè)尖峰電壓的幅度超過(guò)門(mén)4 的噪聲門(mén)限，就會(huì)造成門(mén)4的誤動(dòng)作。
3．地線(xiàn)干擾對(duì)策
3.1地環(huán)路干擾的解決方案
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(xiàn)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。
3.2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(xiàn)部分的阻抗，這樣公共地線(xiàn)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(xiàn)，一般要避免強(qiáng)電電路和弱電電路共用地線(xiàn)，數(shù)字電路和模擬電路共用地線(xiàn)。如前所述，減小地線(xiàn)阻抗的核心問(wèn)題是減小地線(xiàn)的電感。這包括使用扁平導(dǎo)體做地線(xiàn)，用多條相距較遠(yuǎn)的并聯(lián)導(dǎo)體作接地線(xiàn)。對(duì)于印刷線(xiàn)路板，在雙層板上布地線(xiàn)網(wǎng)格能夠有效地減小地線(xiàn)阻抗，在多層板中專(zhuān)門(mén)用一層做地線(xiàn)雖然具有很小的阻抗，但這會(huì)增加線(xiàn)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，。并聯(lián)接地的缺點(diǎn)是接地的導(dǎo)線(xiàn)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(lèi)，然后在同類(lèi)電路內(nèi)部用串聯(lián)單點(diǎn)接地，不同類(lèi)型的電路采用并聯(lián)單點(diǎn)接地。
1．地線(xiàn)的阻抗
談到地線(xiàn)的阻抗引起的地線(xiàn)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(xiàn)的電阻時(shí)，地線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)對(duì)電流的阻抗，這個(gè)阻抗主要是由導(dǎo)線(xiàn)的電感引起的。任何導(dǎo)線(xiàn)都有電感，當(dāng)頻率較高時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)的阻抗遠(yuǎn)大于直流電阻。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(xiàn)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(xiàn)阻抗對(duì)數(shù)字電路的影響是十分可觀的。
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(xiàn)，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(xiàn)時(shí)，電壓降是很大的。從表上還可以看出，增加導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)并聯(lián)。當(dāng)兩根導(dǎo)線(xiàn)并聯(lián)時(shí)，其總電感L為：
L = ( L1 + M ) / 2
式中，L1 是單根導(dǎo)線(xiàn)的電感，M是兩根導(dǎo)線(xiàn)之間的互感。從式中可以看出，當(dāng)兩根導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)電感的一半。因此我們可以通過(guò)多條接地線(xiàn)來(lái)減小接地阻抗。但要注意的是，多根導(dǎo)線(xiàn)之間的距離不能過(guò)近。
2．地線(xiàn)干擾機(jī)理
2.1地環(huán)路干擾
由于地線(xiàn)阻抗的存在，當(dāng)電流流過(guò)地線(xiàn)時(shí)，就會(huì)在地線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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)。
2.2公共阻抗干擾
當(dāng)兩個(gè)電路共用一段地線(xiàn)時(shí)，由于地線(xiàn)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(chēng)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(xiàn)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(xiàn)，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(mén)電路組成的簡(jiǎn)單電路。假設(shè)門(mén)1的輸出電平由高變?yōu)榈停@時(shí)電路中的寄生電容（有時(shí)門(mén)2 的輸入端有濾波電容）會(huì)通過(guò)門(mén)1向地線(xiàn)放電，由于地線(xiàn)的阻抗，放電電流會(huì)在地線(xiàn)上產(chǎn)生尖峰電壓，如果這時(shí)門(mén)3 的輸出是低電平，則這個(gè)尖峰電壓就會(huì)傳到門(mén)3的輸出端，門(mén)4的輸入端，如果這個(gè)尖峰電壓的幅度超過(guò)門(mén)4 的噪聲門(mén)限，就會(huì)造成門(mén)4的誤動(dòng)作。
3．地線(xiàn)干擾對(duì)策
3.1地環(huán)路干擾的解決方案
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(xiàn)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。
3.2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(xiàn)部分的阻抗，這樣公共地線(xiàn)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(xiàn)，一般要避免強(qiáng)電電路和弱電電路共用地線(xiàn)，數(shù)字電路和模擬電路共用地線(xiàn)。如前所述，減小地線(xiàn)阻抗的核心問(wèn)題是減小地線(xiàn)的電感。這包括使用扁平導(dǎo)體做地線(xiàn)，用多條相距較遠(yuǎn)的并聯(lián)導(dǎo)體作接地線(xiàn)。對(duì)于印刷線(xiàn)路板，在雙層板上布地線(xiàn)網(wǎng)格能夠有效地減小地線(xiàn)阻抗，在多層板中專(zhuān)門(mén)用一層做地線(xiàn)雖然具有很小的阻抗，但這會(huì)增加線(xiàn)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，。并聯(lián)接地的缺點(diǎn)是接地的導(dǎo)線(xiàn)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(lèi)，然后在同類(lèi)電路內(nèi)部用串聯(lián)單點(diǎn)接地，不同類(lèi)型的電路采用并聯(lián)單點(diǎn)接地。
