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电子设备中线路板的地线设计

2017-3-16 1:39:12

    地线设计在电路的抗干扰设计中占有重要的地位。一般来说地线设计的主要目的有两个:一是确定基准电位;二是消除各支路电流流经公共地线时所产生的噪声电压,避免受磁场和地电位差的影响。


  一、地线的种类:电子产品开发

  接地线可分为多种,每一种接地线都具有自己的特点和作用,地线设计时必须要区分开。 

  1、数字地 是数字电路零电位的参考点。由于数字电路一般工作在脉冲状态,特别是脉冲的前后沿较陡或频率较高时,易对模拟电路产生干扰。 

  2、模拟地 

  是模拟电路零电位的参考点。由于模拟电路既承担小信号的放大,又承担大信号的功率放大,因此模拟电路既容易被干扰,又容易产生干扰。

  3、功率地 是大电流回路零电位的参考点。由于该部分电路的电流较强、电压较高,所以功率地线上的干扰较大。 

  4、直流电源地 

  是指直流电源零电位的参考点。由于直流电源往往同时供电给系统中的各个单元,而各个单元要求的供电性质和参数可能有很大差别,因此既要保证电源稳定可靠地工作,又要保证其它单元稳定可靠地工作。

  5、开关电源地 是指开关电源电路的参考点。它与大地没有实现隔离,与大地间有电势差。

  6、屏蔽地 是防止静电感应和磁感应,大多数情况和机壳一起与大地相连。

  7、安全接地 

  安全接地即将机壳接大地。一是防止机壳上积累电荷,产生静电放电而危及设备和人身安全;二是当设备的绝缘损坏而使机壳带电时,促使电源保护动作而切断电源,以确保人员安全。


  二、地线设计

  在地线设计中应注意以下几点:

  1、注意开关电源地和其它地之间的关系:开关电源的地是市电经整流得到的脉动直流的地,它与大地间没有实现隔离,始终要有一个交变的电压,所以对于常见的无工频变压器的桥式整流型开关电源来讲,它的地总是带电的。由于目前开关电源的取样调整电路采用了单独的隔离取样绕组或光耦,使开关电源的地与电路中其它类型的地实现了隔离,从而使其它类型的地与市电电网实现了隔离,所以其它类型的地也可统称为冷地。


  2、将数字电路的地与模拟电路的地分开。当电路板上既有数字电路,又有模拟电路时,特别是对于存在大量数字电路的高速电路中,必须要将其严格分开,通常采取的方法是将数字电路与模拟电路的地分离开。一般在电路中数字地和模拟地只允许提供一个共地点,不能有多点共地。数字地要求其在印刷电路板上的布线不能成环状而成网状,以降低感应噪声。当不可避免的出现长距离平行段时,线间要加屏蔽隔离。要让模拟地成散射状,取其一点让数字地直接与这一点相连。模拟地线应尽量加粗,而且尽量加大引出端的接地面积。另外高电平模拟信号应与低电平模拟信号隔离,二者都应与数字信号分开。时钟(是数字信号)与其它模拟信号一样易受噪声的影响,同时它又同数字信号一样易产生噪声,所以它必须与模拟和数字系统都实现隔离。


  3、正确选择单点接地与多点接地。信号频率低于1MHz时,由于布线和元件之间的电磁感应影响很小,而接地电路形成的环流对干扰的影响较大,采用单点接地方式可使其不形成回路,所以低频电路采用单点接地为好。多个电路的单点接地方式又以采用并联的单点接地式为宜。信号频率高于10MHz时,要考虑分布参数的影响,由于这时布线的电感效应明显,地线阻抗变得很大,此时接地电路形成的环流就不再是主要的问题了,所以应采用多点接地方式就近接地,尽量降低地线阻抗。


  4、功率地的设计。大功率器件的地线要单独接地,这是因为功率地上有大电流通过,极易在印制板导线上形成压降,若不分开布线,该压降就会引入到信号处理电路形成干扰,并且大功率器件尽可能要放在电路板边缘,以减小对小信号处理电路的干扰。另外有些电路(如继电器、变压器等)产生的电磁噪声电平很高,对小信号的干扰也非常严重,要单独接地。 


  5、尽量加粗接地线。地线加粗除减小地线上的压降外,重要的是降低耦合噪声。若接地线很细,接地电位则随电流的变化而变化,致使电子设备的信号电平不稳,抗噪声性能变坏。


  6、高速系统中接地层设计。接地层不仅为高频电流提供了一个低阻的返回回路,而且减小了外界电磁干扰对电路的影响。比如双面板,理想情况下应有一面作为接地层,另外一面作为连接层,但是实际上这是不可能的,因为通常接地层上不得不有信号线、电源线等通过。即使这样,也要尽可能多的保留接地层面积(至少要保留75%的面积)。在高速电路中所有集成电路的接地引脚必须直接焊接在接地层上,以减小感应系数。其电源引脚要利用低感应系数的贴面陶瓷电容进行去耦,以减弱对接地层的影响。接地层必须没有孤立的地,因为元器件的接地引脚若与孤立的地相连,则将没有与接地层的电流回路。 


  7、屏蔽电缆的接地设计。低频模拟电路用的屏蔽电缆的屏蔽层,其接地时应采用一点接地的方式为好,而且屏蔽层接地点应当与电路的接地点一致。高频和数字电路电缆的屏蔽层接地应采用多点接地的方式,当电缆长度大于工作信号波长的0.15倍时,采用工作信号波长的0.15倍的间隔多点接地式,如果不能实现,则至少应将屏蔽层两端接地。若使用多层屏蔽电缆,则每个屏蔽层应在一点接地,各屏蔽层应相互绝缘。对噪声和干扰非常敏感的电路或高频噪声特别严重的电路应该用金属罩屏蔽起来。使用管状电容时,外壳要接地。


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