接地技術介紹 （二）
一、接地的拓撲結構
接地基本形式有：浮地、單點接地、多點接地、混合接地。
1.1、浮地
采用浮地的目的是將設備或電路與公共地，或者可能引起環流的公共導體隔離開來。浮地還可以使不同電位的電路配合（通過光耦、變壓器）變得容易。
浮地的優缺點：
浮地的優點是電路與外部的地系統有良好的電氣隔離，不容易受到外部地系統上干擾的影響。
浮地的缺點是設備不與公共地直接連接，容易產生靜電積累，當電荷積累到一定程度，設備與公共地之間的電位差會引起強烈的靜電放電，成為破壞性很強的干擾源。作為折衷可在采用浮地的設備與公共地之間接一個阻值很大的電阻，以便泄放掉所積累的電荷。
1.2、單點接地
單點接地是在一個電路和設備中，只有一個物理點被定義為參考接地點，其他凡是需要接地的點都被連接到這一點上。單點接地分串聯單點接地、并聯單點接地。從噪聲觀點看，串聯單點接地是最差的接地方式，因任何導線都有電阻，流經導線的電流都會在導線上產生壓降，造成相互間干擾。
單點接地的優缺點：
單點串聯接地簡單，但存在共阻抗耦合。單點并聯接地不存在共阻抗耦合，但接地線過多，單點接地需考慮高頻下接地導線的特性（傳輸線效應）。
1.3、多點接地
多點接地是指設備（或系統）中凡是需要接地的點都是直接接到離它最近的接地平面上（就近接地），以便使接地線的長度為最短，這里所說的接地平面可以是設備的底板、專用接地母線、甚至是設備的框架。
多點接地的優缺點：
多點接地的優點是它在高頻（≥10MHz)場合下應用有上佳表現。多點接地的缺點是接地形式看似簡單，但對系統中的眾多接地線的維護提出了更高的要求。因為任何接地點上的腐蝕、松動都會使接地系統出現高阻抗使接地效果變差，多點接地還易產生地環路干擾。
1.4、混合接地
單點接地的優點和多點接地的缺點，促使人們想到混合接地：即個別要求高頻接地的點選擇多點接地（就近接地），其余各點都采用單點接地。所謂混合接地：要求設計人員對系統各部分工作情況做分析，只將需要就近接地的點直接（或需要高頻接地的點通過旁路電容）與接地平面相連，而其余各點都采用單點接地的辦法。
減小接地阻抗的方法主要有：增加地線走線寬度（W），減小地線走線長度（L）,采用網格接地方式，采用完整地平面方式。
二、地干擾問題分析
2.1、地環路干擾問題
地環路干擾是一種常見的干擾現象，常常發生在通過較長線纜連接的相距較遠的設備之間，其產生的內在原因是地環路電流的存在。由于地環路干擾是由地環路電流導致的，因此在實踐中有時會發現，當將一個設備的安全地線斷開時，干擾現象會消失，這是因為斷開了地線，就切斷了地環路。這種現象通常發生頻率較低的場合，當干擾頻率較高時，通常會出現共地阻抗干擾。
地環路干擾與接地點的位置及接地點的個數有直接的關系，是導致低頻 EMI 輻射干擾的重要因素之一。為了抑制地環路干擾，在接地設計時，必須進行恰當的接地點的選擇，包括選擇接地點的位置和個數。
2.1.1、地環路干擾形成原因分析
地環路干擾形成的原因 1：兩個設備的地電位不同形成地電壓，在這個地電壓的驅動下，設備1—互聯電纜—設備 2—地形成的環路之間有電流流動。由于電路的不平衡性，每根導線上的電流不同，因此會產生差模電壓，對電路造成干擾。地線上的電壓是由于其它功率較大的設備也用這段地線，在地線中引起較強電流，地線又有較大阻抗產生的。
地環路干擾形成的原因2：由于互聯設備處在較強的電磁場中，電磁場在設備1—互聯電纜—設備2—地形成的環路中感應出環路電流，與原因1的過程一樣導致干擾。
2.1.2、地環路干擾的解決思路
解決地環路干擾的基本思路有兩個：一個是減小地線的阻抗，從而減小干擾電壓。另一個是增加地環路的阻抗，從而減小地環路電流。當阻抗無限大時，實際是將地環路切斷，即消除了地環路。具體方法有：變壓器隔離、光耦隔離、共模扼流圈、平衡電路。
變壓器隔離：
光耦隔離：
共模電感：
平衡電路：
2.2、公共地阻抗干擾
公共阻抗干擾當兩個電路共用一段地線時，由于地線的阻抗，一個電路的地電位會受另一個電路工作電流的調制。這樣一個電路中的信號會耦合進另一個電路，這種耦合稱為公共阻抗耦合。
公共地阻抗干擾的解決思路
消除公共阻抗耦合的途徑有兩個，一個是減小公共地線部分的阻抗，這樣公共地線上的電壓也隨之減小，從而控制公共阻抗耦合。另一個方法是通過適當的接地方式避免容易相互干擾的電路共用地線，一般要避免強電電路和弱電電路共用地線，數字電路和模擬電路共用地線。
2.3、地彈問題
2.3.1、什么是地彈
地彈就是地噪聲。低頻時地噪聲主要是因為構成地線的導體有〝電阻〞，電路系統的電流都要流經地線而產生的電位差波動。高頻時地噪聲主要是因為構成地線的導體有〝電感〞，電路系統的快速變化電流經過這個 〝電感時〞，〝電感〞兩端激發出更強的電壓波動，形象的稱為〝地彈〞。
2.3.2、地彈的危害
ü地彈會使其它信號耦合噪聲，造成有用信號被干擾。
ü地彈會導致嚴重的輻射問題。
ü地彈會造成參考地電位的急劇變化，信號會因參考電位不穩定導致傳輸錯誤。
ü低供電芯片會因地彈無法正常工作。
2.3.3、如何解決地彈
解決〝地彈〞現象的最直接最有效的方法是，采用多層板設計，多層板可以提供完整的參考地平面，則相對而言地平面寄生電感較小，電流流過參考地平面時，地電壓波動就較小，系統工作就會更穩定。
三、參考平面&PCB 疊層設計
3.1、參考平面的作用
3.1.1、什么是參考平面
參考平面為高頻電流提供一個返回源頭的低阻抗路徑（通量對消或通量最小化）；為
不同電路之間提供基準參考電位點。電源平面、地平面均能用作參考平面，電源平面作為
參考平面時有較高的阻抗，而地平面作為基準參考電平，阻抗相對較低，其回流效果遠遠
優于電源平面，因而在選擇參考平面時，應優選地平面。
3.1.2、參考平面設計的原理
磁通對消原理：根據麥克斯韋方程，磁通總是在傳輸線中傳播的，如果射頻回流路徑平行靠近其相應的信號路徑，則回流路徑上的磁通（順時針場）與信號路徑上的磁通（逆時針場）是方向相反的，那么順時針場和逆時針場相互疊加，則得到了通量對消的效果。
為消除PCB中的射頻能量，在PCB設計中必須采用磁通量對消或磁通量最小化技術。PCB層疊EMC規劃與設計的思路就是合理規劃信號回流路徑，使得磁通對消。
3.1.3、參考平面與回流路徑
當使用電源平面、地平面做為參考平面時，微帶線因為信號布線與參考平面之間緊密耦合的緣故，回返電流會在參考平面上布線的直接正下方（或正上）流動。對稱帶狀線回返電流平均使用上下兩個平面。非對稱帶狀線常見于多層板，大部分的回流電流流經靠其最近的參考平面。
3.1.4、三種常見 PCB 設計參考平面換層形式
v信號換層，參考層不變：
此種情況下回返電流將在同一參考平面層流動，不需要加任何處理措施。
v信號換層，參考層由一個地平面換到另一個地平面：
此種情況下回返電流在兩個地平面上流動，則必須在布線換層的過孔附近設置一個地過孔連接兩個地層。
v信號換層，參考層由地平面換到電源平面：
此種情況下回返電流分別在電源平面和地平面流動， 則必須在布線換層的過孔附近設置去耦合電容將地層與電源層連接起來。
3.2、PCB 疊層設計
3.2.1、PCB 疊層設計的基本規則
PCB疊層設計不是層的簡單堆疊，信號回流面積最小化是關鍵，它與信號層、地層、電源層的安排有關，一般應按以下原則進行疊層設計。
ü信號回流面積最小化（尤其是高速信號）
ü滿足信號的特性阻抗（尤其是高速信號）
ü滿足參考平面完整性原則。
ü電源平面層緊鄰地平面層
3.2.2、推薦 PCB 疊層設計
推薦的四層板疊層設計：
上述疊層設計，信號布線均有完整的參考平面，同時電源層與地層相鄰，電源層也具備完整參考地平面，需要特別注意的是電源層不同電源分隔時信號參考的完整性。
推薦的六層板疊層設計：
上述疊層設計，信號布線均有完整的參考平面，同時電源層與地層相鄰，電源層也具備完整參考地平面，需要特別注意的是電源層不同電源分隔時信號參考的完整性。
