PCB的8種接地方案+14種接地技巧

來源：EMC容冠電磁更新時間：2024-07-21 閱讀：

PCB 接地是PCB Layout工程師一直都會關(guān)注的問題，例如：如何在板上規(guī)劃有效地接地系統(tǒng)，是將模擬、數(shù)字、電源地等所有地單獨布線還是單點一起布線？如何消除電路板上的接地環(huán)路？

今天主要是關(guān)于 PCB 接地設(shè)計、PCB接地技巧、PCB 接地處理。

01 什么是接地？

雖然說這個問題看起來有點蠢，但不同類型的接地之間還是有區(qū)別的。電氣接地是一個導(dǎo)電體，它充當(dāng)來自各種設(shè)備的電流的公共返回路徑，通常稱為 0 電位節(jié)點，系統(tǒng)中所有其他電壓都是相對于這個節(jié)點。

這里介紹接地不同類型的節(jié)點：

1 浮地

當(dāng)系統(tǒng)沒有可靠的接地連接時，就會發(fā)生浮地。因此，接地端子和導(dǎo)體中的電壓是不確定的，無意浮動接地被認(rèn)為是系統(tǒng)故障（接地系統(tǒng)中的潛在斷路），但也有有意使用浮動接地的應(yīng)用。

在低壓電源和測試儀器中，隔離變壓器用于將低壓接地與主接地系統(tǒng)隔離，以提高安全性。通過浮動低壓側(cè)的地，它避免了來自主電源的接地電流路徑。如果低壓側(cè)出現(xiàn)故障，這將提供電氣安全。

浮地

2 大地

這實際上是與地球的物理連接，充當(dāng)耗盡剩余電流的安全返回點。

3 機箱接地（安全接地）

機箱接地（安全接地）是從交流電源到產(chǎn)品外殼或底盤的安全線的連接，接地和機箱接地具有相同的功能，通常與術(shù)語安全接地互換使用。

在 PCB 接地方面，沒有一種萬能的方法。要確定將系統(tǒng)接地的最佳方式，你需要了解其中電流的流動方式。但是，有多種方法可供選擇，以及適用于大多數(shù)系統(tǒng)的最佳接地實踐的一些提示。

4 信號地

信號地是電路中使用的任何模擬或數(shù)字信號的參考，大多數(shù)時候信號地等于電源地。但在某些情況下，電路中的信號使用不同的隔離接地來返回信號電流，這導(dǎo)致為信號定義單獨的接地，信號地可以在敏感設(shè)備和測量儀器中找到。

原理圖中用于接地的典型符號

在為模擬和數(shù)字部分劃分電路板時，分離地通常連接在具有模擬和數(shù)字軌道連接的混合信號設(shè)備下方或附近。當(dāng)在混合信號設(shè)備下方的模擬地和數(shù)字地平面之間進(jìn)行連接時，它能夠以最短的長度運行混合信號走線，并減少干擾設(shè)備周邊其他模擬或數(shù)字信號的機會。

模擬地和信號地分開接地

5 虛地

虛地常見于運算放大器 (Op-Amp)。虛擬接地點（節(jié)點）不直接連接到接地（GND）電流返回路徑，而是保持與接地參考電位匹配。虛擬接地用于分析運算放大器的功能。

虛地

通過考慮虛擬接地電位，并假設(shè)運算放大器不吸收電流，得到以下關(guān)系。

虛地計算公式

6 交流接地

交流接地節(jié)點具有低阻抗直流值，即使受到小的干擾，該直流電壓也是穩(wěn)定的。由于它的直流值，這個節(jié)點不能作為一個合適的地，但是因為它是穩(wěn)定的，它可以作為一個參考點。

交流接地是將電源引入需要電網(wǎng)電源并以中等高電流運行的電路板的標(biāo)準(zhǔn)方法。在下圖中，我們將 3 線單相交流電引入系統(tǒng)，并使用變壓器將其降壓至電路板上所需的電平。

PCB 疊層中初級接地 (PGND) 和次級接地 (SGND) 之間的分離意味著我們現(xiàn)在在電路板上基本上有一個隔離電源以及我們的其他重要組件，這些組件可能是高速數(shù)字或精密模擬組件。

輸入功率級隔離接地

7 地盤接地

電子產(chǎn)品中需要注意的重要一點是，并非所有系統(tǒng)都有機箱接地（安全接地）。通常，底盤接地是指外殼中的金屬機箱，并與機箱建立連接。

在 3 線 AC 系統(tǒng)（火線、中性線和地線）或 3 線 DC 系統(tǒng)（DC+、DC 公共端和地線）中，機箱接地通常在電源進(jìn)入電源的點處連接到大地。插入系統(tǒng)的一部分也可以連接到機箱接地以吸收噪聲或出于安全原因（例如，ESD 保護(hù)），如下面所示的示例。這種布置為 3 線連接上的交流或直流輸入提供了共模噪聲過濾。

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

底盤接地

底盤接地連接提供了三個功能：

由于機箱現(xiàn)在設(shè)置為全局 0 V 參考電位，因此機箱現(xiàn)在充當(dāng)法拉第籠并提供寬帶屏蔽。

它提供了一種安全功能，可以將寄生電流（ESD、短路或噪聲）消散回大地。

它可以在此輸入 EMI 濾波器上為共模噪聲提供低阻抗接收器，而無需在板上放置鐵氧體或大扼流圈。

8 多地接地

多地接地通常在兩臺設(shè)備之間布線時出現(xiàn)，并且電纜可能有一些屏蔽層連接到每一端的地線。

必須在這里小心，因為兩個接地連接之間可能有直流電勢差，在實驗室測量時可能約為 10 V。如果接地橋接（例如沿屏蔽電纜使用屏蔽），接地偏移可能會導(dǎo)致大的直流電流流過電纜。

多地接地

02 并非所有接地都為DV

懸空的導(dǎo)體或者系統(tǒng)中參考不同電源的導(dǎo)體可能不具有相同的 0 V 電位。換句話說，兩個不同的設(shè)備有兩個接地參加，但連接到同一個參考，如果你測量它們之間的電位，測量得到是一個非 0電壓。

在電源系統(tǒng)中，要注意如何使用電容接地以確保接地參考保持一致。Y級電容最合適，你需要消除平面之間的直流偏移，同時提供電流隔離和高頻EMI 濾波。

PCB接地電路

當(dāng)兩個設(shè)備引用相同的導(dǎo)體作為接地連接時，可能會發(fā)生下面這種情況。如果你測量長導(dǎo)體上的電位差（例如：使用萬用表），它可能不為 0，這意味著沿著導(dǎo)體驅(qū)動了一些電流。這種沿著大地或兩個接地連接之間的電位差稱為 “接地偏移”。

03 PCB接地設(shè)計

1 地線

所有連接到地面的組件都通過公共跡線連接在一起，這在舊 PCB 和簡單 PCB 中很常見。

地線

2 公共接地平面

公共接地平面是PCB設(shè)計中最常見的做法。PCB 上未被走線或元件利用的自由空間被從地面覆蓋。公共接地平面顯著改善了 PCB 的熱特性，也有助于降低電磁干擾 (EMI)。

3 專用接地層

專用接地層用于多層 PCB，組件通過接地過孔連接到接地層。可以在具有 3 層及以上層的密集復(fù)雜 PCB 中找到。

專用接地層

4 電力系統(tǒng)接地

在電力系統(tǒng)安裝中，所有接地連接都連接到接地母線。該母線連接到接地導(dǎo)體，該接地導(dǎo)體連接到接地棒或接地網(wǎng)。

電力系統(tǒng)接地

接地母線將所有裝置的所有接地線匯集到一個公共點。該點的接地電阻應(yīng)低于 5 歐姆，以提供更好的接地，使用高規(guī)格電線將接地母線連接到接地裝置。（接地棒和接地網(wǎng)）

5 等電位接地或者接地

等電位接地意味著保護(hù)區(qū)中的每個導(dǎo)電元件都應(yīng)具有相同的接地電位，是通過電氣連接設(shè)備底盤、金屬管道和所有接地裝置來實現(xiàn)的。

等電位確保了該區(qū)域中的任何導(dǎo)電部件之間沒有明顯的電位差，并防止在故障期間觸電。

等電位接地或者接地

04 PCB接地技巧

1 PCB 全部連接完整

PCB 布局上不應(yīng)有任何未連接的東西。如果你的板上有一個開放空間，得用銅和過孔填充它以連接接地層，這將為 PCB 的所有信號創(chuàng)建一個結(jié)構(gòu)化的路徑，以有效地到達(dá)地面。

2 接地層

使用接地層是許多 PCB 設(shè)計人員最常用的技術(shù)。接地層通常由銅制成，覆蓋 PCB 上沒有組件或走線的所有區(qū)域。一些規(guī)則適用于接地層，具體取決于電路板的層數(shù)。例如，如果電路板有兩層，則規(guī)則規(guī)定應(yīng)該將接地層放在底層，將走線和組件放在頂層。

放置接地層時，應(yīng)確保它不會形成導(dǎo)電材料環(huán)。該環(huán)增加了接地層對電磁干擾 (EMI) 的敏感性。當(dāng)外部磁場與導(dǎo)電環(huán)接觸時，它會充當(dāng)電感，產(chǎn)生稱為接地回路的電流。接地回路會干擾產(chǎn)生電噪聲的其他電路。

當(dāng)在整個底層的下方放置一個接地層并移除所有包含電氣元件的部件時，可能會形成一個導(dǎo)電環(huán)。應(yīng)確保走線盡可能短，并在其下方放置接地層以防止出現(xiàn)振鈴。此外，可以通過調(diào)整走線和組件的布局來避免創(chuàng)建導(dǎo)電環(huán)。

每個組件都必須單獨連接到一個實心接地層以避免接地回路。

由連接到接地層的兩條跡線形成的接地回路

使用機箱接地時，你可以通過在連接到機箱的接地部分放置一個空隙來避免接地回路，如下所示。電容的使用提供了一個交流接地點。對于需要使用墻壁電源并需要直接返回地面的電氣設(shè)備來說，這是一種理想的情況。

消除接地回路天線

3 模擬和數(shù)字組件排列

元件應(yīng)布置在靠近地的信號層上，以使返回路徑短且走線耦合到地。如果 PCB 包含模擬和數(shù)字組件，則必須非常小心地放置接地連接。電路板的模擬部分和數(shù)字部分應(yīng)該在物理上分開，但它們?nèi)匀恍枰B接到電源返回路徑。

混合信號接地連接

有些人可能會建議將數(shù)字地和模擬地完全分開，然后使用鐵氧體磁珠將它們連接起來，但這可能會產(chǎn)生比它所解決的更多的 EMI 和噪聲問題，尤其是當(dāng)在非常高的頻率下工作時。

連接這些部分的一個好方法是將電源返回路徑放置在兩個平面之間，這樣任何一個部分的返回電流都不會進(jìn)入另一個平面。重要的是要注意，不應(yīng)在兩個接地層之間的間隙上布線任何走線，因為這會產(chǎn)生很長的電流返回路徑，極易受到 EMI 的影響。接地層之間的空間可用于放置 ADC 等混合信號組件。

4 接地層過孔

如果 PCB 的兩側(cè)都有接地層，它們將通過板上許多不同位置的過孔連接。這些通孔是穿過電路板并將兩側(cè)相互連接的孔，允許從任何可以插入通孔的地方訪問接地層。

使用過孔可以幫助你避免接地環(huán)路。它們將組件直接連接到接地點，接地點通過低阻抗連接到電路的所有其他接地點，同時還有助于縮短返回循環(huán)的長度。

接地層過孔

接地平面通常在流入它的電流頻率的特定波長處諧振。你應(yīng)該在接地層周圍以精確的間隔放置過孔，以避免接地層諧振。帳篷通孔是 PCB 板的一個重要方面，因為它們通過通孔將熱量吸收到板的另一側(cè)，從而有助于冷卻熱運行的組件。

在 PCB 板布局沒有過孔的情況下，可以使用小型鉆孔機鉆幾個孔，然后將銅穿過孔并焊接，從而實現(xiàn)兩側(cè)的連接。

5 去耦

去耦是在集成電路芯片旁邊實施LC 網(wǎng)絡(luò)提供瞬態(tài)開關(guān)電流的過程。為集成電路芯片安裝電源引腳將它們連接到外部電源。此外，還包含將它們連接到 PCB 接地層的接地引腳。

應(yīng)該在電源引腳和組平面之間放置去耦電容，以消除由芯片中提供的電壓產(chǎn)生的振蕩。

高頻去耦的正確和錯誤放置

6 PCB 中的所有連接器都應(yīng)接地

在連接器中，所有信號線必須并行運行。因此，你必須使用接地引腳分離連接器。

每塊電路板可能需要多個連接器引腳連接到地。只有一個引腳可能會導(dǎo)致阻抗不匹配問題，從而導(dǎo)致振蕩。如果兩個連接導(dǎo)體的阻抗不匹配，它們之間流動的電流可能會來回反彈，這些振蕩會改變系統(tǒng)的性能并導(dǎo)致其無法按預(yù)期工作。

連接器的每個引腳的接觸電阻很低，但可能會隨著時間的推移而上升。因此，最好使用多個接地引腳。PCB 連接器中大約 30% 到 40%的引腳應(yīng)該是接地引腳。

連接器有不同的間距，并且可以有不同數(shù)量的引腳排，連接器的引腳也可以平行于 PCB 表面或與其成直角。

7 始終提供一個共同的接地點

無論是單層 PCB 還是多層 PCB ，都需要一個點來將所有接地點連接在一起。這可能是機箱上的金屬框架或 PCB 上的專用接地層，你通常會聽到將這個公共接地點稱為星形接地。

8 盡量減少串聯(lián)過孔

確保盡量減少接地路徑上的串聯(lián)過孔，而是將組件接地直接發(fā)送到專用接地層。

添加到電路板的通孔越多，必須處理的阻抗就越大，這對于可以將阻抗路徑變成電壓差的快速瞬態(tài)電流尤其重要。

9 布線之前設(shè)計接地

在進(jìn)行任何布線之前，請務(wù)必先正確設(shè)計的地面，這是整個路由過程的基礎(chǔ)。

10 確定PCB上電流的走向

許多設(shè)計人員只考慮他們的信號傳輸?shù)侥睦铮總€信號都有一條返回路徑通過地面。信號的發(fā)送和返回路徑將具有相同的電流，這會影響電源穩(wěn)定性和接地反彈。

你可以使用基爾霍夫電流定律來了解電流將如何通過你的電路。

確定 PCB 上電流的走向

11 疊層中的接地層

在多層 PCB 中，堆棧中電源、信號和接地層的排列對信號完整性有重大影響，并將影響布線策略。

將接地層保持在信號層附近以最小化電流的返回路徑非常重要。在 4 層板中，電源層和接地層通常位于內(nèi)層，而信號走線和元件位于外兩層。

12 規(guī)劃接地平面之間的動態(tài)差異

在多層 PCB 的板之間發(fā)送接地連接時，始終計劃動態(tài)變化。在處理需要長距離電纜的應(yīng)用時尤其如此。

對于這些情況，你可以使用低壓差分信號、光隔離器和共模扼流圈來控制變化。

13 注意混合信號的布線區(qū)分

電路板的模擬部分需要分開，這包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

在設(shè)計 PCB 的“平面圖”時，務(wù)必將這些區(qū)域隔離開來。ADC 的接地可以連接到一個公共接地點，數(shù)字信號可以通過該接地點傳遞到 PCB 的其他部分。

注意混合信號的平面規(guī)劃

14 避免接地回路

根據(jù)經(jīng)驗，“接地回路”一詞可以指系統(tǒng)受到接地電位差異影響的任何情況。一個典型的例子是，當(dāng)兩個模塊通過一根長電纜連接時，電纜中的返回電流導(dǎo)致一個模塊的接地電壓明顯高于另一個模塊的接地電壓。不過，這里專門指的是接地回路。例如：

接地回路

如果你必須使用單獨的 PCB 走線進(jìn)行大量接地連接，則創(chuàng)建如上圖所示的環(huán)路其實很容易。

接地平面的存在并不意味著不可能創(chuàng)建接地回路，因為 CAD 程序不會阻止你在接地點之間繪制軌跡。但是，如果你始終使用過孔或通孔進(jìn)行接地連接，那么問題應(yīng)該會在很大程度上消失：通過將過孔放到平面上，你可以直接從組件連接到接地點，該接地點通過低阻抗連接到所有其他接地電路中的點。