关于单点接地和多点接地的问题

只看该作者 · 2020-3-30 21:27

最近在买到的一块板子上看到了单点接地的做法，之前绘制的PCB大多是单纯的单片机数字电路，通常直接铺铜完事，最多再考虑一下地平面的完整性，处理一下碎铜，所以借此机会学习一下相关知识。
单点接地所要解决的问题就是针对公共地阻抗耦合和低频地环路，而多点接地是针对高频容易通过长地走线而产生的共模干扰。

只看该作者 · 2020-3-30 21:27

什么是地线
地线分为安全地和信号地，安全地用于保证使用者人身安全，信号地用于保证电路正常工作。造成电路干扰的主要是信号地

只看该作者 · 2020-3-30 21:28

信号地
信号地的一般定义是：电路的电位参考点。而这只是我们对电路工作状态的“假设”。
地线也是导线，电流游走在导线上服从欧姆定律，既然这样，地线不是一个等点位体，不同位置存在压差。电路的“电位参考点”偏离了我们最初的设计所造成的错误就是地线干扰的实质。

只看该作者 · 2020-3-30 21:28

地线的阻抗
“地线要加粗”，老师一直这样教导我们，而我们也一直视作金科玉律，不明所以但一丝不苟地照做。地线地电阻很小，那么为什么底线上的电位差会大到让电路出错的程度？
地线的阻抗Z是由阻抗和感抗部分组成。
Z = RAC + jωL

只看该作者 · 2020-3-30 21:29

地线的交流阻抗
导体的电阻分为直流电阻RDC和交流电阻RAC。对于交流电阻RAC，由于趋肤效应，越靠近导体表面电流密度越大，使导体的电阻变大。
RAC = 0.076 × r × f × 0.5 × RDC
其中r为导线半径，单位cm; f是通过导线的电流频率，单位Hz; RDC为导线的直流电阻，单位Ω。通过公式可以发现，当电流频率上升到MHz级别时，地线阻抗将变为原来的数万倍。

只看该作者 · 2020-3-30 21:29

地线的感抗
任何导体内都有电感（这区别于通常所说的外电感，外电感时导体所包围面积的函数），内电感与导线所包围的面积无关，对于圆形截面导体，有如下转换公式。
L = 0.2s × [ln(4.5 / d) - 1] (μH)
其中s是导体长度，单位m；d为导体直径，单位m。
导体直径越小，长度越大，内电感将会越大。这与“PCB布线应尽可能短而粗”的观点一致。

只看该作者 · 2020-3-30 21:30

地环路干扰
顾名思义，地环路干扰是由地环路电流引起的，通常在长地线连接的设备之间出现。如果断开相互连接的设备，电路各部分即恢复正常，可以怀疑出现了地环路干扰。这种情况通常发生在干扰频率较低的场合。
地环路电流形成的原因自然是由于地线上存在电位差。在地电压的驱使下，电路各部分的连线之间将产生额外的电流，而由于电路的不平衡性，每根导线上产生的电压又有所不同，这样就产生了差模电压，对电路造成干扰。
那么地线上的压差是如何产生的呢？

1.大功率元件共用地线，地线本身的阻抗因通过大电流而产生的压差。
2.环境中存在较强的磁场，设备连线和地线所构成的环路产生感应电压。

只看该作者 · 2020-3-30 21:31

解决地环路干扰的基本思路
针对大电流而造成的地线压差，可以减少地线阻抗，使用短而粗的地线，或PCB走线开窗镀锡，提高载流能力。或者直接将地环路切断，使用隔离变压器、光耦器件、共模扼流圈等隔离器件。又或者改变线路结构，使用单点接地。

只看该作者 · 2020-3-30 21:31

本帖最后由 jerow 于 2020-3-30 21:33 编辑

单点接地
下图中列出了接地方式以及它们之间的关系。

使用单点接地方式的电路布线结构，模拟部分、数字部分、大功率原件分别使用并联单点接地，而各部分内部可以使用串联单点接地。

所谓的单点接地就是电路中所有的地线分别连接到公共地的同一点。单点接地又分为串联单点接地和并联单点接地，向上图左侧，类似于串联单点接地，而右侧则是并联单点接地。

只看该作者 · 2020-3-30 21:33

两种单点接地方式的的缺点
虽然串联单点接地不会构成地线回路，但有可能造成公共阻抗耦合。并联单点接地的缺点也很明显，走线数量增多了，势必会增加PCB设计难度，影响布通率。

只看该作者 · 2020-3-30 21:34

公共阻抗耦合

当两个电路的电流流过一个公共电阻时，就发生了公共阻抗耦合因为公共电阻的作用，其中一个电路的电位会受到另一个电路电流的调制，这样另一个电路的信号就会耦合到另一个电路。这与地环路干扰的第一种情况类似。

只看该作者 · 2020-3-30 21:35

举例

放大器级间的公共阻抗耦合。

（c）图中放大器前级放大器与后级共用一段地线，并在这段导线上产生了较大的压差V，而不巧的是这段电压恰好作用于前级输入回路。如果满足一定相位关系就形成了正反馈，造成放大器自激。

只看该作者 · 2020-3-30 21:35

解决方案
1.如（b）图所示，改变电源位置，让大电流直接流入电源而不经过前级输入回路。
2.如（d）图所示，通过单点接地（并联单点接地）让放大器输出直接接入公共地。

只看该作者 · 2020-3-30 21:36

补充：多点接地
多点接地比较好理解，所有原件就近接地，地线很短，适合运行频率较高的电路设计，问题就是存在或大或小的地环路。双层板通过大面积铺铜将各个元件的GND连接起来实际上采用的就是多点接地。
因为通常双层板没有单独的地层，走线对地平面的分割是在所难免的，非常容易出现地环路。所以在某些情况下也要通过过孔在另一面“打补丁”的方式保证地平面的完整性，减少地环路干扰。

只看该作者 · 2020-3-30 21:36

补充：混合接地
在地线系统内使用电感、电容连接，利用电感、电容器件在不同频率下的阻抗特性，使地线系统在不同的工作频率下有不同的接地结

只看该作者 · 2020-3-30 21:37

补充：如何处理数字电路和模拟电路共存的电路设计
众所周知，数字电路工作在开关状态，对电源干扰严重，所以在数字电路与模拟电路共存的电路设计中，数字电路和模拟电路分别进行独立供电，地线分离，最终单点接地。
通常对于这种单点接地可以考虑使用0欧电阻或磁珠。磁珠的等效电路相当于带阻限波器，只对某个频点的噪声有显著抑制作用，使用时需要预先估计噪点频率，以便选用适当型号。对于频率不确定或无法预知的情况，磁珠不合适。
0欧电阻相当于很窄的电流通路，能够有效地限制环路电流，使噪声得到抑制。电阻在所有频带上都有衰减作用(0欧电阻也有阻抗)，这点比磁珠强。