2022-07-05 PCB接地技术详解

1️⃣接地技术的发展
接地技术的引入最初是为了防止电力或电子等设备遭雷击而采取的保护性措施。在日常生活中我们常见到在各种建筑物上都装有避雷针，其作用就是把雷电产生雷击电流通过避雷针引入大地，从而起到保护建筑物的作用。

通过实践，人们认识到，接地也是保护人身安全的一种有效手效。当某种原因引起相线（如电线绝缘不良、线路老化等）和设备外壳碰触时，设备的外壳就会有危险电压产生，由此生成的故障电流就会流经PE线或大地；由于我们在电流回路中采取了合理的保护措施，所产生的故障电流使得电源熔丝或空气开关断开，以防止设备外壳继续有危险电压产生，从而起到了保护人身安全的作用。

随着电子产品信号速率不断的提高，设备的信号回流也被列入“地”的概念当中。

2️⃣接地定义及常见接地符号
在现代接地概念中、对于线路工程师来说，该术语的含义通常是‘线路电压的参考点’；对于系统设计师来说，它常常是机柜或机架；而对电气工程师来说，它却是绿色安全地线或接到大地的意思。
定义：“接地是电流返回其源的低阻抗通道”

PE、PGND、FG-------------- 保护地或机壳
BGND或DC-RETURN------- 直流-48V（+24V）电源回流
GND------------------------------ 单板及背板工作地
DGND---------------------------- 单板数字地
AGND---------------------------- 单板模拟地
LGND---------------------------- 防雷保护地

3️⃣接地技术中的关键术语

接地阻抗和地电位

地环路

地电位差导致的地环路电流在电路2的输入端产生一个噪声电压V噪声。

4️⃣接地方式分类

单点接地：

串、并联单点接地的混合接地方式

适用于较为复杂的低频（f<1MHz）电子线路中。

多点接地

适用于高频电路（f>10MHz）

混合接地：
适用于高低频（1MHz<f<10MHz）共存的电路。低频时为单点接地，高频时为多点接地。

5️⃣ 如何减少接地阻抗

增加地线走线宽度（w）；
减小地线走线长度（l）；
采用网格接地方式；
采用地平面的方式；

6️⃣ 接地设计

一、接地功能模块划分

二、功能模块之间地的连接

如上图所示，如果在单板上各模块之间没有互连信号线，则各模块地通过大地相连，如果有信号互连则在信号线跨模块电路处单点相连。

三、各模块间的接地方式

低频噪声电路和模拟电路采用单点接地、数字电路采用多点接地。

四、地线阻抗带来的坏处
从上图可以看出，地线阻抗越小，电路的对外辐射或传导就越小，所以，PCB设计中，减小地线阻抗是一个关键要素。

五、地线阻抗

从上图可以看出，要想减小走线阻抗，缩短走线长度和增大走线宽度是很好的办法。

六、回路面积

从上面辐射强度公式可以看出，回路面积A越大，辐射强度越大，所以在PCB布板时另外一个重要原则就是要尽可能减小电源回路和信号回路面积。

七、如何控制地线阻抗和回路面积

采用网格接地或者接地平面方式可以有效减小地线阻抗，并且有利于电源回路和信号回路的回路面积控制；

不建议采用梳状接地方式，对于网格接地应做到地线尽可能短粗，以减小地线阻抗。

八、梳状接地方式

从右图可以看出，梳状接地方式存在地线走线过长的问题，从而导致地阻抗过大，地阻抗上的共模电压会驱动共模电流向外传导或辐射。此外，梳状接地时，信号和电源回路面积难以控制，见右图中的信号线和地线构成的大环路。

九、网格接地方式

采用网格接地相当于多个接地电感和接地电阻并联，可以有效的减小整个接地系统的接地阻抗，从而减小Vn和In。
此外，信号线或者电源线布线时，在它们附近设置地线，可以有效的减小电源和信号回流面积，如上图。

十、地层平面

地层平面是网格地的极限方式，当网格地中的节点无限多时，网格地就成为了一个完整的地平面，地层平面较之网格地有更小的等效电感和等效电阻，从而能够大大的减小地线上的干扰电压。并且在层设置时，尽可能使电源平面和布线层与地平面紧邻，可以有效的减小电源和信号回路面积。

十一、单板地设计方法－接口处接地

十二、接口处接地的设计要点

单板接口地接设备金属结构件，使其成为“干净地”，用来进行滤波电路和防护电路的接地；
电源滤波器的地接单板接口地；电源模块输出的电源地单点接数字地。
数字接口电路建议采用光耦、隔离变压器等隔离器件进行隔离，避免数字地上的噪声耦合到单板接口地；
各接口的滤波电路靠近单板接口地放置，滤波电容接单板接口地；
D/A器件跨接在数字地和模拟地之间，数字地和模拟地在D/A附近单点相连，模拟地单点接单板接口地；
尽量避免数字地直接接单板接口地，以避免构成如前页图中红色箭头所示的地电流回路，使得数字地“污染”单板接口地；
接口电缆的屏蔽层接单板接口地。

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