PCB設計：地線的干擾與抑制

在PCB設計中，尤其是在高頻電路中，經常會遇到由于地線干擾而引起的一些不規律、不正常的現象。本文對地線產生干擾的原因進行分析，詳細介紹了地線產生干擾的三種類型，并根據實際應用中的經驗提出了解決措施。這些抗干擾方法在實際應用中取得了良好的效果，使一些系統在現場成功運行。

在單片機系統中，PCB(印制電路板)是用來支撐電路元件，并提供電路元件和器件之間電氣連接的重要組件，PCB導線多為銅線，銅自身的物理特性也導致其在導電過程中必然存在一定的阻抗，導線中的電感成分會影響電壓信號的傳輸，電阻成分則會影響電流信號的傳輸，在高頻線路中電感的影響尤為嚴重，因此，在PCB設計中必須注意和消除地線阻抗所帶來的影響。

1 、產生干擾的原因

電阻與阻抗兩個不同的概念。電阻指的是在直流狀態下導線對電流呈現的阻抗，而阻抗指的是交流狀態下導線對電流的阻抗，這個阻抗主要是由導線的電感引起的。由于地線總是存在阻抗，因此用萬用表測量地線時，地線的電阻一般是mmΩ級。

以PCB上一段長10 cm、寬1．5 mm，厚度為50μm的導線為例，通過計算可得到其阻抗的大小。R=ρL／s(Ω)，式中L為導線長度(m)，s為導線截面積(mm2)，ρ為電阻率ρ=0.02，因此該導線電阻值約為0．026 Ω。

當一段導線與其他導線遠離并且其長度遠大于寬度時，導線的自感量為0．8 μH／m，那么10 cm長的導線的電感量是0．08μH。再由下面的公式求出導線感抗：XL=2πfL，下式中，f為導線通過信號的頻率(Hz)，L為單位長度導線的自感量(H)。所以分別計算出該導線在低頻和高頻下的感抗值：

 

在實際電路中，造成電磁干擾的信號往往是脈沖信號，脈沖信號包含豐富的高頻成分，因此會在地線上產生較大的電壓。通過以上的公式計算可以看出，在低頻信號傳輸中導線電阻大于導線感抗，對于數字電路，電路的工作頻率很高，在高頻信號中導線感抗要遠大于導線電阻。因此，地線阻抗對數字電路的影響是十分可觀的。這就是電流流過小電阻時產生大壓降，導致電路工作異常的原因。

2 地線干擾機理

2．1 地環路干擾

地環路干擾是一種較常見的干擾現象，常常發生在通過較長電纜連接并且相距較遠的設備之間。地線造成電磁干擾的主要原因是地線存在阻抗，當電流流過地線時，會在地線上產生電壓，這就是地線噪聲。在這個電壓的驅動下，會產生地線環路電流，形成地環路干擾。如圖1所示是兩個接地的電路。

 

由于兩個設備的地電位不同，形成地電壓，在這個電壓的驅動下，“設備1一互聯電纜一設備2一地”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。

由于地環路干擾是因地環路電流而導致的，因此有時會發現，當把一個設備的地線斷開后，干擾現象消失，這是因為地線斷開時切斷了地環路。這種現象經常發生在低頻干擾的場合，當干擾頻率較高時，斷開地線與否關系不大。

2．2 公共阻抗干擾

在數字電路中，由于信號的頻率較高，地線往往呈現較大的阻抗。這時，當幾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。

解決公共阻抗耦合的方法是減小公共地線部分的阻抗，或采用單點接地，徹底消除公共阻抗圖2的例子說明了一種干擾現象。圖2是一個有四個門電路組成的簡單電路。假設門1的輸出電平由高變為低，這時電路中的寄生電容(有時門2的輸入端有濾波電容)會通過門1向地線放電，由于地線的阻抗，放電電流會在地線上產生尖峰電壓，如果這時門3的輸出是低電平，則這個尖峰電壓就會傳到門3的輸出端，門4的輸入端，如果這個尖峰電壓的幅度超過門4的噪聲門限，就會造成門4的誤動作。

2．3 地環路電磁耦合干擾

圖1所示的“地線環路”將包圍一定的面積，根據電磁感應定律，如果這個環路所包圍的面積中有變化的磁場存在，就會在環路中產生感生電流，形成干擾。空間磁場的變化無處不在，于是包圍的面積越大干擾就越嚴重。

3 解決地線干擾的方法

3．1 解決地環路干擾

解決地環路干擾的基本思路有3個：一個是減小地線的阻抗，從而減小干擾電壓，但是這對二種原因導致的地環路干擾沒有效果。二個方法是改變接地結構，將一個機箱的地線連接到另一個機箱上，通過另一個機箱接地，這就是單點接地的概念。三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。因此提出以下幾種解決地環路干擾的方案。

1)將一側的設備浮地

如果將一側電路浮地，就切斷了地環路，因此可以消除地環路電流。但有兩個問題需要注意，一個是出于安全的考慮，不允許電路浮地。這時可以考慮將設備通過一個電感接地。這樣對于50 Hz的交流電流設備接地阻抗很小，而對于頻率較高的干擾信號，設備接地阻抗較大，減小了地環路電流。但這樣做只能減小高頻干擾的地環路干擾。另一個問題是，盡管設備浮地，但設備與地之間還是有寄生電容，這個電容在頻率較高時會提供較低的阻抗，因此并不能有效地減小高頻地環路電流。

2)使用變壓器

解決地環路干擾的基本方法是切斷地環路。用隔離變壓器就起到這個作用，兩個設備之間的信號傳輸通過磁場耦合進行，而避免了電氣直接連接。這時地線上的干擾電壓出現在變壓器的初次級之間，而不是在電路的輸入端。提高變壓器高頻隔離效果的一個辦法是在變壓器的初次級之間設置屏蔽層。但一定要注意隔離變壓器屏蔽層的接地端必須在接受電路一端。否則，不僅不能改善高頻隔離效果，還可能使高頻耦合更加嚴重。因此，變壓器要安裝在信號接收設備的一側。

變壓器隔離的方法有一些缺點，不能傳輸直流，體積大，成本高。由于變壓器的初次級之間有寄生電容，因此高頻時的隔離效果不是很好。

3)使用光隔離元件

用光傳輸信號是解決地環路問題的理想方法。如圖3所示，光耦器件的寄生電容為2 pF左右，因此能夠在很高的頻率起到隔離作用。如果使用光纖，則沒有寄生電容的問題，能夠獲得十分完善的隔離效果。但是，用光纖會帶來其它問題，如：需要更大的功率、需要更多的外圍器件，光連接的線形和動態范圍都達不到模擬信號的要求、光纜的安裝和維護比較復雜等，使用時應注意。

4)使用共模扼流圈

地線電壓實際是一種共模電壓，在這個電壓的驅動下，電纜中流過的電流是共模電流。在連接電纜上使用共模扼流圈相當于增加了地環路的阻抗，這樣在一定的地線電壓作用下，地環路電流會減小。但要注意控制共模扼流圈的寄生電容，否則對高頻干擾的隔離效果很差。共模扼流圈的匝數越多，則寄生電容越大，高頻隔離的效果越差。

5)平衡電路對地環路干擾的抑制

平衡電路的定義是兩個導體及其所連接的電路相對于地線或其他參考物體具有相同的阻抗。

高頻時平衡是很困難的，實際的電路會有很多寄生因素，如寄生電容、電感等。這些參數在頻率較高時對電路阻抗發揮著較大作用。由于這些寄生參數的不確定性，電路的阻抗也是不確定的，因此很難保證兩個導體的阻抗完全相同。因此，在高頻時，電路平衡性往往較差，這意味著：平衡電路對頻率較高的地環路電流干擾抑制效果較差。

3．2 消除公共阻抗耦合

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與弱電電路共用地線，數字電路與模擬電路共用地線等。并聯接地的缺點是接地的導線過多。因此在實際中，沒有必要所有電路都并聯單點接地，對于相互干擾較少的電路，可以采用串聯單點接地。例如，可以將電路按照強信號，弱信號，模擬信號，數字信號等分類，然后在同類電路內部用串聯單點接地，如圖4所示，不同類型的電路采用并聯單點接地，如圖5所示。當信號頻率低于1 MHz時可采用單點接地的方法，使其不形成回路。信號頻率高于10 MHz時好采用多點接地，盡量降低地線阻抗。電源線與地線應盡量靠近走線以減少所包圍的環路面積，從而減少外界磁場對環路切割產生的電場干擾，同時也減少環路對外電磁輻射。

如前所述，減小地線阻抗的核心問題是減小地線的電感。可以使用扁平導體做地線，或用多條相距較遠的并聯導體作接地線。對于PCB，在雙層板上布地線網格能夠有效地減小地線阻抗，在多層板中可以專門用一層做地線來減小阻抗。

4 、結論

抗干擾設計是單片機系統設計的重要環節，其設計的好壞往往決定整個系統的成敗。關于接地，許多關于電磁兼容的專著中都有詳細的論述，但是，好的接地方式應該是通過試驗來選定的，地線干擾也要通過試驗來查找和排除。本文介紹了地線引起干擾的原因和解決方法，說明了地線設計中的一般方法和原則，只有在理論的指導下，經過大量的試驗過程和經驗積累才能更好地掌握接地系統的設計方法和干擾排除手段，從而更好的提高電路工作的可靠性。

來源：PCB設計：地線的干擾與抑制