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永遠不要在模擬和數(shù)字電路之間進行地分割

發(fā)布日期:2024-08-03 點擊次數(shù):453
看到一篇關于PCB接地測量的好文章,結合自己的理解經(jīng)驗嘗試修改,與大家共享。

永遠不要在模擬和數(shù)字電路之間分割地層

為了說明為什么會這樣?請考慮下圖中的模數(shù)混合板的PCB布局,在模擬電路和數(shù)字電路之間對接地層進行了地分割;但是在這種情況下,間隙在三個側面圍繞模擬電路。


                     圖 1.左邊是分割后的混合信號板布局(a),右邊是更好的替代布局(b)

如果考慮返回電流,雖然模擬電路和數(shù)字電路部分隔離開了,但是分割地層后有四條數(shù)字走線將D/A轉換器連接到其中一個數(shù)字元件,這些信號也需要返回路徑。這些電流必須從D/A元件的接地引腳到達數(shù)字元件的接地引腳,分割后迫使這些電流與模擬電流共享平面的同一區(qū)域,模數(shù)信號混合了,沒有起到分割的作用。

不能分割的原因:

1. 數(shù)字和模擬信號的工作頻率在高于約100 kHz的頻率下,接地層上的返回電流被限制在信號走線正下方的區(qū)域。


2. 即使在kHz頻率或更低頻率下,電路板接地層的電阻也小于1 mΩ/平方。比如10A經(jīng)過1 mΩ的電阻,會產(chǎn)生10mV的電壓,對于某些場景,這個電壓可以忽略。


3. 在不能容忍mV級別耦合的情況下,最好將返回路徑分布在不同的層上。


單點和多點接地

如圖2所示。模擬返回電流有兩種可能的路徑。它可以在走線上返回,也可以在平面上返回。電流將根據(jù)每條路徑的電阻進行分配,允許大量的模擬電流返回平面。同樣,一些數(shù)字電流將在模擬電流返回路線上流動。


              圖 2 接地層上的近似返回電流分布

一般來說,如果兩個電流返回路徑連接在一個以上的點上,則它們在低頻下不會隔離。單點接地是EMC中的一個重要概念,盡管設計人員經(jīng)常誤解它,因為他們沒有正確區(qū)分電流返回路徑和接地的概念。


                                                                                          圖 3. 單點接地

圖3說明了單點接地概念,隔離電路或系統(tǒng)通過非載流接地導體連接到單個點。

圖4顯示了另一種實現(xiàn)方式,其中接地導體連接在多個點,但它們?nèi)匀灰詥蝹€點為參考。其中一個例子是建筑物中的電源接地,每個接地設備都有一條通往建筑電氣服務的專用有線路徑,在多個點連接接地導體不會降低接地方案的有效性。


                                                                          圖 4. 另一個單點接地實現(xiàn)

雖然單點接地是確保隔離電路具有相同零伏基準的重要概念,但如果接地導體承載信號或電源電流,則單點接地不起作用。

在圖5中,中間和右側電路不是隔離的。從負載返回到中間電路源的電流現(xiàn)在可以選擇通過預期的藍色導體返回,或者通過與右側電路的附加連接通過“單點”接地返回中間電路。


                                                                           圖 5.這不是單點接地

重要的是要記住,單點接地是確保隔離電路和設備具有相同零伏基準的重要策略。另一方面,單點電流返回通常是導致嚴重電磁耦合問題的根本原因。


                                                                           圖 6.多點接地。
單點接地策略的替代方案是多點接地策略,如圖6所示。

采用接地結構的系統(tǒng)通常會在多個點上連接未與接地結構隔離的電路和模塊。圖 7 演示了一個簡單的示例。在這種情況下,中間和右側電路之間的連接允許低頻返回電流在接地結構上流動。在這些頻率下,該結構將更準確地描述為電流返回結構。在提出接地策略時,重要的是要認識到導電結構在某些頻率下可以提供接地功能,而在另一些頻率下可以提供電流返回功能。


                                                                         圖 7.混合接地策略。

接地策略

1. 適當?shù)碾娏鞣祷夭呗酝ǔ戎赜跒楦哳l電流提供低電感路徑,并保持對低頻電流路徑的控制;


2. 正確的接地策略側重于識別和保護每個電路和系統(tǒng)的零伏基準電壓源;


3. 確定接地結構。在系統(tǒng)級,接地結構總是金屬外殼或框架;在板級,如果板連接到框架,那么板接地應該是連接發(fā)生的地方;



4. 所有大型金屬物體應與地面結構連接。如果做不到,則必須與地面結構充分隔離,以保證不會發(fā)生嚴重的耦合。

聲明:
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