PCB设计中地线干扰抑制方法详解

PCB设计中地线干扰抑制方法详解

——铁路信号设备地线干扰抑制方法的研究（三）

2013-06-07 来源：电子元件技术网网友原创博文作者：杨鹏[责任编辑：Cynthiali]

【导读】本文是电子元件技术网网友原创博文《铁路信号设备地线干扰抑制方法的研究》系列第三章，重点介绍了在PCB设计中，如何通过适当接地方法，规避地线干扰，包括地环路干扰抑制方法、公共阻抗耦合干扰抑制方法、混合接地等内容。

《铁路信号设备地线干扰抑制方法的研究》全文从电气电子设备接地重要性与地线干扰形成机理入手，重点介绍电气电子设备接地点与接地方式选择、增加地环路阻抗、降低接地阻抗等方法，来消除公共阻抗耦合、地环路等地线干扰，实现电气电子设备良好的电磁兼容。最后，针对铁路现场电磁骚扰源特性与耦合方式，成功地将地线干扰抑制方法应用于某铁路信号设备的电磁兼容设计中。

全文第一章为：EMC接地的概念与分类

全文第二章为： EMC地线干扰形成的机理

4 地线干扰抑制方法

接地抗干扰技术的主要内容，一是避开地环路电流的干扰，二为降低公共地线阻抗的耦合干扰。“一点接地”有效地避免了地环路电流干扰，而在“一点接地”前提下，并联接地则是降低公共地线阻抗耦合干扰的有效措施。

4.1 地环路干扰抑制方法

从地环路干扰的机理可知：只要减小地环路中的电流就能减小地环路干扰，此外，防止线缆上的共模骚扰电流转化为干扰电压，也是解决地环路干扰的问题的效措施。

抑制地环路干扰主要方法有：平衡电路、光电隔离、磁电隔离、共模扼流圈，以及减少地线阻抗与浮地。本节将重点讨论平衡电路、光耦隔离、磁电隔离、共模扼流圈在抑制地环路干扰方面的应用。

4.1.1 平衡电路

当感应的电磁干扰在回路上传输时，如果回路的阻抗完全对称时，对电路不会引起干扰。但是在平衡电路中，实际的回路阻抗很难做到达到完全对称，这种不平衡阻抗，会将传输线中的共模干扰转化为差模干扰，从而对电路造成干扰，平衡电路抑制地环路共模干扰的机理如下图所示：

图 9 平衡电路对地环路的抑制

4.1.2 磁电隔离

磁电隔离实质上是利用变压器实现磁电隔离的基本原理：变压器主要由绕在共同铁心上的两个或多个绕组组成。当在一个绕组上加上交变电压时，由于电磁感应而在其它绕组上感生交变电压。因此变压器的几个绕组之间是通过交变磁场互相联系的，在电路上是互相隔离的。这样可以使用变压器切断设备与外部接口（含电源）之间的共模电磁干扰传播路途，让一定频率的差模信号可以通过，如下图所示：

图 10 磁电隔离原理

为提高高频共模电磁干扰的抑制性能，一般会在变压器原边、副边间增加静电屏蔽后，减小原边/副边之间的寄生电容。该屏蔽与绕组间形成新的分布电容，当将屏蔽接地后，可以将高频干扰通过这一新的分布电容引回地，避免其对副边电路产生干扰。

目前磁电隔离技术，已广泛应用于电气电子产品的开关电源、以太网端口，切断地环路干扰的耦合途径。

4.1.3 光电隔离

光电隔离采用光电耦合器来实现，即通过半导体发光二极管（LED）的光发射和光敏半导体（光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等）的光接收，来实现信号的传递。由于发光二极管和光敏半导体是互相绝缘的，从而实现了电路的隔离，如下图所示：

图 11 光电隔离

4.1.4 继电器隔离

电磁继电器隔离一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生的电磁效应，衔铁就会在电磁吸引力的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力的作用下返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样的吸合、释放。

继电路实际上是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，利用较小的电流去控制较大的电流的一种“自动开关”，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系。因此，可以利用继电器的线圈接受电气信号，而用触点发送和输出信号，从而在低频时，避免强电和弱电信号之间的直接联系，实现了输入与输出的电气隔离，如下图所示：

图 12 继电器隔离

4.1.4共模扼流圈隔离

共模扼流圈并非像隔离变压器、光电耦合器、电磁继电器那样属于隔离器件，这些器件中被隔离的两端，通过磁、光、机械进行信号的传输，但是共模扼流圈在电磁兼容领域的应用时，主要是为了让共模电感像隔离器件那样将共模干扰隔离在共模扼流圈输入/输出的两端，因此，在EMC领域，一般也将共模扼流圈与隔离变压器、光电耦合器、电磁继电器一样，用为隔离器件。

共模扼流圈由铁氧体磁芯、线圈La、 Lb，以及固定架组成，两个线圈绕在同一铁芯上，匝数和相位都相同(绕制反向)，如下图所示：

图 13 共模扼流圈高频隔离

这样，当电路中的正常电流流经共模电感时，电流在同相位绕制的电感线圈中产生反向的磁场而相互抵消，此时正常信号电流主要受线圈电阻的影响(少量因漏感造成的阻尼)；当有共模电流流经线圈时，由于共模电流的同向性，会在线圈内产生同向的磁场而增大线圈的感抗，使线圈表现为高阻抗，产生较强的阻尼效果，以此衰减共模电流，达到滤波的目的。

4.2 公共阻抗耦合干扰抑制方法

消除公共阻抗耦合的途径或方法有两个：一是减小“公共地”地线部分的阻抗，这样公共地线上的电压也随之减小，从而控制公共阻抗耦合。另一个是通过适当的接地方式避免容易相互干扰的电路共用地线，一般要避免强电电路、弱电电路共用地线，数字电路和模拟电路共用地线。

减少“公共地”地线阻抗核心问题是减小地线的电感，包括使用扁平导体做地线、用多条相距较远的并联导线做接地线。

对于印制电路板而言，在双层板上布地线网络能够有效地减小地线阻抗，在多层板上专门用一层做地平面。但是通过选择适当的接地方式也可有效的消除公共阻抗的耦合干扰。

电气电子设备的接地方法主要有：单点接地、多点接地、混合接地、浮地。一般会根据电路类型、系统工作频率、工作电流等选择一个合适的接地方法，来抑制或减小共地阻抗干扰。

4.2.1 单点接地

单点接地是指在一个线路中，只有一个物理点被定义为接地参考点，其它各个需要接地的点都直接接到这一点上。单点接地又分为串联单点接地和并联单点接地。

（1）串联单点接地

图 14 串联单点接地

串联单点接地如上图所示，是各电路连接地线的等效阻抗（低频时，线缆的感抗很低，等效为0），分别是电路1、电路2、电路3的电流，由此可得出各点的电位各下：

A点的电位：

B点的电位：，

C点的电位：，