PCB设计地线的可靠性设计

一、地的分类
　　工程师在设计电路时，为防止各种电路在电路正常工作中产生互相干扰，使之能相互兼容地有效工作。根据电路的性质，将电路中“零电位”———“地”分为不同的种类，比如按交直流分为直流地、交流地，按参考信号分为数字地(逻辑地)、模拟地，按功率分为信号地、功率地、电源地等，按与大地的连接方式分为系统地、机壳地(屏蔽地)、浮地。不同的接地方式在电路中应用、设计和考虑也不相同，应根据具体电路分别进行设置。

1 信号地
　　信号地(SG)是各种物理量的传感器和信号源零电位以及电路中信号的公共基准PCB设计地线(相对零电位)。此处信号一般指模拟信号或者能量较弱的数字信号，易受电源波动或者外界因素的干扰，导致信号的信噪比(SNR)下降。特别是模拟信号，信号地的漂移，会导致信噪比下降；信号的测量值产生误差或者错误，可能导致系统设计的失败。因此对信号地的要求较高，也需要在系统中特殊处理，避免和大功率的电源地、数字地以及易产生干扰PCB设计地线直接连接。尤其是微小信号的测量，信号地通常需要采取隔离技术。

2 模拟地
　　模拟地(AG)是系统中模拟电路零电位的公共基准PCB设计地线。由于模拟电路既承担小信号的处理，又承担大信号的功率处理；既有低频的处理，又有高频处理；模拟量从能量、频率、时间等都很大的差别，因此模拟电路既易接受干扰，又可能产生干扰。所以对模拟地的接地点选择和接PCB设计地线的敷设更要充分考虑。减小PCB设计地线的导线电阻，将电路中的模拟和数字部分开，在PCB布线的时候，模拟地和数字地应尽量分开，最后通过电感滤波和隔离，汇接到一起。

3 数字地
　　数字地(DG)是系统中数字电路零电位的公共基准PCB设计地线。由于数字电路工作在脉冲状态，特别是脉冲的前后沿较陡或频率较高时，会在电源系统中产生比较大的毛刺，易对模拟电路产生干扰。所以对数字地的接地点选择和接PCB设计地线的敷设也要充分考虑。尽量将电路中的模拟和数字部分分开，在PCB布线的时候，模拟地和数字地应尽量分开，最后通过电感，汇接到一起.

4 悬浮地
　　悬浮地(FG)是系统中部分电路的地与整个系统的地不直接连接，而是通过变压器耦合或者直接不连接，处于悬浮状态。该部分电路的电平是相对于自己“地”的电位。常用在小信号的提取系统或者强电和弱点混合系统中。

　　其优点是该电路不受系统中电气和干扰的影响；缺点是该电路易受寄生电容的影响，而使该电路的地电位变动和增加对模拟电路的感应干扰。由于该电路的地与系统地没有连接，易产生静电积累而导致静电放电，可能造成静电击穿或强烈的干扰c 因此，悬浮地的效果不仅取决于悬浮地绝缘电阻的大小，而且取决于悬浮地寄生电容的大小和信号的频率。

　　VDD-SGND的电源供电系统中，所有工作点相对的地都是SGND，但是SGND和DGND之间是电平处于悬浮状态，VDD-SGND的电源供电的系统与整个系统的连接完全通过变压器耦合，在这里设计的时候需要注意信号的连接方式。

5 电源地
　　电源地是系统电源零电位的公共基准PCB设计地线。由于电源往往同时供电给系统中的各个单元，而各个单元要求的供电性质和参数可能有很大差别，因此既要保证电源稳定可靠的工作，又要保证其他单元稳定可靠地工作。同时，电源系统功耗比大，在单层板或者双层板中PCB设计地线的线宽必须加粗(参考计算公式见式(4-1)。若在多层板中，则应以一层或者多层作为系统的地平面。

6 功率地
　　功率地是负载电路或功率驱动电路的零电位的公共基准PCB设计地线。由于负载电路或功率驱动电路的电流较强、电压较高，所以功率PCB设计地线上的干扰较大，因此功率地必须与其他弱电地分别设置、分别布线，以保证整个系统稳定可靠地工作。

二、接地方式
　　在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时，PCB设计地线阻抗变得很大，此时应尽量降低PCB设计地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1MHz~10MHz时，如果采用一点接地，其PCB设计地线长度不应超过波长的1-20，否则应采用多点接地法。工作接地按工作频率而采用如图4-3所示几种接地方式。

(一)单点接地
　　工作频率低(<1MHz)的采用单点接地式(即把整个电路系统中的一个结构点看作接地参考点，所有对地连接都接到这一点上，并设置一个安全接地螺栓)，以防两点接地产生共地阻抗的电路性耦合。多个电路的单点接地方式又分为串联和并联两种。由于串联接地产生共地阻抗的电路性耦合，所以低频电路最好采用并联的单点接地式。

　　为防止工频和其他杂散电流在信号PCB设计地线上产生干扰，信号PCB设计地线应与功率PCB设计地线和机壳PCB设计地线相绝缘，且只在功率地、机壳地和接往大地的接PCB设计地线的安全接地螺栓上相连(浮地式除外)。
PCB设计地线的长度与截面的关系为：

(二)多点接地
　　工作频率高(>10MHz)的采用多点接地式(如图4-5所示)。在该电路系统中，用一块接地平板代替电路中每部分各自的地回路。因为接地引线的感抗与频率和长度成正比，工作频率高时将增加共地阻抗，从而将增大共地阻抗产生的电磁干扰，所以要求PCB设计地线的长度尽量短。采用多点接地时，尽量找最接近的低阻值接地面接地。此处电路板最好设计为多层电路(4层以上)，提供一层作为地平面。

(三)混合接地
　　工作频率介于1MHz~10MHz, 的电路采用混合接地式。当接PCB设计地线的长度小于工作信号波长的1/20时，采用单点接地式，否则采用多点接地式。根据系统的需求和电路的需要进行合理的安排。

(四)悬浮接地
　　悬浮接地是系统的地与大地不直接连接，而是通过变压器耦合或者直接不连接，处于悬浮状态。悬浮接地应注意以下几点：
(1)尽量提高浮地系统的对地绝缘电阻，从而有利于降低进入浮地系统中的共模干扰电流，保证系统的可靠性。
(2)注意浮地系统对地存在的较大寄生电容，高频干扰信号通过寄生电容仍然可能耦合到浮地系统之中，在设计时一定要注意。
(3)悬浮接地技术必须与屏蔽、隔离等电磁兼容性技术相互结合应用，才能收到更好的预期效果。
(4)采用浮地技术时，系统容易积累静电，当静电积累到一定应程度后，可以对人和设备产生很多的损害，所以要注意静电和电压反击对设备和人身的危害。

三、接地电阻(一)对接地电阻的要求
　　对电路系统而言，接地电阻越小越好，因为当有电流流过接地电阻时，其上将产生电压。该电压除产生共地阻抗的电磁干扰外，还会使设备受到反击过电压的影响，并使人员受到电击伤害的威胁，同时还带来系统的工作的不稳定性和发热。为了保护系统的正常工作，我们在设备接地时对接地电阻提出要求，一般要求接地电阻小于4Ω；对于移动设备，接地电阻可小于10Ω。系统接地的等效电路。系统接地不好，还会带来寄生电感和寄生电容，这些可以导致地平面发生振荡。

(二)降低接地电阻的方法
　　接地电阻由接PCB设计地线电阻、接触电阻和地电阻三部分组成。为此，降低接地电阻的方法有以下三种：

1 降低接PCB设计地线电阻
　　降低接PCB设计地线电阻的方法有增大导线的宽度，或者采用多层板，给出一层或者多层电源层，降低导线的内阻。信号层可以对采用覆铜的方式。覆铜的类型有：
(1)整板(全部)覆铜；
(2)局部(部分)覆铜；
(3)分区覆铜(用于地种类复杂，而且PCB设计地线有不同的分区，比如模数混合电路)；
(4)分网络覆铜(系统的特许需要，对某个或者几个特定的网络覆铜)。

2 降低接触电阻
　　降低接触电阻，为此要将接PCB设计地线与接地螺栓、接地极牢靠地连接，同时要考虑系统接地极和土壤之间的接触面积与紧密度。增加地极和土壤之间的接触面积与紧密度，可以减小接触电阻。

　　有的设备为了降低接触点之间的电阻，在接触点采用导电性能良好的材料；为了防止金属被氧化而增加接触电阻，必要时可以在接触点镀银或者镀金来保持良好的接触效果，减小接触电阻。

3 降低地电阻
　　降低地电阻，有些特殊系统，必须增加接地极的表面积和增加土壤的导电率(如在土壤中注入盐水)。
则系统的垂直接地极接地电阻R为：
 
例如，黄土ρ取200Ω.m,L为2cm,d为0.05，则垂直接地极接地电阻R为80.67Ω。
如在土壤中注入盐水，使ρ=20Ω.m时，则接地极接地电阻R为8.067Ω。
从上面的比较中，可以清楚地看出，接地电阻随着大地电阻率降低而减少。在一些特许系统中，对接地电阻和地电阻要求比较严格时，降低大地的电阻率，增加大地的导电性能是一个很好的办法。