接地与布线.docx

电路设计师指导手册(1) :接地与布线 接地任何电子或电气电路都有一个基本属性, 即电路中呈现的电压都有一个公共的参考点, 这个公共点****惯上被称为地。这个术语源自电气工程实践活动, 在这些活动中参考点经常是指钉入大地的一颗铜钉。这个点也可能是电源与电路之间的的一个连接点,此时这个点被称为 0V( 零伏) 轨,而地和 0V 通常是同义词( 有些令人困惑)。这样, 当我们谈到 5V 电源或-12V 电源或 参考电压时, 这些电压的参考点都是 0V 轨。而实际地并不等同于 0V 。基于安全的原因,需要用地线将设备连接到大地,在正常工作中地线是不承载电流的。然而, 本文中的“接地”一词是按通常的意义使用的, 包括安全地以及信号与电源返回路径。电路中出现问题的最大一个原因也许是将 0V 和地想当然认为是一样的。事实上, 在一个工作电路中只有一个点是真正的 0V 。“ 0V 轨”的概念实际上是一种自相矛盾的说法。这是因为任何实际导体都有有限的非零电阻和电感, 欧姆定律告诉我们, 在非零阻抗的任何物体上流过的电流都将在这个物体两端产生一个电压。一个工作中的电路将在指定为 0V 轨的这些导体中形成电流流动, 因此如果轨的任何一点处于真正的 0V( 比方电源连线), 那么轨的其它部分将不等于 0V 。这种情况可以用图 中的例子来解释。图 0V 轨沿线的电压。假设 0V 导体具有 10m Ω/ 英寸的电阻, A、B、C和D 点分别间隔一英寸。那么 A、B和C点相对于 D 点的电压是: V C= (I 1+I 2+I 3)× 10mΩ= 400 μV V B=V C+ (I 1+I 2)× 10m Ω= 700 μV V A=V B+ (I 1)× 10m Ω= 900 μV 现在, 经过上述深入浅出的介绍后, 你可能会说, 世界上存在成千上万的电路, 它们必定都有 0V 轨,但它们的工作看起来好得很,因此有什么问题呢?大多数情况下确实没有问题。 0V 导体的阻抗是毫欧级别, 电流是毫安, 因此形成的几百微伏的压降根据不会损害到电路。 0V 加上 500 μV 还是非常接近 0V ,没有人会担心。这样的回答问题在于, 很容易让人忘记 0V 轨, 并认为在所有条件下都是 0V , 但当电路发生振荡或不能工作时会让人大吃一惊。可能发生问题的那些条件是: ●当测得的流动电流单位为安培而不是毫安或微安时; ● 0V 导体阻抗的测量值单位为欧姆而不是毫欧时; ●最终压降不管值是多少,其数量级或配置情况都将影响到电路正常工作。什么时候考虑接地优秀的电路设计师的优秀品质之一是, 知道何时需要慎重考虑这些条件, 何时可以安全地忽略这些条件。通常的复杂性在于, 你作为电路设计师可能不负责电路版图, 版图设计要交给专门的版图人员完成( 他们又可能会将许多布线策略交给软件包)。接地对版图来说总是敏感的, 不管是分立的布线还是印刷电路板, 如果设计要求比较高, 设计师就必须在这方面具备一定的知识,并进行有效控制。这里的技巧是要确保你知道哪里有地返回电流在流动, 这种流动有什么后果。或者如果这太复杂的话,确保不管这些电流在哪里流动,造成的不良后果最小。虽然上述评论的对象是 0V 和地线,因为它们是最被认可的,但问题的实质是普遍性的,适用于电流流经的任何导体。电源轨( 或轨) 是另外一种特殊情况,此时的导体阻抗可能会产生问题。 在一个单元内的接地本文中提到的“单元”可以指单个电路板或一组电路板以及在同一个外壳内与之相连的其它线缆, 因此你可以确定一个“局部”的接地点, 比如主电源地的接入点。图 给出了一个例子。图 典型的单元内部走线机制。假设如印刷电路板( PCB )1 包含输入信号调节电路, PCB2 包含用于信号处理的微处理器, PCB 3 包含大电流输出驱动器, 比如用于继电器或灯的驱动器。你可能不会把所有这些功能放在分开的板上,但如果按分开的方式考虑可以更容易描述和理解其中的原理。电源单元(PSU) 为前两块电路板提供低压电源,为输出电路板提供较高的电源。这是一种相当普遍的系统版图,图 可以用作说明好坏实践的起点。 机箱地首先需要注意的是, 地线只连接到金属机箱或外壳的一个点。所有需要连到机箱的地线都被引到这个点,这个点应该是专用于此目的的金属螺柱。这些连线有主电源安全地( 后面会有更详细的讨论)、 0V 电源轨以及电源本身可能要求的任何屏蔽与滤波连接( 如变压器中的静电屏蔽)。机箱单点接地的目的是为了防止在机箱中形成循环电流 1。如果使用多个接地点, 即使存在另外一条电流返回路径,机箱中也会有与之成比例的电流流动(图 ) 。具体比例则取决于阻抗比,而阻抗又取决于频率。图