接地技术介绍 （二）
一、接地的拓扑结构
接地基本形式有：浮地、单点接地、多点接地、混合接地。
1.1、浮地
采用浮地的目的是将设备或电路与公共地，或者可能引起环流的公共导体隔离开来。浮地还可以使不同电位的电路配合（通过光耦、变压器）变得容易。
浮地的优缺点：
浮地的优点是电路与外部的地系统有良好的电气隔离，不容易受到外部地系统上干扰的影响。
浮地的缺点是设备不与公共地直接连接，容易产生静电积累，当电荷积累到一定程度，设备与公共地之间的电位差会引起强烈的静电放电，成为破坏性很强的干扰源。作为折衷可在采用浮地的设备与公共地之间接一个阻值很大的电阻，以便泄放掉所积累的电荷。
1.2、单点接地
单点接地是在一个电路和设备中，只有一个物理点被定义为参考接地点，其他凡是需要接地的点都被连接到这一点上。单点接地分串联单点接地、并联单点接地。从噪声观点看，串联单点接地是最差的接地方式，因任何导线都有电阻，流经导线的电流都会在导线上产生压降，造成相互间干扰。
单点接地的优缺点：
单点串联接地简单，但存在共阻抗耦合。单点并联接地不存在共阻抗耦合，但接地线过多，单点接地需考虑高频下接地导线的特性（传输线效应）。
1.3、多点接地
多点接地是指设备（或系统）中凡是需要接地的点都是直接接到离它最近的接地平面上（就近接地），以便使接地线的长度为最短，这里所说的接地平面可以是设备的底板、专用接地母线、甚至是设备的框架。
多点接地的优缺点：
多点接地的优点是它在高频（≥10MHz)场合下应用有上佳表现。多点接地的缺点是接地形式看似简单，但对系统中的众多接地线的维护提出了更高的要求。因为任何接地点上的腐蚀、松动都会使接地系统出现高阻抗使接地效果变差，多点接地还易产生地环路干扰。
1.4、混合接地
单点接地的优点和多点接地的缺点，促使人们想到混合接地：即个别要求高频接地的点选择多点接地（就近接地），其余各点都采用单点接地。所谓混合接地：要求设计人员对系统各部分工作情况做分析，只将需要就近接地的点直接（或需要高频接地的点通过旁路电容）与接地平面相连，而其余各点都采用单点接地的办法。
减小接地阻抗的方法主要有：增加地线走线宽度（W），减小地线走线长度（L）,采用网格接地方式，采用完整地平面方式。
二、地干扰问题分析
2.1、地环路干扰问题
地环路干扰是一种常见的干扰现象，常常发生在通过较长线缆连接的相距较远的设备之间，其产生的内在原因是地环路电流的存在。由于地环路干扰是由地环路电流导致的，因此在实践中有时会发现，当将一个设备的安全地线断开时，干扰现象会消失，这是因为断开了地线，就切断了地环路。这种现象通常发生频率较低的场合，当干扰频率较高时，通常会出现共地阻抗干扰。
地环路干扰与接地点的位置及接地点的个数有直接的关系，是导致低频 EMI 辐射干扰的重要因素之一。为了抑制地环路干扰，在接地设计时，必须进行恰当的接地点的选择，包括选择接地点的位置和个数。
2.1.1、地环路干扰形成原因分析
地环路干扰形成的原因 1：两个设备的地电位不同形成地电压，在这个地电压的驱动下，设备1—互联电缆—设备 2—地形成的环路之间有电流流动。由于电路的不平衡性，每根导线上的电流不同，因此会产生差模电压，对电路造成干扰。地线上的电压是由于其它功率较大的设备也用这段地线，在地线中引起较强电流，地线又有较大阻抗产生的。
地环路干扰形成的原因2：由于互联设备处在较强的电磁场中，电磁场在设备1—互联电缆—设备2—地形成的环路中感应出环路电流，与原因1的过程一样导致干扰。
2.1.2、地环路干扰的解决思路
解决地环路干扰的基本思路有两个：一个是减小地线的阻抗，从而减小干扰电压。另一个是增加地环路的阻抗，从而减小地环路电流。当阻抗无限大时，实际是将地环路切断，即消除了地环路。具体方法有：变压器隔离、光耦隔离、共模扼流圈、平衡电路。
变压器隔离：
光耦隔离：
共模电感：
平衡电路：
2.2、公共地阻抗干扰
公共阻抗干扰当两个电路共用一段地线时，由于地线的阻抗，一个电路的地电位会受另一个电路工作电流的调制。这样一个电路中的信号会耦合进另一个电路，这种耦合称为公共阻抗耦合。
公共地阻抗干扰的解决思路
消除公共阻抗耦合的途径有两个，一个是减小公共地线部分的阻抗，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。另一个方法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和弱电电路共用地线，数字电路和模拟电路共用地线。
2.3、地弹问题
2.3.1、什么是地弹
地弹就是地噪声。低频时地噪声主要是因为构成地线的导体有〝电阻〞，电路系统的电流都要流经地线而产生的电位差波动。高频时地噪声主要是因为构成地线的导体有〝电感〞，电路系统的快速变化电流经过这个 〝电感时〞，〝电感〞两端激发出更强的电压波动，形象的称为〝地弹〞。
2.3.2、地弹的危害
ü地弹会使其它信号耦合噪声，造成有用信号被干扰。
ü地弹会导致严重的辐射问题。
ü地弹会造成参考地电位的急剧变化，信号会因参考电位不稳定导致传输错误。
ü低供电芯片会因地弹无法正常工作。
2.3.3、如何解决地弹
解决〝地弹〞现象的最直接最有效的方法是，采用多层板设计，多层板可以提供完整的参考地平面，则相对而言地平面寄生电感较小，电流流过参考地平面时，地电压波动就较小，系统工作就会更稳定。
三、参考平面&PCB 叠层设计
3.1、参考平面的作用
3.1.1、什么是参考平面
参考平面为高频电流提供一个返回源头的低阻抗路径（通量对消或通量最小化）；为
不同电路之间提供基准参考电位点。电源平面、地平面均能用作参考平面，电源平面作为
参考平面时有较高的阻抗，而地平面作为基准参考电平，阻抗相对较低，其回流效果远远
优于电源平面，因而在选择参考平面时，应优选地平面。
3.1.2、参考平面设计的原理
磁通对消原理：根据麦克斯韦方程，磁通总是在传输线中传播的，如果射频回流路径平行靠近其相应的信号路径，则回流路径上的磁通（顺时针场）与信号路径上的磁通（逆时针场）是方向相反的，那么顺时针场和逆时针场相互叠加，则得到了通量对消的效果。
为消除PCB中的射频能量，在PCB设计中必须采用磁通量对消或磁通量最小化技术。PCB层叠EMC规划与设计的思路就是合理规划信号回流路径，使得磁通对消。
3.1.3、参考平面与回流路径
当使用电源平面、地平面做为参考平面时，微带线因为信号布线与参考平面之间紧密耦合的缘故，回返电流会在参考平面上布线的直接正下方（或正上）流动。对称带状线回返电流平均使用上下两个平面。非对称带状线常见于多层板，大部分的回流电流流经靠其最近的参考平面。
3.1.4、三种常见 PCB 设计参考平面换层形式
v信号换层，参考层不变：
此种情况下回返电流将在同一参考平面层流动，不需要加任何处理措施。
v信号换层，参考层由一个地平面换到另一个地平面：
此种情况下回返电流在两个地平面上流动，则必须在布线换层的过孔附近设置一个地过孔连接两个地层。
v信号换层，参考层由地平面换到电源平面：
此种情况下回返电流分别在电源平面和地平面流动， 则必须在布线换层的过孔附近设置去耦合电容将地层与电源层连接起来。
3.2、PCB 叠层设计
3.2.1、PCB 叠层设计的基本规则
PCB叠层设计不是层的简单堆叠，信号回流面积最小化是关键，它与信号层、地层、电源层的安排有关，一般应按以下原则进行叠层设计。
ü信号回流面积最小化（尤其是高速信号）
ü满足信号的特性阻抗（尤其是高速信号）
ü满足参考平面完整性原则。
ü电源平面层紧邻地平面层
3.2.2、推荐 PCB 叠层设计
推荐的四层板叠层设计：
上述叠层设计，信号布线均有完整的参考平面，同时电源层与地层相邻，电源层也具备完整参考地平面，需要特别注意的是电源层不同电源分隔时信号参考的完整性。
推荐的六层板叠层设计：
上述叠层设计，信号布线均有完整的参考平面，同时电源层与地层相邻，电源层也具备完整参考地平面，需要特别注意的是电源层不同电源分隔时信号参考的完整性。
