電子產品接地問題是一個老生常談的話題,本文單講其中一小部分,主要內容是金屬外殼與電路板的接地問題。
我們經常會看到一些系統設計中將PCB板的地(GND)與金屬外殼(EGND)之間通常使用一個高壓電容C1(1~100nF/2KV)并聯一個大電阻R1(1M)連接。那么為什么這么設計呢?
原理圖示意
一、電容的作用
從EMS(電磁抗擾度)角度說,這個電容是在假設PE良好連接大地的前提下,降低可能存在的,以大地電平為參考的高頻干擾型號對電路的影響,是為了抑制電路和干擾源之間瞬態共模壓差的。其實GND直連PE是最好的,但是,直連可能不可操作或者不安全,例如,220V交流電過整流橋之后產生的GND是不可以連接PE的,所以就弄個低頻過不去,高頻能過去的路徑。從EMI(電磁干擾)角度說,如果有與PE相連的金屬外殼,有這個高頻路徑,也能夠避免高頻信號輻射出來。
電容是通交流阻直流的。假設機殼良好連接大地,從電磁抗擾度角度,該電容能夠抑制高頻干擾源和電路之間的動態共模電壓;從EMI角度,電容形成了高頻路徑,電路板內部產生的高頻干擾會經電容流入機殼進入大地,避免了高頻干擾形成的天線輻射。另一種情況,假設機殼沒有可靠接大地(如沒有地線,接地棒環境干燥),則外殼電勢可能不穩定或有靜電,如果電路板直接接外殼,就會打壞電路板芯片,加入電容,能把低頻高壓、靜電等隔離起來,保護電路板。這個并聯電容應該用Y電容或高壓薄膜電容,容值在1nF~100nF之間。
二、電阻的作用
這個電阻可以防止ESD(靜電釋放)對電路板的損壞。假如只用電容連接電路板地和機殼地,則電路板是一個浮地系統。做ESD測試時,或在復雜電場環境中使用,打(進)入電路板的電荷無處釋放,會逐漸累積;累積到一定程度,超過了電路板和機殼之間的絕緣最薄弱處所能耐受的電壓,就會發生放電——在幾納秒內,PCB上產生數十到數百A的電流,會讓電路因電磁脈沖宕機,或者損壞放電處附近連接的元器件。并聯該電阻,就可以慢慢釋放掉這個電荷,消除高壓。根據IEC61000的ESD測試標準10s/次(10s放完2kV高壓電荷),一般選擇1M~2M的電阻。如果機殼有高壓靜電,則該大電阻也能有效降低電流,不會損壞電路芯片。
三、需要注意的問題點
1、如果設備外殼良好接大地,那PCB應該也與外殼良好的單點接地,這個時候工頻干擾會通過外殼接地消除,對PCB也不會產生干擾
2、如果設備使用的場合可能存在安全問題時,那必須將設備外殼良好接地
3、為了取得更好效果,建議是設備外殼盡量良好接地,PCB與外殼單點良好接地;當然如果外殼沒有良好接地,那還不如把PCB浮地,即不與外殼連接,因為PCB與大地如果是隔離的(所謂浮地),工頻干擾回路阻抗極大,反而不會對PCB產生什么干擾
4、多個設備之間需要互相連接的時候,盡量是每個設備外殼都與大地在單點良好接地,每個設備內部PCB與各自外殼單點接地
5、機殼地可能并不是可靠的接地,如配電網中不符合安規,沒有地線;接地棒周圍土壤太干燥,接地螺栓生銹或松動
6、環境存在電磁干擾的,工作環境中有大功率變壓器、大功率電機、電磁電爐、高壓電網諧波等
8、PCB內部是會產生高頻噪聲的,如高頻開關管、二極管、儲能電感、高頻變壓器等
這些干擾因素都會導致PCB的信號地和機殼的電勢波動(同時含有高頻低頻成分),或者二者之間存在靜電,所以對它們良好可靠的接地處理是必要的,也是產品安規要求的。
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原文標題:金屬外殼與電路板的接地問題
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