电源接地与屏蔽技术讲座

接地与屏蔽技术目录1．目的2．国家有关EMC法规3．地线种类4．接地不良的影响与解决办法1．目的为了保证产品技术性能能满足国家有关电子信息产品的安规和电磁兼容方面的规定（如：静电放电抗扰度、电磁辐射限值和电磁辐射敏感度等），以及产品性能稳定可靠。产品上的接地方法和良好程度非常重要，必须认证做好。2．相关法规与要求2．1国家有关安规和电磁兼容方面的标准1）GB4943-1995信息技术设备(包括电气事务设备)的安全2）GB9254-1998信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法3）GB/T17626.2-98电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验4）GB/T17626.3-98电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度度验5)GB/T17626.4-98电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验6)GB/T17626.6-98电磁兼容试验和测量技术射频场感应的传导骚扰抗扰度7)GB6833.4-87电子测量仪器电磁兼容性试验规范电源瞬态敏感度试验2.2具体要求2.2.1GB4943-1995中要求接地电阻：≤90mΩ。2.2.2电磁兼容性要求分别应满足：1）GB9254-1998无线电骚扰限值的A级。2）GB/T17626.2-98静电放电抗扰度试验的3级。3）GB/T17626.3-98射频电磁场辐射抗扰度度验的2级。4)GB/T17626.6-98射频场感应的传导骚扰抗扰度的2级。5)GB/T17626.4-98电快速瞬变脉冲群抗扰度试验的3级。6)GB6833.4-87电源瞬态敏感度试验。3．地线种类3．1设备外部地线有：1）PE-电源保护地即机壳地，2）静电地，3）避雷针地，3．2设备内部地有：1）PE-保护地即机壳地，2）电源地，3）模拟地，4）数字地。4．接地不良的影响和解决办法任何一个信息电子产品上如果电源滤波、屏蔽、布线及接地不良，最终将造成产品不能正常工作，同时对周围环境造成辐射和干扰，影响周围其它设备的正常工作和危害现场工作人员的身体健康。这些情况都是国家有关法规所不允许的和用户不能接收的。接地不良造成对产品的干扰是很复杂的，主要有以下几个方面：4.1公共地线干扰：即各种回路信号在公共地线上产生的相互干扰。解决办法：各信号地回路分开走，然后在电源地接出处汇总，如：模拟地和数字地分开，功率信号地和微信号地分开，还有将地线做得尽量短而粗。4．2静电放电干扰4.2.1静电的危害静电放电可通过直接传导，电容耦合和电感耦合三种方式进入电子线路。1)静电的吸附作用，空气中的尘粒会被静电场极化而吸引过去附着在物体表面，减小物体表面的绝缘电阻，在高压下造成爬电。2)静电形成的高压会将较薄的电气绝缘层和半导体的PN结击穿，造成元器件的损坏。3)静电放电电流产生的焦耳热将元器件引线焊点融化、烧断，造成元器件的损坏。4)静电放电会在空中产生电磁干扰，使电子设备工作失常。例子：机箱螺钉、后接口处打静电2KV不通过。4.2.2静电的防护1)建立完善的屏蔽结构，带有接地的金属屏蔽壳体可将放电电流释放到地。2)金属外壳接地可限制外壳电位的升高，避免造成外壳与内部电路之间的放电。3)内部电路如果要与金属外壳相连时，要用单点接地，靠近总地线接出处接地，防止放电电流流过内部电路地线，形成共模干扰。4)在电缆入口处增加保护器件。5)在印刷板入口处增加保护环（环与接地端相连）。设备在工作中，静电一般由人体操作时的触摸所致，所以它一般产生在设备外部，只要将设备机箱上的所有金属制件良好接地，即可防止静电进入机箱内部干扰设备的正常工作，如果设备表面有非金属制件，如键盘、鼠标、软驱上的塑料制件，它必须有对静电的屏蔽和隔离能力。如果操作人员需打开机箱操作时则应按产品使用说明书的有关规定，将身体上的静电放掉，再接触机内的产品部件。4.3电磁辐射干扰：随着主板上时钟频率的升高和功能、存储容量的增加，计算机的电磁辐射在频率和幅度上也相应增加，因而对其它电子产品的干扰和人体的危害更加严重。对噪声和干扰非常敏感的电路或高频噪声特别严重的电路，如果屏蔽与接地不好，将造成的空间电磁辐射干扰或自身被干扰。例子：电源接地不良，显示屏上有雪化，群脉冲试验1KV不通过。对策：2）机箱上尽量少开长孔，通风孔长度应≤30mm，其它槽缝上电接触不良的长度应≤50mm长，否则就得采取附加的电接通措施，如接地簧片。3)I/O口的外壳和引出线上的屏蔽层均应360°就近与机壳后面板良好接通。4)软驱、光驱外壳必须与机箱开口处电接触良好。5)机箱金属件间的接触面上不能有漆。4.3.1机箱结构设计改进1）应该用金属罩屏蔽起来，并将屏蔽体就近接地。4.3.2主板电路设计与布线的改进1)主板上加强电源滤波和接地，2)适当改善主板上时钟和总线信号波形的沿的陡度以衰减高频分量，3)加强传输线终端的阻抗匹配以减小信号的反射，4)加强时钟、总线各信号线间的屏蔽地。5)在所有I/O口信号线上加低通滤波器将高频干扰信号抑制到合格水平。6)高频信号引脚上加滤波磁珠。4.3.3设备之间的信号连接1）与印刷线路板以外的信号相连时，通常采用屏蔽电缆。对于高频和数字信号，屏蔽电缆两端都接地。低频模拟信号用的屏蔽电缆，一端接地为好。2）电缆线屏蔽层的接地，将负载直接接地的方式是不合适的，这是因为两端接地的屏蔽层为磁感应的地环路电流提供了分流，使得磁场屏蔽性能下降。3）电缆线的端接方法，在要求高的场合要为内导体提供360°的完整包裹，并用同轴接头来保证电场屏蔽的完整性。4.4PCB板上的地线设计在电子设备中，接地是控制干扰的重要方法。如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地（逻辑地）和模拟地等。在地线设计中应注意以下几点：4.4.1正确选择单点接地与多点接地印刷电路板上，电源线和地线最重要。克服电磁干扰，最主要的手段就是接地。对于双面板，地线布置特别讲究，通过采用单点接地法，电源和地是从电源的两端接到印刷线路板上来的，电源一个接点，地一个接点。印刷线路板上，要有多个返回地线，这些都会聚到回电源地那个接点上，就是所谓单点接地。所谓模拟地、数字地、大功率器件地开分，是指布线分开，而最后都汇集到这个接地点上来。在低频电路中，信号频率小于1MHz时，它的地线电感影响较小，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。当信号频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1～10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。L=2l(ln4l/d-A)*10-9(H)l(cm)d(cm)L(H)Xl(Ω)200.113.58.51000.05113.7714.4.2将数字电路与模拟电路分开电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。4.4.3尽量加粗接地线若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。因此应将接地线尽量加粗，使它能通过三位于印制电路板的允许电流。如有可能，接地线的宽度应大于3mm。4.4.4将接地线构成闭环路设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时，将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。其原因在于：印制电路板上有很多集成电路元件，尤其遇有耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地结上产生较大的电位差，引起抗噪声能力下降，若将接地结构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。4.4.5时钟和总线的布线法则最好的布线方式是信号与地线相间，稍次的方法是一根地、两根信号再一根地依次类推，或专用一块接地层。5.降低噪声与电磁干扰的一些经验1)时钟产生器尽量靠近到用该时钟的器件。石英晶体振荡器外壳要接地。2)用地线将时钟区圈起来，时钟线尽量短。3）I/O驱动电路尽量靠近印刷板边，让其尽快离开印刷板。对进入印制板的信号要加滤波，从高噪声区来的信号也要加滤波，同时用串终端电阻的办法，减小信号反射。4）MCD无用端要接高，或接地，或定义成输出端，集成电路上该接电源地的端都要接，不要悬空。5）闲置不用的门电路输入端不要悬空，闲置不用的运放正输入端接地，负输入端接输出端。6）时钟、总线、片选信号要远离I/O线和接插件。7）模拟电压输入线、参考电压端要尽量远离数字电路信号线，特别是时钟。8）对A/D类器件，数字部分与模拟部分宁可统一下也不要交叉。9）时钟线垂直于I/O线比平行I/O线干扰小，时钟元件引脚远离I/O电缆。10)元件引脚尽量短，去耦电容引脚尽量短。11）关键的线要尽量粗，并在两边加上保护地。高速线要短要直。12）对噪声敏感的线不要与大电流，高速开关线平行。13）石英晶体下面以及对噪声敏感的器件下面不要走线。14）弱信号电路，低频电路周围不要形成电流环路。15）任何信号都不要形成环路，如不可避免，让环路区尽量小。16）每个集成电路一个去耦电容。每个电解电容边上都要加一个小的高频旁路电容。17）用大容量的钽电容或聚酯电容而不用电解电容作电路充放电储能电容。使用管状电容时，外壳要接地。中试部2002/10/16